Тем не менее где-то в глубине зрели теоретические идеи, которым суждено было отдернуть завесу невежества и путаницы, открыв взгляду базовую структуру природы, столь же замечательную, сколь и странно простую, в которой свет вновь играет ключевую роль.
Началось все с двух теоретических достижений: одного глубокого, но не замеченного, а другого – относительно прямолинейного, но блестящего и немедленно получившего известность. Примечательно, что в обе эти работы был вовлечен один и тот же человек.
Ян Чжэньнин родился в 1922 г. в семье математика. Образование он получил в Китае, причем в 1938 г., спасаясь от японского нашествия, был вынужден перебраться из Пекина в Куньмин. Четыре года спустя он окончил курс Национального юго-западного объединенного университета и остался в нем еще на два года. Тогда же он встретился с другим студентом, Ли Цундао, тоже вынужденно перебравшимся в Куньмин. Имея лишь смутное представление о Соединенных Штатах, оба они тем не менее в 1946 г. получили стипендии, учрежденные американским правительством на деньги Китая; эти деньги должны были дать талантливым китайским студентам возможность учиться в Америке. Ян уже имел диплом магистра, а потому пользовался большей свободой и мог выбирать, где защищать степень доктора философии; вместе с Ферми он перебрался из Колумбийского университета в Чикагский и приобрел американскую транскрипцию фамилии – Янг[11]. У Ли особого выбора не было, поскольку степени магистра он не имел, но единственным университетом в США, где он мог готовить диссертацию сразу на докторскую степень, тоже оказался Чикагский университет. Янг готовил диссертацию под руководством Эдварда Теллера и уже через год после выпуска работал непосредственно с Ферми в качестве помощника, а Ли готовил диссертацию под руководством Ферми.
В 1940-е гг. Чикагский университет был одним из ведущих центров теоретической и экспериментальной физики США, и его выпускники получали бесценный опыт общения с замечательными учеными – это были не только Ферми и Теллер, но и другие ученые, включая блестящего, но при этом очень скромного астрофизика Субраманьяна Чандрасекара. В девятнадцать лет Чандра, как часто называли его коллеги, доказал, что звезды с массой, более чем в 1,4 раза превышающей массу Солнца, в конце цикла ядерного горения должны катастрофически схлопываться либо через процесс, известный сегодня как взрыв сверхновой, либо непосредственно в то, что мы сегодня называем черной дырой. Хотя в то время теория молодого астрофизика была встречена насмешками, пятьдесят три года спустя он получил за нее Нобелевскую премию.
Чандра был не только блестящим ученым, но и, подобно Ферми, прирожденным педагогом. Занимаясь исследованиями в Йеркской обсерватории (штат Висконсин), он не ленился каждую неделю проезжать сто миль туда и обратно, чтобы вести занятия у двух студентов, записавшихся на его семинары, – Ли и Янга. В конечном итоге все члены группы, включая и профессора, стали нобелевскими лауреатами (вероятно, это уникальный случай в истории науки).
В 1949 г. Янг перебрался в престижный Институт перспективных исследований в Принстоне, где продолжал плодотворно сотрудничать с Ли по разнообразным темам. В 1952 г. Янг получил в этом институте пожизненную должность, тогда как Ли в 1953 г. перебрался в расположенный неподалеку, в Нью-Йорке, Колумбийский университет, где и работал до выхода в отставку.
Каждый из этих людей внес в физику значительный вклад в различных областях, но прославившее их сотрудничество началось со странного экспериментального результата, опять же связанного с наблюдением космических лучей.
В том же году, когда Янг покинул Чикагский университет и начал работать в Институте перспективных исследований, первооткрыватель пиона Сесил Пауэлл обнаружил в космических лучах еще одну новую частицу, которую назвал тау-мезоном. Эта частица, согласно наблюдениям, распадалась на три пиона. Вскоре после этого была обнаружена еще одна частица, получившая название тета-мезона; она распадалась на два пиона. Как ни удивительно, выяснилось, что эта частица имеет в точности такую же массу и точно такое же время жизни, что и тау-мезон.
Возможно, это не покажется вам таким уж странным. Может быть, это одна и та же частица, просто ученые наблюдали два разных варианта ее распада? Не забывайте, что в квантовой механике все, что не запрещено, может произойти, и поскольку новая частица достаточно массивна, чтобы распадаться хоть на два, хоть на три пиона, – а слабое взаимодействие допускает оба варианта, – то и другое должно время от времени происходить.
Но, по здравому смыслу, слабое взаимодействие не должно было бы разрешать оба варианта распада.
Подумайте, к примеру, на мгновение о своих руках. Ваша левая рука отличается от правой. Никакой простой физический процесс, за исключением прохода сквозь зеркало и попадания в зазеркалье, не способен превратить левую руку в правую и наоборот. Никакая последовательность движений – подъем или опускание рук, поворот вокруг оси или подпрыгивание на месте – не сможет превратить одно в другое.
Силы, определяющие наш опыт, – электромагнетизм и гравитация – не различают право и лево. Никакой процесс, управляемый одним из этих двух типов взаимодействия, не может превратить нечто в его же зеркальное отражение. Так, невозможно превратить вашу правую руку в левую, просто направляя на нее свет.
Иными словами, если я направлю луч света на вашу правую руку и взгляну на нее издалека, интенсивность отраженного света будет точно такой же, какой была бы, если бы я проделал то же самое с вашей левой рукой. Свету, когда он отражается от объекта, нет дела до левого и правого.
Вообще, определение левого и правого введено нами по соглашению. Завтра мы можем решить, что левое – это правое и наоборот, и ничего не изменится, кроме наших ярлычков. Я пишу этот текст в самолете, в салоне эконом-класса, и человек в кресле справа от меня, вполне возможно, сильно отличается от человека слева, но опять же это всего лишь стечение случайных обстоятельств. Не думаю, что законы природы, которым подчиняется полет этого самолета, по-разному действуют на правое его крыло и на левое.
А теперь задумаемся, как все это выглядит в субатомном мире. Энрико Ферми, как мы помним, выяснил, что по правилам квантовой механики математическое поведение групп или пар элементарных частиц зависит от того, обладают ли они полуцелым спином, то есть являются ли фермионами. Поведение групп фермионов резко отличается от поведения таких частиц, как фотоны, у которых спин имеет значение 1 (или любое другое целое значение, к примеру 0, 1, 2, 3 и т. д.). Математическая «волновая функция», описывающая пару фермионов к примеру, антисимметрична, тогда как аналогичная функция, описывающая пару фотонов, симметрична. Это означает, что, если поменять частицы местами, волновая функция, описывающая фермионы, поменяет знак. Но для таких частиц, как фотоны, волновая функция при такой замене останется
