Помоги проекту - поделись книгой:
Паули понимал, что любое предположение о существовании новой элементарной частицы, которую никто не наблюдал, в высшей степени спекулятивно; в своем послании он писал, что такая частица маловероятна как потому, что ее никто никогда не видел, а значит, она должна слабо взаимодействовать с веществом, так и потому, что она должна быть очень легкой, чтобы рождаться при распаде наряду с электроном, имея в виду, что энергии, доступные при бета-распаде, очень малы по сравнению с массой протона.
Первой проблемой, возникшей у Паули в связи с этой идеей, оказалось выбранное им для частицы название. Когда в 1932 г. Чедвик экспериментально открыл частицу, которую мы сегодня называем нейтроном, – а это подходящее название для нейтрального родича протона, обладающего сравнимой массой, – для гипотетической частицы Паули потребовалось другое имя. Энрико Ферми, блестящий итальянский физик и коллега Паули, в 1934 г. нашел выход: он предложил изменить название этой частицы на
Прошло двадцать шесть лет, прежде чем ученым удалось обнаружить нейтрино Паули; за это время крохотная частица вместе со своим более тяжелым родичем, нейтроном, заставила физиков полностью пересмотреть свои представления о силах, управляющих космосом, о природе света и даже о природе пустого пространства.
Глава 10
Отсюда и до бесконечности: проливая свет на солнце
Подвигом добрым я подвизался, течение совершил, веру сохранил…
Физик Энрико Ферми не очень известен широкой публике, но это не мешает ему быть одним из величайших физиков XX века. Вместе с Ричардом Фейнманом он сильнее, чем кто-либо из остальных выдающихся фигур той замечательной эпохи в развитии физики, повлиял на лично мое отношение и подходы к этой науке, а также на мое понимание физики. Хотелось бы мне быть таким же талантливым, как эти двое.
Ферми родился в 1901 г. и умер в возрасте пятидесяти трех лет от рака, который, возможно, развился у него в результате работы по исследованию радиоактивности. На момент смерти в 1954 г. он был на девять лет моложе меня сегодняшнего. Но за свою короткую жизнь он сумел продвинуть передний край физики, как экспериментальной, так и теоретической, настолько, насколько никому с тех пор не удавалось и вряд ли кому удастся. Сложность всей совокупности теоретических инструментов, используемых в настоящее время для создания физических моделей, и сложность систем, применяемых для их проверки, даже по отдельности слишком высока, чтобы один человек, каким бы талантливым он ни был, мог оставаться в авангарде обоих направлений на том уровне, которого достиг в свое время Ферми.
В 1918 г., когда Ферми окончил школу в Риме, перед блестящим молодым научным дарованием открывались куда более широкие перспективы. Квантовая механика только что зародилась, новые идеи буквально витали в воздухе, а строгие математические методы, необходимые для работы с этими новыми идеями, еще не были созданы и, соответственно, не применялись. Экспериментальной физике еще только предстояло вступить в эпоху «большой науки»; эксперименты были еще достаточно просты, чтобы их могли проводить отдельные исследователи в импровизированных лабораториях, и времени они требовали куда меньше – недели, а не месяцы.
Ферми подал документы в престижную Высшую нормальную школу в Пизе, где частью вступительных испытаний было написание эссе. Темой работы в том году были «специфические характеристики звуков». Ферми представил «эссе», содержавшее в себе решение уравнений в частных производных для колеблющегося стержня и применение метода, известного как Фурье-анализ. Даже сегодня эти математические методы, как правило, не включаются в программу обучения до, скажем, третьего курса бакалавриата, а для некоторых студентов и до четвертого. Понятно, что семнадцатилетний Ферми произвел на экзаменаторов достаточно сильное впечатление и занял первую строчку в рейтинге результатов экзамена.
В университете Ферми сначала специализировался на математике, но быстро переключился на физику и практически самостоятельно освоил общую теорию относительности – Эйнштейн разработал ее всего за несколько лет до того, – а также квантовую механику и атомную физику, которые были тогда еще только формирующейся областью исследований. Менее чем через три года после поступления в университет он опубликовал в крупных физических журналах несколько теоретических статей на разные темы, от общей теории относительности до электромагнетизма. В двадцать один год, через четыре года после начала университетских занятий, он получил докторскую степень за диссертацию, посвященную исследованию применения теории вероятностей к дифракции рентгеновских лучей. В то время в Италии на степень доктора наук по физике не принимались диссертации на чисто теоретические темы, поэтому Ферми волей-неволей пришлось доказывать свою компетентность не только в работе с бумагой и ручкой, но и в лаборатории.
Ферми отправился в Германию – центр разворачивающихся исследований в области квантовой механики, а затем в голландский Лейден, где встретился с известнейшими физиками тех дней – достаточно назвать хотя бы Борна, Гейзенберга, Паули, Лоренца и Эйнштейна; через некоторое время он вернулся в Италию и занялся преподаванием. В 1925 г. Вольфганг Паули сформулировал «принцип запрета», объявив, что два электрона не могут занимать в точности одинаковое квантовое состояние одновременно и в одном и том же месте; этот принцип лежит в фундаменте всей современной атомной физики. Меньше чем через год Ферми применил эту идею к системам многих других однотипных частиц, которые, подобно электронам, могут иметь два возможных значения спина (момента импульса), который, как мы знаем, может быть направлен либо вверх, либо вниз. Так Ферми придал современный вид области исследований, известной как статистическая механика, лежащей в основе почти всего материаловедения, полупроводниковой техники и тех областей физики, на базе которых создаются современные электронные компоненты и компьютеры.
