Время вспять, или Физик, физик, где ты был - Анатоль Абрагам

Неожиданно вывел всех из тупика эксперимент Уиллиса Лэмба в 1947 году. Пользуясь радиочастотной техникой, он обнаружил, что первые два возбужденных уровня водородного атома, на расстоянии десятка электрон-вольт от основного уровня, которые согласно точной теории Дирака должны были совпадать друг с другом, на самом деле были расщеплены на несколько микроэлектрон-вольт. Почти одновременно с этим другой экспериментатор — Поликарп Каш — нашел другое отклонение от теории Дирака: гиромагнитное отношение электрона отличалось от двух приблизительно на одну тысячную.

Теоретики быстро убедились в том, что эти отклонения объяснялись вакуумными флуктуациями излучения и материи, которые рассматривались и прежде, но до сих пор всегда приводили к бесконечным результатам. Теперь, благодаря результатам Лэмба и Каша, теоретики знали, что эффекты флуктуации реальны, что они измеримы и малы. Последнего следовало ожидать ввиду малой величины константы связи. Менее чем в три года благодаря усилиям Швингера, Фейнмана, Томанаги и Дайсона, появился на свет так называемый метод ренормгруппы, который позволил при расчете любой физической величины однозначно изолировать расходящиеся части интегралов всех порядков по константе связи, выделяя в результате вычисления ее конечную часть, которую можно было сравнить с результатами эксперимента.

Как известно, замечательное изобретение Фейнмана, так называемый метод диаграмм позволило представить наглядно и записать все члены любого порядка n. Когда порядок n увеличивается, число членов этого порядка растет, величина их уменьшается, а вычисление каждого члена быстро усложняется. Оправдывает подсчет членов высокого порядка, несмотря на их очень малую величину и на очень большую сложность, воистину умопомрачительное согласие теории с экспериментом. Такое согласие доказывает одновременно и правильность метода ренормгруппы как метода вычислений, и способность теории описывать физическую реальность. Я не сомневаюсь, что метод ренормгруппы легко мог бы быть открыт на десять лет раньше. Теоретикам, которых я только что назвал, вполне хватало и математического искусства и воображения. Чего им не хватало, так это уверенности, что квантовая электродинамика правильно описывает действительность. Только эксперимент мог им дать и дал эту уверенность. Они узнали, что «гнили» никакой не было, и после этого легко спасли «державу».

Господин Том смеется над физиками, которые «отыскивают» согласия до седьмого порядка между экспериментом и теорией, которая «математически неудовлетворительна». Тут заложена «маленькая неточность». Согласие, и не до седьмого, а до десятого порядка, не «отыскивают», оно «находится» само собой. Параметров, которые надо «подгонять» к результатам, здесь нет.

Надо признать, что, так называемых, феноменологических теорий, где параметры «подгоняют» к результатам, в физике немало. Есть анекдот, который это прекрасно описывает и который, с вашего разрешения, я расскажу. Дело происходит в США во время гражданской войны между северянами и южанами. Северянин, кавалерийский офицер, проезжает верхом по деревне в одном из западных штатов. На двери каждого амбара кто-то нарисовал несколько концентрических кругов, как на мишени для упражнения в стрельбе, и в самой серединке каждой мишени — один-единственный след пули. Офицер спрашивает у парня, который прислонился к амбару:

— Кто это тут упражнялся? Неплохой стрелок.

— Да это Билли Джонс баловался с кольтом.

— На каком расстоянии от амбара он стреляет?

— Шагов тридцать.

— Долго целился?

— Кто? Билли? Да нет, выхватывает из кобуры и стреляет.

— Вот это стрелок! Таких нам и надо.

— Не в обиду будь сказано, лейтенант, Билли вам не подойдет.

— Не твоего это ума дело. Он за тридцать шагов от мишени стоит, когда стреляет?

— Ну, тридцать, тридцать, иногда и за сорок. — И долго не целится?

— Да говорил же я вам, выхватывает и стреляет.

— Ладно, вот тебе парень доллар, приведи мне твоего Билли, да поскорее.

— Иду лейтенант, и большое вам спасибо. А все-таки разрешите сказать, что Билли сперва стреляет, а потом только круги рисует.

Как последний пример близкого сотрудничества между теорией и экспериментом назову несохранение четности в так называемых слабых взаимодействиях, к которым принадлежит, между прочим, и ядерный β-распад. Про теорию говорят, что она сохраняет четность, когда нельзя отличить явления, которые она описывает, от их отражения в зеркале. Давно было известно, что четность сохраняется с большой точностью в электромагнитных взаимодействиях, а также и в сильных взаимодействиях, которыми обусловлены ядерные силы.

До 1958 года предполагалось, что так же обстоит дело в слабых взаимодействиях. По крайней мере, не существовало экспериментальных данных, доказывающих обратное. И снова поднял тревогу эксперимент. В космических лучах открыли две неустойчивые частицы, названные γ и в. В пределах экспериментальных погрешностей масса и время жизни частиц были одинаковы, но их распады через слабое взаимодействие указывали на противоположные четности. Равенство массы и времени жизни двух частиц, казалось бы различных, было «заманчивой загадкой». Два теоретика — Ли и Янг, — которые «над нею голову ломали и чудеса подозревали», осмелились задать вопрос: «А что если m и 0 одна и та же частица, способная распадаться по двум различным схемам? (В одном знаменитом детективе из пары близнецов один — убийца, а другой — порядочный человек. И герой раскрывает тайну, догадавшись, что близнецы не существуют и что убийца и порядочный человек — одна и та же личность.) Ли и Янг рассмотрели все существующие опытные данные, на которых была основана гипотеза о сохранении четности в слабых взаимодействиях и убедились, что ни одно из них не противоречило нарушению четности. Задумали и наскоро провели два различных эксперимента, которые доказали, что в слабых взаимодействиях четность действительно нарушается и притом максимально. Последнее означает, что члены, нарушающие, и члены, сохраняющие четность, имеют одинаковый вес во взаимодействии.

И круг замкнулся: экспериментальное открытие частиц m и в — теоретическая гипотеза Ли и Янга — экспериментальное доказательство нарушения четности. Для анекдота расскажу, что наш дорогой Паули прозевал еще одну прекрасную возможность промолчать, предсказав, что опыт покажет, что четность не нарушается.

Могу поразить господина Тома, да и не только его, заявив, что теоретическая физика не является точным синонимом математической физики. Безусловно, на конечном этапе теория выражается математически, но иногда (не всегда, конечно) это вспомогательный процесс, после того, как идея была сформулирована обыкновенным языком.