Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир - Гвидо Тонелли Страница 9

Фермиевское взаимодействие

У истории этого бозона длинный, почти в столетие, пролог. Свое начало она берет, пожалуй, в первые годы ХХ века, в то поразительное время, когда важнейшие для развития науки события следовали одно за другим во все ускоряющемся ритме нарастающего крещендо. Именно тогда самые блистательные ученые умы всего за несколько лет полностью сменили парадигму, в которой человечество познавало мир прежде.

Специальная теория относительности, квантовая механика и общая теория относительности создали основу для новых представлений о материи и Вселенной. Перемены были настолько глубокими, что даже сегодня, век спустя, нам непросто осознать их последствия.

Исходя из этих принципов, физики, принадлежащие уже к новому поколению, делали открытие за открытием, одно удивительнее другого, и разрабатывали одну теоретическую модель за другой, чтобы объяснять результаты проведенных к тому моменту наблюдений; на основании этих моделей регулярно происходили обсуждения последующих опытов. Именно так была создана Стандартная модель фундаментальных взаимодействий.

Ее история начинается с интуитивной догадки молодого итальянского физика Энрико Ферми, озарившей его в 1933 году. К тому времени он уже стал профессором Римского университета и в этом качестве проводил занятия с группой физиков. Несмотря на весьма небольшую разницу в возрасте, они называли Ферми Папой – настолько велик уже был его авторитет. Результатам серии экспериментов этой группы суждено было сильно изменить ход развития самых разных разделов физики. Их назовут ребятами с виа Панисперна — так называлась улица, на которой располагался в Риме Институт физики, где все они работали. Вот члены этой группы – безусловно, гордость науки ХХ века: Эдоардо Амальди, Оскар Д’Агостино, Этторе Майорана, Бруно Понтекорво, Франко Разетти и Эмилио Сегрé. Результаты, которые они получали, были настолько невероятны, что очень скоро “ребят” Энрико Ферми знал весь мир.

С момента своего первого появления в Пизанском университете, куда юный Ферми пришел изучать физику, он неустанно всех поражал. А еще раньше, приехав семнадцатилетним юношей из Рима, чтобы поступить в престижную Высшую нормальную школу Пизы, он написал небольшое конкурсное сочинение, размером с хорошую диссертацию, и уже там проявилась вся оригинальность его ума. Мы, те, кому довелось учиться в Пизе, помним фронтиспис этой его первой книги – “Об отличительных особенностях звуков и их причинах”, – выставленной в помещении департамента (носящего теперь его имя). Молодой блестящий студент нередко сам поднимался на кафедру, чтобы прочитать лекцию, и вместе со своими однокурсниками Разетти и Каррара ставил эксперименты и публиковал научные статьи. В 21 год он закончил университет, а еще четыре года спустя отправился в Рим преподавать теоретическую физику.

В 1933‑м, всего 32 лет от роду, он разработал теорию до такой степени революционную, что его первая статья на эту тему, представленная в журнал Nature, была отклонена на следующем основании: “Содержит спекуляции настолько далекие от физической реальности, что они не представят для читателя никакого интереса”. Ее опубликует журнал La ricerca scientifica, который благодаря этому окажется со временем среди тех журналов, где увидели свет наиболее важные работы по физике ХХ века.

В теории Ферми рассматривается один из процессов радиоактивного распада, причины которого тогда были неизвестны: речь о бета-распаде, получившем такое название из‑за того, что он сопровождается бета-излучением, то есть потоком электронов. Ферми был первым, кто заговорил об этом явлении как о свидетельстве действия новой силы, природа которой оставалась ранее совершенно неведомой. Описывая данную силу, он оттолкнулся от гипотезы о ее близкой аналогии с электромагнетизмом. Эта простейшая гипотеза позволила определить единственную константу G, которую Ферми смог оценить с невероятной точностью. На протяжении многих лет новую силу будут называть “фермиевским взаимодействием”; это название изменится только спустя много лет, когда теория уже станет общепризнанной. Тогда ее нарекут слабым взаимодействием, что вполне естественно, если принять во внимание очень маленькое значение той самой константы G, которая характеризует интенсивность взаимодействия и которая в честь первооткрывателя именуется теперь “константой Ферми”.

В 1938 году Энрико Ферми номинировали на Нобелевскую премию за открытие трансурановых элементов и ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами. Он совершил тогда выдающийся вклад в науку, проведя решающие исследования для понимания природы атомной энергии и управления ею. Но подход Ферми к открытию одного из четырех фундаментальных взаимодействий, как станет понятно спустя несколько лет, был бы достоин и второй Нобелевской премии. Великий физик наверняка получил бы ее, если бы не его преждевременная кончина в 1954 году. Эта глава истории была дописана.

Сегодня мы знаем, что слабое взаимодействие, сколь ни редко оно встречается в процессах, проходящих в обычной окружающей нас материи, играет фундаментальную роль во Вселенной. Без вызываемых слабым взаимодействием реакций ни Солнце, ни все остальные звезды не смогли бы производить ту энергию, которую они излучают в окружающее их пространство. И тогда Вселенная оказалась бы наполненной совершенно экзотическими формами материи, а космос приобрел бы черты, совершенно не похожие на те, которые мы знаем; но никто из нас не смог бы рассказать об этом, так как любая форма жизни, напоминающая известные нам, была бы невозможна.

Прорывная идея молодого Ферми открыла путь к объединению электромагнитного и слабого взаимодействий, и это спустя тридцать лет легло в основу Стандартной модели фундаментальных взаимодействий.

Рождение Стандартной модели

Эта история заставляет вспомнить о великих готических соборах XII века. Для создания подобных шедевров требовались гениальные архитекторы, способные их спроектировать, но также еще и тысячи каменщиков, скульпторов и камнетесов, способных воплотить в чудесные физические формы игру художественного воображения. Нечто похожее произошло и со Стандартной моделью. В ее основании находятся квантовая механика и теория относительности – две грандиозные концептуальные революции, с которых начинался ХХ век. От них произошли прочие элементы несущей инфраструктуры, такие как гениальная интуиция Энрико Ферми и работа трех других гениальных архитекторов – Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама, а уж вокруг этого закрутился непрекращающийся и систематический труд многих тысяч ученых. Стандартная модель рождалась из десятков теоретических построений, сплетенных с целой чередой впечатляющих экспериментальных открытий, которые раз за разом заставляли перерисовывать всю картину. Именно так и происходило за века до этого, когда посреди работ по возведению собора вдруг выяснялось, что какие‑то решения были слишком смелыми, что вся конструкция не способна выдерживать собственного веса или побочных напряжений и что необходимо конструктивное воплощение новых