Как я подчеркивал ранее, невозможно интуитивно представить себе, как точечная частица может вращаться вокруг какой бы то ни было оси. Это просто один из способов, при помощи которых квантовая механика обходит наши обыденные представления и избегает конфликтов со здравым смыслом. Электроны называют частицами с полуцелым спином, поскольку величина их момента импульса – спина – оказывается вдвое меньше минимальной величины момента импульса, связанного с орбитальным движением электронов в атомах. Любая частица с полуцелым, как у электрона, спином в честь Энрико Ферми называется фермионом.
В возрасте всего двадцати шести лет Ферми был избран на вновь образованную кафедру теоретической физики в Римском университете; там он руководил группой талантливых студентов, в которую входили несколько будущих нобелевских лауреатов, и вместе с ними занимался атомной, а затем и ядерной физикой.
В 1933 г. Ферми заинтересовался еще одной гипотезой Паули – гипотезой о неизвестной частице, возникающей при распаде нейтронов; Ферми назвал эту гипотетическую частицу нейтрино. Но мало было дать новой частице название. Цель Ферми была гораздо амбициознее: он выдвинул теорию нейтронного распада, из которой вытекала возможность существования в природе еще одного, неизвестного пока, фундаментального взаимодействия – первого нового взаимодействия, ставшего известным науке после электромагнетизма и гравитации; к его открытию нас, можно сказать, тоже подтолкнули размышления о природе света. Хотя в тот момент это не было очевидно, предложенное Ферми взаимодействие было одним из двух новых типов взаимодействия, связанных с атомным ядром; вместе с электромагнетизмом и гравитацией эти силы, насколько нам известно, составляют полный список фундаментальных сил, управляющих в природе всем – от мельчайших субатомных масштабов до движения галактик.
Когда Ферми направил свою гипотезу в журнал
Этот несправедливый отказ, несомненно, обидел Ферми, но при этом, как ни странно, произвел и полезное побочное действие. Ферми решил вместо этого вернуться к экспериментальной физике и вскоре начал экспериментировать с нейтронами, которые за два года до этого открыл Чедвик. Всего за несколько месяцев он создал мощный радиоактивный источник нейтронов и обнаружил, что даже стабильные в обычных условиях атомы можно заставить распадаться, если бомбардировать их нейтронами. Бомбардируя нейтронами уран и торий, Ферми также наблюдал ядерный распад и считал, что получает при этом новые элементы. На самом деле ему удалось заставить ядра атомов расщепляться, или делиться, с образованием более легких ядер, и при этом, как было обнаружено позже, испускается больше нейтронов, чем поглощается в процессе деления, – это обнаружили другие ученые в 1939 г.
Переход к эксперименту оказался полезен Ферми. Четыре года спустя, в 1938 г., в возрасте тридцати семи лет он был удостоен Нобелевской премии за открытие искусственной радиоактивности и создание новых радиоактивных элементов при помощи нейтронной бомбардировки. Однако к 1938 г. нацисты уже начали устанавливать в Германии свои расовые законы, их примеру последовала и Италия; жена Ферми Лаура – еврейка по национальности – оказалась в опасности. Поэтому после получения премии в Стокгольме Ферми с семьей не стал возвращаться в Италию, а уехал в Нью-Йорк, где занял пост в Колумбийском университете.
Узнав в 1939 г. в Нью-Йорке новость о ядерном распаде, а затем прослушав лекцию Нильса Бора в Принстоне, Ферми откорректировал уже прочитанную им нобелевскую лекцию, исправив допущенную ранее ошибку, и без промедления повторил немецкие результаты. Очень скоро и он, и его коллеги поняли, что новые данные говорят о возможности цепной реакции. Нейтроны могут бомбардировать уран, заставляя его распадаться с выделением энергии; при этом испускается еще больше нейтронов, которые, в свою очередь, могут бомбардировать больше атомов урана, и т. д.
Вскоре после этого Ферми прочел лекцию для представителей Военно-морских сил США, в которой предупредил о потенциальном значении этих данных, но мало кто в тот момент воспринял его предупреждение серьезно. Позже, в том же году, на стол президенту Рузвельту легло знаменитое письмо Эйнштейна, которое изменило ход истории.
Ферми давно задумывался о потенциальных опасностях, связанных с высвобождением энергии атомного ядра. Через год после получения докторской степени, в 1923 г., он написал послесловие к одной книге по теории относительности, где упомянул о потенциале соотношения
Должно быть, эта мысль владела им в 1941 г., когда, участвуя в недавно начатом Манхэттенском проекте, Ферми получил задание реализовать контролируемую цепную реакцию, то есть создать ядерный реактор. Если руководители проекта оправданно опасались делать это в городской черте, то Ферми был достаточно уверен в безопасности проекта, чтобы убедить руководство разрешить строительство реактора при Чикагском университете. 2 декабря 1942 г. реактор достиг критичности[9], но Чикаго при этом уцелел.
