Как появлялись звезды, планеты, галактики… - эти события небесной драмы интересуют прежде всего астрофизиков и астрономов. Что касается физиков, занимающихся элементарными частицами, их излюбленный вопрос - что было до рекомбинации? - относится к совсем уж незапамятным временам. Знание того, как вели себя фотоны, электроны, протоны, нейтроны и другие частицы, когда атомов не было и в помине, то есть в первые моменты жизни Вселенной, позволяет делать выводы о свойствах фундаментальных взаимодействий. Другими словами, ранняя Вселенная, как и коллайдер, представляет собой лабораторию высоких энергий. Данные с одного из приборов можно потом проверить на втором.
В том же году, когда Алфер и Гамов опубликовали свою «алфавитную» статью, Джулиан Швингер и Ричард Фейнман из Соединенных Штатов и Синъитиро Томонага из Японии независимо друг от друга выпустили цикл статей, в которых была изложена квантовая теория электромагнитного поля. (Томонага пришел к своим идеям, когда шла Вторая мировая война, поэтому у него не было возможности оповестить о них научную общественность.) В работах принстонского ученого Фримана Дайсона новая теория, названная квантовой электродинамикой (КЭД), приобрела законченный вид. Она в итоге стала образцом того, как должно выглядеть описание природных сил.
Из всех работавших над КЭД именно Фейнману принадлежит самая наглядная интерпретация ее математических формул. Он придумал очень удобную систему графических обозначений, отражающих процесс взаимодействия частиц друг с другом: электроны и остальные заряженные частицы изображаются стрелками, а фотоны - волнистыми линиями. Например, обмен фотоном между двумя электронами будет выглядеть так: две стрелки с течением времени сходятся, между их концами пробегает волнистая линия, и затем они расходятся. Приписав каждой подобной картинке определенное значение и установив правила, по которым они складываются, Фейнман дал рецепт вычисления вероятности любого события с участием электромагнитного взаимодействия. Эта система обозначений, известная как диаграммы Фейнмана, получила широкое распространение.
Квантовая электродинамика излечила некоторые математические недуги, ставшие настоящей напастью для квантовых теорий электронов и других заряженных частиц. До этого теоретики, пытаясь применить квантовую концепцию к электронам, то и дело наталкивались в вычислениях на не имеющие смысла «бесконечности». Фейнман показал, что если применить особую процедуру (провести так называемую перенормировку), вклады от части диаграмм взаимно уничтожаются, и получается конечный ответ.
Вдохновленные успехом КЭД, в 50-х гг. многие теоретики решили применить аналогичные методы к слабому, сильному и гравитационному взаимодействиям. Но это теоретическое троеборье оказалось не таким легким, как виделось на первый взгляд. Каждый этап эстафеты таил в себе свои препятствия.
На тот момент в теорию бета-распада Ферми, которая в новой версии стала называться универсальным взаимодействием Ферми, были включены мюоны. Одно из главных предсказаний этой теории получило свое подтверждение в середине десятилетия. Фредерик Рейнс и Клайд Коуэн из Лос-Аламосской национальной лаборатории поместили возле атомного реактора огромный контейнер с жидкостью и впервые впрямую зарегистрировали нейтрино. Эксперимент был нацелен на то, чтобы поймать редкие случаи взаимодействия реакторных нейтрино с протонами жидкости. Последние при этом превращаются в нейтроны и позитроны (антиэлектроны) - происходит так называемый обратный бета-распад. Когда частица встречает свою античастицу, они аннигилируют (исчезают), излучая свою энергию в фотонах. К испусканию фотонов приводит и поглощение жидкостью нейтронов. Поэтому Рейнс и Коуэн догадались, что по паре одновременных вспышек (во второй, светочувствительной жидкости), вызываемых этими двумя потоками фотонов, можно судить о присутствии нейтрино. Как ни редки такие события, экспериментаторы их засекли. Последующие эксперименты с гораздо большими объемами жидкости, проведенные Рейнсом и Коуэном, а также другими группами, подтвердили этот революционный результат.
Когда последний ингредиент теории Ферми - предшественницы теории слабого взаимодействия - получил свое экспериментальное подтверждение, физики уже начали осознавать ее очевидную неполноту. Особенно явно она выступала при сравнении с потрясающими результатами КЭД. В КЭД в изобилии присутствуют всевозможные естественные симметрии. На диаграммах Фейнмана, где представлены электродинамические процессы, одна из них просто бросается в глаза. Поменяем направление временной оси, заставив течь время в противоположном направлении, - рисунок от этого не изменится. Следовательно, процессы, идущие вперед и назад по времени, не отличаются. Эта симметрия называется инвариантностью относительно обращения времени.