Розділ без назви (25)

Розділ 13. Нескінченна кількість найпрекрасніших форм: симетрія завдає удару у відповідь

А віра то підстава сподіваного, доказ небаченого.

До Євреїв 11:1

Запозичивши вислів Паулі, маємо всі підстави стверджувати, що Матінка Природа є слабким ліворуким. Переживши приголомшливе усвідомлення, що природа відрізняє лівий бік від правого, фізика, своєю чергою, зробила дивний лівий поворот на шлях без знайомих дороговказів. Чудова впорядкованість періодичної таблиці, яка регулює явища в атомних масштабах, поступилася місцем таємниці ядра й незбагненній природі сил, що ним керують.

Минули часи світла, руху, електромагнетизму, гравітації й квантової механіки, що їх нині сприймають як безтурботні. Феєрично вдала теорія квантової електродинаміки, яка щойно перебувала на передньому краї фізики, схоже, поступилася місцем химерному світу екзотичних феноменів, пов’язаних із нещодавно відкритими слабкою й сильною ядерними силами, які правили бал у серці матерії. Попри те, що одна з цих сил була в тисячі разів сильнішою за іншу, їхні наслідки та властивості було непросто виокремити. Світ фундаментальних частинок виглядав іще складнішим, аніж досі, і з кожним роком ситуація дедалі більше заплутувалася.

• • •

Якщо відкриття порушення парності кинуло тіні збентеження, продемонструвавши, що природа має абсолютно непередбачувані забаганки, перші промені світла постали з усвідомлення, що інші ядерні величини, які на перший погляд здавалися вкрай відмінними, з фундаментальної точки зору можуть ви­явитися зовсім не такими різними.

Гадаю, найважливішим відкриттям у ядерній фізиці було те, що протони й нейтрони, як за кілька років до того припустив Юкава, можуть перетворюватися одні на одних. Це стало основою зародження розуміння слабкої взаємодії. Проте більшість фізиків відчувала, що це було також ключем до розуміння сильної сили, котра, як виявилося, тримає ядра вкупі.

За два роки до революційної спільної роботи з Лі Цзун-дао, яка не звертала уваги на священну ліво-праву симетрію природи, зусилля Янга Чженьніна були зосереджені на намаганнях зрозуміти, яким чином інший тип симетрії, запозичений із квантової електродинаміки, може пролити світло на приховану красу всередині ядра. Можливо, як з’ясував Галілей стосовно базових засад руху, найочевидніші речі, які ми спостерігаємо в природі, можуть одночасно бути саме тим, що ефективно маскує її фундаментальні властивості.

Поступово внаслідок не лише прогресу в розумінні нейтронного розпаду та інших слабких ефектів у ядрах, а й розгляду сильних ядерних зіткнень стало зрозуміло, що очевидна відмінність між протонами й нейтронами — перші мають заряд, а другі нейтральні — може не мати ніякого значення в контексті базисної фізики, що визначає властивості ядер. Чи принаймні мати таке ж значення, яке видима відмінність між пером і каменем, що падають, має для нашого розуміння базисної фізики гравітації об’єктів у падінні.

По-перше, слабка сила здатна конвертувати протони в нейтрони. Мало того, вивчаючи інтенсивності інших, сильніших ядерних реакцій, пов’язаних із зіткненнями протонів чи нейтронів, встановили, що заміна нейтронів протонами й навпаки несуттєво впливає на результати.

Того ж 1932 року, коли було відкрито нейтрон, Гайзенберг висунув припущення, що нейтрон і протон можуть бути всього-на-всього двома станами тієї самої частинки, і винайшов для їхнього розрізнення параметр, який назвав ізотопічним спіном. Урешті-решт їхні маси майже однакові, і світлостійкі ядра містять їх в однаковій кількості. Після цього, а також після встановлення авторитетними ядерними фізиками Бенедиктом Кассеном, Едвардом Кондоном, Грегорі Брейтом і Юджином Фінбергом, що ядерні реакції, схоже, здебільшого сліпі в плані розрізнення протонів і нейтронів, блискучий математичний фізик Юджин Вігнер висловив припущення, що в ядерних реакціях ізотопічний спін «зберігається», з чого випливала базисна симетрія, яка визначає поведінку ядерних сил між протонами й нейтронами. (Перед цим Вігнер розробив правила, що демонстрували, яким чином симетрії в атомних системах зрештою уможливлювали повну класифікацію атомних станів і переходів між ними, за що пізніше отримав Нобелівську премію).