Через два с половиной года Ферми был в штате Нью-Мексико и наблюдал первый ядерный взрыв – операцию под кодовым названием «Тринити». Что характерно для Ферми, пока остальные просто стояли, с восторгом и ужасом наблюдая за происходящим, он провел импровизированный эксперимент по оценке мощности взрыва; при подходе ударной волны он бросил в воздух несколько полосок бумаги, чтобы посмотреть, как далеко их унесет.
Стремление Ферми при любой возможности ставить физические эксперименты – одна из причин, по которым я чту его память. Он всегда находил простой, легко реализуемый способ найти верный ответ. Хотя Ферми прекрасно владел математическими методами, он не любил сложностей и понимал, что если приближенный, «достаточно хороший» ответ можно получить за короткое время, то на получение точного ответа могут уйти месяцы и даже годы. Он оттачивал свои способности и помогал в этом студентам, придумывая то, что мы сегодня называем «задачами Ферми»; говорят, он задавал их своим сотрудникам каждый день во время ланча. Моя любимая задача, которую я всегда задаю своим новым студентам-физикам, звучит так: «Сколько в Чикаго настройщиков роялей?» Попробуйте решить ее. Если вы получите ответ в диапазоне от ста до пятисот, вы неплохо справились.
Ферми получил Нобелевскую премию за экспериментальную работу, но его теоретическое наследие может быть куда более ценным. По обыкновению, «теория», предложенная им в знаменитой отвергнутой статье о распаде нейтрона, была замечательно простой, но при этом выполняла поставленную задачу. Конечно, это вовсе не было полноценной теорией, но в то время даже пытаться разрабатывать такую теорию было бы преждевременно. Вместо этого он сделал простейшее возможное допущение – представил себе некий новый тип взаимодействия между частицами, действующий в одной точке. Частиц предполагалось четыре – нейтрон, протон, электрон и та новая частица, которую Паули и Ферми назвали нейтрино.
Рассуждения Ферми, как и почти вся современная физика, начинается с упоминания света; в данном случае речь шла о современной квантовой теории взаимодействия света с веществом. Вспомните, что Фейнман, доказывая существование антивещества, придумал графический метод анализа фундаментальных процессов в пространстве и времени. Здесь воспроизведена пространственно-временная картина электрона, испускающего фотон, но с заменой электрона на протон
Ферми представил распад нейтрона аналогичным образом, но вместо нейтрона, испускающего фотон и остающегося при этом собой, то есть всё тем же нейтроном, нейтрон
В электромагнетизме сила взаимодействия между заряженными частицами и фотонами (определяющая вероятность излучения фотона в точке, показанной на первом рисунке) пропорциональна заряду частицы. Поскольку именно заряд позволяет частицам взаимодействовать с электромагнитным полем, мы называем величину фундаментального кванта заряда – заряд единичного электрона или протона – постоянной взаимодействия электромагнетизма.
Во взаимодействии, которое рассматривал Ферми, вероятность превращения нейтрона в протон определяется численной величиной, которая проявляется в момент взаимодействия, изображенный на рисунке, когда и происходит превращение. Значение этой величины определяется экспериментально, и сегодня мы называем ее постоянной Ферми. По отношению к электромагнетизму численное значение этой величины мало, потому что нейтрон не спешит распадаться, сравнительно, например, со скоростью электромагнитных переходов в атоме. В результате взаимодействие Ферми, описывающее новую фундаментальную силу, стало известно как слабое взаимодействие.
Один из моментов, делавших гипотезу Ферми столь замечательной, состоял в том, что впервые в физике кто-то предположил, что в квантовом мире могут спонтанно возникать не только фотоны, но и какие-то другие частицы. (В данном случае в момент превращения нейтрона в протон возникают электрон и нейтрино.) Это послужило катализатором и прототипом для дальнейших исследований квантового характера фундаментальных взаимодействий в природе.
Более того, этот подход не только объяснял уже имеющиеся наблюдения. Он позволял делать предсказания благодаря тому, что единственная математическая форма, отражавшая взаимодействие, вызывающее распад нейтрона, предсказывала также массу других явлений, которые позже удалось наблюдать экспериментально.
Что еще важнее, это взаимодействие, причем в точности той же силы, управляет аналогичными распадами других частиц в природе. Так, в 1936 г. первооткрыватель позитрона Карл Андерсон обнаружил в космических лучах еще одну новую частицу – первую из тех, многочисленность которых позже заставит специалистов по физике элементарных частиц гадать, кончатся ли они когда-нибудь. Говорят, что при известии об этом открытии физик-атомщик, позже лауреат Нобелевской премии, Исидор Айзек Раби воскликнул: «А это кто заказывал?»
