Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

Так что же это за тяжеловес, переносящий взаимодействие? Оказывается, существуют три частицы, которые могут переносить слабое взаимодействие, все они имеют большую массу и единичный спин. Два из них – W-бозоны – еще до появления V-A теории идентифицировал американский физик Джулиан Швингер. Он принадлежал к тому же поколению, что и Фейнман, и этих гигантов теоретической физики часто сравнивали. Яркий Фейнман руководствовался интуицией, Швингер отличался осторожностью и изощренностью. В теории Ферми нейтрон превращается в протон, выбрасывая электрон и антинейтрино. Швингер хотел в этот процесс втиснуть свой новый бозон, как в игре «Третий лишний», чтобы остановить «поцелуй» четырех частиц. Иными словами, ему хотелось, чтобы нейтрон превращался в протон, испустив сначала отрицательно заряженный W-бозон, как показано на рисунке ниже. В других процессах участвовал положительно заряженный W-бозон, так что всего у физика имелось два W-бозона.

Изображение распада нейтрона. Слева вы видите схему Ферми, когда нейтрон одновременно распадается на три частицы. Справа – вариант Швингера, когда в середину процесса втиснут W-бозон

Казалось, что электромагнетизм и слабое взаимодействие танцуют в одном зале, хотя и совершают несколько разные шаги. В некотором смысле это танец электрического заряда. С одной стороны, у вас есть электромагнитная сила, перемещающая заряды в пространстве: электроны отталкивают электроны и притягивают протоны. С другой – у вас имеется слабое взаимодействие, способное изменять электрический заряд; оно может превращать электрически нейтральный нейтрон в положительно заряженный протон. Это также означает, что слабое взаимодействие переносится частицами, имеющими собственный электрический заряд и ощущающими электромагнитную силу! Может быть, электромагнетизм и слабое взаимодействие – разные стороны одной медали? Можно ли упаковать W-бозоны и фотон в один сверток, взяв две фундаментальные силы природы и объединив их?

Швингер считал именно так. Он попытался сшить две силы вместе. Это напоминало попытку художников создавать орнаменты на стенах Альгамбры, хотя, как мы видели в начале предыдущей главы, симметрии – дело хитрое. Чтобы получить узор, вы не можете соединять все что заблагорассудится. Вот почему на стенах и полах древних исламских дворцов появляется всего семнадцать орнаментов. И именно поэтому Швингер не смог сшить вместе фотон и пару W-бозонов. В конце концов, дисбаланс был слишком велик: электрически нейтральным оказался один бозон (фотон), а заряд несли два. Чтобы получился орнамент – и сохранялась симметрия, – требовался еще один нейтральный бозон. Эту частицу мы сейчас называем Z-бозоном. Нехватку этого компонента понял парень из Бронкса Шелдон Глэшоу. Он был аспирантом Швингера, хотя из комментариев к его статье видно, что Шелдона вдохновляли также беседы с Гелл-Манном.

Все сходилось – в буквальном смысле. Слабое взаимодействие и электромагнетизм сливались в единую сверхсилу, и это взаимодействие переносили четыре бозона: фотон, два W-бозона и Z-бозон. Фотон отвечал за электромагнетизм, а W– и Z-бозоны – за слабое взаимодействие. Как и в случае с сильным взаимодействием, базовая структура была примерно такой же, как та, которую Янг и Миллс предложили десятилетием ранее (и которая так сильно расстроила Паули на семинаре в Принстоне). Глэшоу открыл дверь к единой теории электромагнетизма и слабого взаимодействия. К концу десятилетия последние штрихи в электрослабую теорию внес друг Глэшоу Стивен Вайнберг (они подружились еще в школе в Бронксе). Сначала эти идеи проигнорировали, однако несколько лет спустя два голландских физика – Герард Хоофт и его научный руководитель Мартинус Вельтман – показали, что все это имеет четкий математический смысл, и с этого момента дело пошло на лад. Объединение электромагнетизма и слабого взаимодействия было физическим эквивалентом падения Берлинской стены. В этот момент две теории стали одной, объединившись в нечто более мощное и глубокое. Конечно, такое уже случалось в физике, – например, когда Максвелл соединил электричество и магнетизм или еще раньше, когда Ньютон связал перемещение планет с движением падающего яблока. Разработка электрослабой теории стоит рядом с историческими триумфами Максвелла и Ньютона. Это действительно было чертовски прекрасно.