Вище, обговорюючи електромагнетизм, я зазначав, що в рамках електромагнітних взаємодій загальний електричний заряд не змінюється — себто електричний заряд зберігається — через базисну симетрію між позитивними й негативними зарядами. Цей базисний зв’язок між законами збереження та симетріями значно ширший та глибший за один цей приклад. У минулому столітті саме глибокий та несподіваний взаємозв’язок між законами збереження та симетріями природи був найважливішим керівним принципом фізики.

Попри цю важливість, точне математичне відношення між законами збереження та симетріями строго вивела лише 1915 року видатна німецька жінка-математик Еммі Нетер. На жаль, незважаючи на те, що Нетер була однією з найвизнач­ніших математиків початку ХХ століття, більшу частину своєї кар’єри вона працювала, не маючи ані офіційної посади, ані зарплатні.

На шляху Нетер було дві перешкоди. По-перше, вона була жінка, що ускладнювало здобуття нею на початку кар’єри освіти й пошуки роботи, а по-друге, — єврейка, що врешті-решт поклало край її академічній кар’єрі в Німеччині та змусило незадовго до смерті стати вигнанкою в США. Їй вдалося вступити в Ерлангенський університет, де вона була однією з двох жінок з-поміж 986 студентів, але навіть у такому разі для відвідування курсів їй було необхідно дістати окремий дозвіл від кожного з професорів. Зрештою вона склала випускний іспит і пізніше деякий час навчалася в славетному Геттінгенському університеті, після чого повернулася в Ерланген для завершення роботи над докторською дисертацією. Пропрацювавши сім років в Ерлангені як безоплатний викладач, 1915 року вона отримала запрошення від славетного математика Давида Ґілберта повернутися до Геттінгену. Проте університетські викладачі історії та філософії заблокували її призначення. Один із членів професорсько-викладацького складу висловив своє заперечення так: «Що подумають наші солдати, коли, повернувшись до університету, виявлять, що повинні навчатися в ногах жінки?» Ґілберт дав на це відповідь, яка змусила мене безмежно його поважати не лише за видатний математичний талант: «Я не розумію, як стать кандидатки може бути аргументом проти її прийому на посаду приват-доцента. Зрештою, це університет, а не лазня».

Утім, подання Ґілберта відхилили, і хоча Нетер викладала в Геттінгені впродовж наступних сімнадцяти років, їй почали платити лише з 1923-го, і, попри всі її визначні внески в численні галузі математики, — настільки численні й глибокі, що її часто зараховують до найвидатніших математиків ХХ століття, — вона так ніколи й не здобула посади професора.

Окрім того, 1915 року, невдовзі після приїзду до Геттінгену, вона довела теорему, нині відому як теорема Нетер, яку вивчають усі докторанти-фізики (або мають вивчати, якщо хочуть називатися фізиками).

• • •

Знову повертаючись до електромагнетизму, взаємозв’язок між довільним розрізненням між позитивним і негативним зарядами (якби Бенджамін Франклін краще розумів природу, визначаючи, що таке позитивний заряд, нині електрони, не виключено, позначали б як носії позитивного, а не негативного заряду) і збереженням електричного заряду — а саме що сумарний заряд у системі до та після будь-якої фізичної реакції залишається незмінним, — зовсім не очевидний. Насправді це наслідок із теореми Нетер, яка стверджує, що кожній фундаментальній симетрії природи — себто кожному перетворенню, у результаті якого закони природи виявляються незмінними, — відповідає певна збережувана фізична величина. Іншими словами, у процесі еволюції фізичних систем деяка фізична величина з часом не змінюється. Таким чином:

• закон збереження електричного заряду відображає той факт, що закони природи не змінюються в разі зміни знаків усіх електричних зарядів;

• закон збереження енергії відображає той факт, що закони природи не змінюються з часом;