Сегодня мы знаем, что эта частица, называемая мюоном и обозначаемая греческой буквой m, представляет собой, по существу, точную копию электрона, только тяжелее примерно в двести раз. Большая масса позволяет ей распадаться с образованием электрона и нейтрино в ходе взаимодействия, которое выглядит в точности так же, как распад нейтрона, за исключением того, что мюон при этом превращается не в протон, а в нейтрино другого типа (называемое мюонным). Замечательно, что, если при расчете силы этого взаимодействия воспользоваться уже известной нам постоянной Ферми, мы получим в точности верное время жизни для мюона.
Очевидно, здесь работает новое фундаментальное взаимодействие, универсальное по своей природе, в чем-то схожее с электромагнетизмом и в чем-то важном от него отличающееся. Во-первых, это взаимодействие намного слабее. Во-вторых, в отличие от электромагнетизма, это взаимодействие, судя по всему, работает только на малых расстояниях – в модели Ферми вообще фигурировала точка. Не бывает так, чтобы нейтроны превращались в протоны в одном месте и при этом вызывали превращение электронов в нейтрино в другом, тогда как взаимодействие между электронами и фотонами позволяет электронам обмениваться виртуальными фотонами и отталкиваться друг от друга даже на больших расстояниях. В-третьих, это взаимодействие превращает частицу одного типа в частицу другого. В электромагнетизме возможно создание и поглощение фотонов – квантов света, но заряженные частицы, которые с ними взаимодействуют, остаются сами собой как до, так и после взаимодействия. Тяготение тоже действует на больших расстояниях, и, когда мяч падает на землю, он остается мячом. А вот слабое взаимодействие заставляет нейтроны распадаться и превращаться в протоны, мюоны – в нейтрино и т. д.
Ясно, что слабое взаимодействие отличается от взаимодействий других типов, но вы можете спросить, стоит ли об этом беспокоиться. Распад нейтрона, конечно, интересен, но, к счастью, нас от него защищают свойства атомных ядер, и потому существуют стабильные атомы. Создается впечатление, что слабое взаимодействие практически никак не сказывается на нашей повседневной жизни. В отличие от гравитации и электромагнетизма, непосредственно мы его не ощущаем. Если бы слабое взаимодействие не имело других проявлений, его аномальную природу можно было бы легко упустить из виду.
Однако слабому взаимодействию мы обязаны своим существованием нисколько не меньше, чем гравитации и электромагнетизму. В 1939 г. Ханс Бете, которому вскоре суждено было возглавить усилия по разработке атомной бомбы, понял, что те же взаимодействия, которые разрушают тяжелые атомные ядра, извлекая из них взрывную энергию для бомбы, могли бы, при других обстоятельствах, быть использованы для создания крупных ядер из более мелких. При этом могло бы высвободиться еще больше энергии, чем высвобождается при взрыве атомной бомбы.
До того момента источник энергии Солнца оставался загадкой. Было установлено, что температура солнечного ядра не может превышать нескольких десятков миллионов градусов. Может показаться, что это очень много, но энергии, с которыми сталкиваются ядра при такой температуре, к тому моменту были уже достигнуты в лаборатории. Более того, было понятно, что Солнце не может светить за счет простого горения, как свеча.
Еще в XVIII веке было установлено, что объект с массой Солнца мог бы светить с наблюдаемой яркостью порядка десяти тысяч лет, если бы представлял собой что-то вроде горящего куска угля. Хотя это прекрасно соответствовало возрасту Вселенной, который епископ Ашер установил по библейскому рассказу о сотворении мира, к середине XIX века геологи и биологи установили, что на самом деле Земля много старше. Но никакого другого источника энергии вокруг не просматривалось, так что возраст и яркость Солнца долгое время оставались без объяснения[10].
И тут на сцене появляется Ханс Бете – еще один представитель когорты невероятно талантливых и плодовитых физиков-теоретиков, вышедших из Германии в первой половине XX века. Бете тоже был одним из докторантов Арнольда Зоммерфельда и тоже получил в итоге Нобелевскую премию. Бете начал свою карьеру в химии, поскольку вводный курс физики в его университете был достаточно слаб – это обычная проблема. (Я тоже на первом курсе забросил физику, и по той же причине, но, к счастью, физический факультет моего университета позволил мне на следующий год посещать более продвинутый курс.) Бете переключился на физику, прежде чем перейти к последипломным исследованиям, и эмигрировал в Соединенные Штаты, чтобы избежать преследования нацистов.
Будучи блестящим физиком, Бете мог с мелом у доски выполнить детальные расчеты по широкому кругу задач; он начинал в верхнем левом углу и исписывал всю доску до правого нижнего ее угла, почти ничего не стирая. Бете оказал сильное влияние на Ричарда Фейнмана, которого всегда поражал неторопливый методичный подход Бете к задачам. Сам Фейнман часто перескакивал от начала задачи сразу к результату, а промежуточные этапы прорабатывал позже. Прочная техническая подкованность Бете прекрасно сочеталась с блестящими озарениями Фейнмана, когда оба они работали в Лос-Аламосе над атомной бомбой. Они часто ходили по коридору, и Фейнман громко возражал терпеливому, но настойчивому Бете; коллеги окрестили эту пару «линкор и торпедный катер».
Когда я был начинающим физиком, Бете считался живой легендой, потому что даже в девяносто с лишним лет он умудрялся писать важные физические статьи. Кроме того, он всегда был рад поговорить с кем-нибудь о физике. Приехав с лекцией в Корнеллский университет, где Бете проработал большую часть жизни, я был невероятно польщен, когда он зашел ко мне в кабинет, чтобы задать вопросы и внимательно меня выслушать, как будто мне на самом деле было что ему сообщить.
Кроме того, Бете обладал прекрасной физической формой. Друг-физик рассказывал мне о временах, когда ему тоже доводилось посещать Корнеллский университет. Однажды в выходной он амбициозно решил взобраться на холм по одной из многочисленных крутых пешеходных троп неподалеку от кампуса. Он гордился собой, когда, отдуваясь и тяжело дыша, добрался почти до вершины холма, – гордился ровно до тех пор, пока не заметил Бете, которому тогда было далеко за восемьдесят, легко спускавшегося по той же тропе с вершины.
Хотя Бете мне всегда нравился и я всегда очень его уважал, во время работы над материалами для этой книги я обнаружил два дополнительных момента, связывающих нас с ним лично, и мне приятно написать о них. Во-первых, я выяснил, что являюсь в каком-то смысле его интеллектуальным внуком, поскольку руководитель моей курсовой работы по физике М. К. Сундаресан был в свое время одним из его докторантов. Во-вторых, я узнал, что Бете, который терпеть не мог пафосных заявлений о фундаментальных результатах, когда они не основывались ни на глубоких рассуждениях, ни на наблюдательных данных, написал однажды, вскоре после получения докторской степени, шуточную статью, в которой высмеивалась показавшаяся ему нелепой статья знаменитого физика сэра Артура Стэнли Эддингтона. Эддингтон объявлял о том, что «вывел» фундаментальную постоянную электромагнетизма, опираясь на некоторые основные принципы, но Бете совершенно справедливо не увидел в его заявлении ничего, кроме неуместной нумерологии. Узнав это, я стал спокойнее относиться к собственной шуточной статье, которую написал, будучи доцентом в Йельском университете, в ответ на негодную, как мне показалось, статью, опубликованную в одном из лучших физических журналов; в статье говорилось об обнаружении нового фундаментального взаимодействия в природе, и позже в самом деле выяснилась ее ошибочность. В те времена, когда свою статью писал Бете, физический мир воспринимал себя чуть более серьезно, и Бете с коллегами пришлось выступить с извинениями. К моменту, когда аналогичную статью написал я, единственной отрицательной реакцией стал выговор от декана факультета, который опасался, как бы
В тридцать с небольшим Бете уже имел репутацию высокопрофессионального физика, и его имя связывалось с большим количеством результатов, начиная от формулы Бете, описывающей прохождение заряженной частицы через вещество, и заканчивая подстановкой Бете – методом получения точных решений некоторых квантовых случаев задачи многих тел. Серия обзоров, в создании которых он участвовал в 1936 г., посвященных состоянию зарождавшейся тогда области ядерной физики, некоторое время оставалась главным источником информации по данному вопросу и получила известность как библия Бете. (В отличие от традиционной Библии, эта делала проверяемые прогнозы и со временем, по мере развития науки, была заменена другими источниками.)
В 1938 г. Бете убедили посетить конференцию по «источникам звездной энергии», хотя в то время астрофизика не относилась к его основным интересам. К концу встречи он разработал схему ядерных процессов, в ходе которых четыре отдельных протона (ядра атомов водорода) в конечном итоге «сливались» – под действием слабого взаимодействия Ферми – и образовывали ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. При таком синтезе высвобождается примерно в миллион раз больше энергии на один атом, чем при сгорании угля. Это позволяет Солнцу светить в миллион раз дольше, чем по прежним оценкам, или примерно 10 миллиардов лет вместо десяти тысяч. Позже Бете показал, что на Солнце протекают и другие ядерные реакции, в частности так называемый CNO-цикл, в котором углерод, азот и кислород выступают в качестве катализаторов превращения водорода в гелий.
Секрет Солнца – а в конечном итоге и секрет рождения света в Солнечной системе – был раскрыт. Бете получил Нобелевскую премию в 1967 г., и почти сорок лет спустя эксперименты с солнечными нейтрино подтвердили его предсказания. Нейтрино были ключевым наблюдаемым феноменом, позволявшим получить такое подтверждение. Дело в том, что вся цепочка начинается с реакции, в которой два протона сталкиваются и под влиянием слабого взаимодействия один из них превращается в нейтрон, что позволяет этим двум частицам слиться в ядро тяжелого водорода, известного как дейтерий, испустив при этом нейтрино и позитрон. Позитрон поглощается в недрах Солнца, а вот нейтрино, способное участвовать только в слабом взаимодействии, вылетает из Солнца и летит к Земле и дальше.
Каждую секунду в любой день более 400 триллионов подобных нейтрино проходят сквозь ваше тело. Их способность к взаимодействию настолько слаба, что нейтрино могло бы пройти в среднем сквозь десять тысяч световых лет сплошного свинца, прежде чем провзаимодействовать с чем-нибудь. Поэтому большинство нейтрино пролетают прямо сквозь вас и сквозь Землю, никак себя не проявляя, и никто этого не замечает. Но если бы не слабое взаимодействие, нейтрино бы не образовались, Солнце не светило бы – и нас бы здесь не было, так что это никого бы не волновало.
Таким образом, именно слабому взаимодействию, несмотря на его чрезвычайную слабость, мы в значительной степени обязаны своим существованием. И это одна из причин, по которым, когда придуманное Ферми взаимодействие и предсказанное им нейтрино оказались плохо соответствующими здравому смыслу, физики вынуждены были озаботиться и принять их во внимание. А в результате им пришлось очень серьезно изменить представления об окружающей реальности.
Часть вторая
Исход
Глава 11
Отчаянные времена и отчаянные меры
Всему свое время, и время всякой вещи под небом.
Стремительная смена событий в 1930-х гг., от открытия нейтрона до исследования природы нейтронного распада, вкупе с открытием нейтрино и последовавшим за ним открытием в природе нового универсального слабого взаимодействия, действующего на малых расстояниях, скорее запутала, чем вдохновила физиков. Блестящий марш, приведший в свое время к объединению электричества и магнетизма, а также к объединению квантовой механики и теории относительности, опирался в первую очередь на исследование природы света. Однако оставалось неясным, как элегантное теоретическое сооружение квантовой электродинамики могло бы направить исследования нового взаимодействия. Слабое взаимодействие по природе своей очень далеко от непосредственного человеческого опыта и при этом имеет дело с новыми и весьма экзотическими элементарными частицами и ядерными превращениями, которые чем-то напоминают алхимические трансмутации, но, в отличие от них, проверяемы и воспроизводимы.
Фундаментальная проблема была связана в первую очередь с природой самого атомного ядра и вопросом о том, что удерживает вместе его частицы. Открытие нейтрона помогло разрешить парадокс, который ранее, казалось, требовал присутствия в ядре электронов для компенсации заряда дополнительных протонов, необходимых для получения верной атомной массы, однако наблюдение бета-распада, в результате которого из ядра вылетали электроны, не помогло делу.
Понимание того, что в процессе бета-распада нейтроны в ядре превращаются в протоны, кое-что прояснило, но затем естественным образом возник следующий вопрос: может ли это превращение как-то объяснить сильную связь, удерживающую протоны и нейтроны вместе внутри ядра?
Несмотря на очевидные различия между слабым взаимодействием и квантовой теорией электромагнетизма (КЭД), на размышления физиков о слабом взаимодействии влиял и замечательный успех КЭД в описании поведения атомов и взаимодействия электронов со светом. Математические симметрии, связанные с КЭД, прекрасно работали, обеспечивая исчезновение бесконечностей в расчетах для предсказания физических величин, связанных с обменом виртуальными частицами. Что, если нечто подобное помогло бы нам разобраться в силах, связывающих протоны и нейтроны в ядре?
А именно: если электромагнитная сила является результатом обмена частицами, то разумно предположить, что сила, связывающая составляющие ядра воедино, также может быть результатом обмена частицами. Вернер Гейзенберг предложил эту идею в 1932 г., примерно в то же время, когда был открыт нейтрон. Если протоны и нейтроны способны превращаться друг в друга, причем протон поглощает электрон, чтобы стать нейтроном, то, возможно, этот самый обмен электронами между ними может каким-то образом порождать связующую силу?
Однако эту красивую картину портило множество хорошо известных проблем. Первой из них была проблема спина. Если предполагать, как это сделал Гейзенберг, что нейтрон, по существу, состоит из протона и электрона, связанных воедино, и поскольку обе эти частицы обладают полуцелым спином, то их соединение в виде нейтрона никак не может тоже иметь полуцелый спин, поскольку ½ + ½ не может равняться ½. Гейзенберг возражал, в отчаянии – ведь то были отчаянные времена, когда, казалось, рушились все традиционные правила, – что тот «электрон», который передается между нейтронами и протонами и связывает их вместе в ядре, отличается некоторым образом от свободного электрона и вообще не имеет спина.
Задним числом можно заметить, что в этой картине есть своя проблема. Гейзенберг склонен был считать именно электроны средством связи протонов и нейтронов, потому что размышлял он не о чем-нибудь, а о молекулах водорода. В водороде H2 два протона связываются воедино благодаря тому, что обращающиеся вокруг них электроны являются общими для обеих частиц. Но если попытаться объяснить аналогичным образом связывание частиц не в молекуле, а в ядре, возникает проблема масштаба. Как могут нейтроны и протоны обмениваться электронами и быть связаны между собой настолько тесно, что среднее расстояние между ними оказывается в сто с лишним тысяч раз меньше молекулы водорода?
Вот еще один способ размышлять об этой проблеме, который пригодится нам позже. Вспомните, что электромагнетизм – это сила, действующая на больших расстояниях. Два электрона в противоположных концах Галактики испытывают взаимное отталкивание, хотя и чрезвычайно слабое, благодаря обмену виртуальными фотонами. В квантовой теории электромагнетизма это возможно. Фотоны не имеют массы, и виртуальные фотоны могут улетать сколь угодно далеко и нести на себе сколь угодно малые количества энергии, прежде чем будут поглощены вновь – без нарушения принципа неопределенности Гейзенберга. Если бы фотоны обладали массой, это было бы невозможно.
Итак, если некое взаимодействие между протонами и нейтронами в ядре возникает благодаря поглощению и испусканию, скажем, виртуальных электронов, то это взаимодействие будет работать только на коротких расстояниях, поскольку электроны обладают массой. Насколько коротких? Оказывается, примерно в сто раз превосходящих размер типичного ядра. Так что обмен электронами не годится для обеспечения взаимодействий ядерного масштаба. Как я уже сказал, это были отчаянные времена.
Отчаянная идея Гейзенберга о странной бесспиновой версии электрона не пропала втуне: она вдохновила молодого японского физика, скромного двадцативосьмилетнего Хидэки Юкаву. В 1935 г., когда Япония только начинала выходить из многовековой изоляции, но как раз перед тем, как ее имперские планы разожгли на Тихом океане пожар войны, Юкава опубликовал первую оригинальную работу по физике, написанную ученым, получившим все образование в Японии. По крайней мере два года никто не обращал на эту работу внимания, но четырнадцать лет спустя Юкава был удостоен за нее Нобелевской премии; к тому моменту статья
Визит Эйнштейна в Японию в 1922 г. окончательно закрепил растущий интерес Юкавы к физике. Когда старшекласснику Юкаве потребовались материалы для подготовки к экзамену по второму иностранному языку, под руку ему попалась книга Макса Планка «Введение в теоретическую физику» на немецком. Читая ее, он получал огромное удовольствие и от языка, и от физики, а помогал ему в этом одноклассник Синъитиро Томонага – талантливый физик, с которым Юкава вместе учился и в школе и позже в Киотском университете. Томонага был настолько талантлив, что позже, в 1965 г., получил Нобелевскую премию вместе с Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером за демонстрацию математической непротиворечивости квантовой электродинамики.
Удивительно, что Юкава, учившийся в Японии в те времена, когда многие из его наставников еще не понимали до конца недавно появившуюся новую область физики – квантовую механику, натолкнулся на возможное решение задачи ядерного взаимодействия, которого не заметили ни Гейзенберг, ни Паули, ни даже Ферми. Подозреваю, что отчасти это можно объяснить феноменом, который неоднократно наблюдался в физике XX века, а может быть, встречался и раньше и будет встречаться еще. Когда парадоксы и сложности, связанные с неким физическим процессом, начинают казаться огромными и непреодолимыми, возникает соблазн решить, что дело не обойдется без новой революции, подобной теории относительности или квантовой механике, и это потребует таких масштабных сдвигов в мышлении, что кажется бессмысленным продолжать попытки найти решение при помощи существующих технологий.
Ферми, в отличие от Гейзенберга и Паули, не занимался поисками каких-то революционных новшеств. Он готов был предложить, по его словам, «предварительную теорию» нейтронного распада, которая позволяла избавиться от электронов в ядре, разрешив им спонтанно возникать в процессе бета-распада. Он предложил работающую модель, понимая при этом, что это всего лишь модель, а не полноценная теория, – но она позволяла проводить расчеты и делать предсказания. Можно сказать, что в этом суть практичного стиля Ферми.
Юкава следил за развитием событий, он перевел работу Гейзенберга об атомных ядрах вместе с предисловием и опубликовал ее в Японии, так что проблемы, связанные с предложением Гейзенберга, были ему ясны. Затем, в 1934 г., Юкава познакомился с теорией нейтронного распада Ферми, и та заронила в его сознание новую идею. Может быть, ядерное взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны в ядре, обусловлено не просто обменом виртуальными электронами между ними, но обменом сразу парой электрон – нейтрино, возникающей при превращении нейтронов в протоны?
Однако сразу же возникла еще одна проблема. Распад нейтрона – результат того, что позже стало известно как слабое взаимодействие, и сила, отвечающая за него, слаба. При подстановке величин для возможной силы, которая могла бы возникнуть между протонами и нейтронами при обмене парой электрон – нейтрино, становилось ясно, что эта сила получилась бы слишком слабой, чтобы их связывать.
Тогда Юкава позволил себе то, что не позволял никто из остальных. Он задал себе вопрос: почему ядерная сила, если она, подобно тому как это имеет место в КЭД, возникает в результате обмена виртуальными частицами, должна основываться непременно на обмене одной или несколькими частицами, существование которых физикам известно или по крайней мере предполагается? Помня, как не любили тогда физики – взять хотя бы Дирака или Паули – предлагать новые частицы, даже если для того были все основания, вы сможете, наверное, оценить, насколько радикальной была идея Юкавы. Позже Юкава описывал это так:
Один из хороших моих приятелей-физиков говорит, что единственными периодами, когда ему удавалось провести сложные вычисления, были периоды после рождения каждого из его детей, когда спать он так и так был не в состоянии, так что проще было встать и поработать. Так в октябре 1934 г., будучи не в состоянии заснуть вскоре после рождения второго ребенка, Юкава вдруг понял, что если расстояние, на котором работает сильное ядерное взаимодействие, должно быть ограничено размером ядра, то любая частица, участвующая при этом в обмене, должна быть намного тяжелее электрона. На следующее утро он оценил массу такой частицы примерно в двести масс электрона. При этом частица, если ею должны обмениваться нейтроны с протонами, непременно должна обладать электрическим зарядом, но не может иметь спина, чтобы спин протона или нейтрона при ее поглощении или высвобождении не менялся бы.
Вы можете спросить, какое отношение все эти тревоги по поводу сильного ядерного взаимодействия имеют к распаду нейтрона – теме, которой началась эта глава и закончилась предыдущая? В 1930-е гг. не только размышления о новых частицах раздражали и вызывали внутренний протест, но и придумывание новых сил казалось занятием в лучшем случае ненужным, а в худшем случае – еретическим. Физики были убеждены, что все процессы, происходящие в ядре, сильные или слабые, должны быть связаны между собой.
Юкава придумал хитроумный способ добиться этого, соединив идеи Ферми и Гейзенберга, а также обобщив идеи успешной квантовой теории электромагнетизма. Если вместо того, чтобы испускать фотон, нейтроны в ядре испускают новую частицу – тяжелую заряженную частицу без спина, которую Юкава первоначально назвал мезотроном, но затем Гейзенберг поправил его греческий и название было сокращено до мезона, – то эту частицу могут поглощать протоны ядра, порождая при этом силу притяжения, величину которой Юкава смог рассчитать при помощи уравнений, экстраполированных им, как вы уже догадались, из теории электромагнетизма.
Однако аналогия с электромагнетизмом не могла быть полной, поскольку мезон массивен, а фотон массы не имеет. Юкава поступил так же, как мог бы поступить Ферми, если бы ему пришла в голову такая идея. Да, теория неполна, но Юкава готов был игнорировать остальные аспекты электромагнетизма, которые его теория воспроизвести не могла. Плевать на торпеды, полный вперед!
Юкава изобретательно – и, как выяснилось в конечном итоге, неверно – связал сильное взаимодействие с наблюдаемым нейтронным распадом, предположив, что мезоны, возможно, не всегда служат просто объектом обмена между нейтронами и протонами в ядре. Небольшая доля мезонов, испущенных нейтронами, по пути, прежде чем поглотиться, возможно, распадается на электрон и нейтрино, что приводит к распаду нейтрона. В этом случае нейтронный распад будет изображаться не так, как на рисунке слева, где и его исчезновение, и образование других частиц происходят в одной точке, а будет выглядеть скорее как на рисунке справа, где распад, можно сказать, размазывается в пространстве и новая частица (мезон Юкавы), показанная пунктирной линией, проходит небольшое расстояние, прежде чем распасться на электрон и нейтрино. С этой новой частицей-посредником слабое взаимодействие, обеспечивающее распад нейтрона, начинает больше походить на электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами.
Юкава предложил новую частицу-посредник, тяжелый мезон, с которым нейтронный распад выглядел похожим на известную картину обмена фотонами в электромагнетизме, – собственно, она и вдохновила его на эти размышления, – но с заметными отличиями. Промежуточная частица здесь обладала одновременно и массой, и электрическим зарядом; кроме того, в отличие от протона у нее не было спина, то есть момента импульса.
Юкава сумел показать, что для тяжелого мезона его теория будет неотличима от точечного взаимодействия Ферми, по крайней мере в предсказании деталей нейтронного распада. Кроме того, теория Юкавы позволяла свести все странные свойства ядра – от бета-распада нейтронов внутри ядра до силы взаимодействия, связывающей воедино протоны и нейтроны, – к необходимости разобраться в свойствах одного-единственного нового взаимодействия, которое является результатом обмена новой частицей – его мезоном.
Однако оставалось неясным: если новый тяжелый мезон существует, то где он? Почему никто до сих пор не видел его хотя бы в космических лучах? По этой причине, а также потому, что Юкава был никому не известен и работал далеко от всех центров, где происходили главные события, никто не обратил сколько-нибудь серьезного внимания на его предложение, призванное объяснить одновременно и сильное взаимодействие между нуклонами, и более слабое взаимодействие, которое, как представлялось, отвечает за нейтронный распад. Тем не менее его гипотеза, в отличие от гипотез Гейзенберга и других физиков (включая Ферми), была проще и лучше отвечала здравому смыслу.
Все изменилось в 1936 г., менее чем через два года после предсказания Юкавы, Когда Карл Андерсон, первооткрыватель позитрона, и его коллега Сет Неддермейер обнаружили в космических лучах нечто, на первый взгляд показавшееся новым набором частиц. Характеристики треков этих новых частиц в туманных камерах позволяли предположить, что они слишком слабо излучают при прохождении через вещество, чтобы быть протонами или электронами. Кроме того, они были массивнее электронов и имели, кажется, иногда положительный, а иногда отрицательный заряд. Вскоре выяснилось, что масса новых частиц лежит в предсказанном Юкавой диапазоне и составляет около двухсот масс электрона.
Удивительно, как быстро спохватился остальной мир. Юкава опубликовал короткую заметку, в которой указал, что его теория предсказывает именно такие частицы. Уже через несколько недель крупнейшие физики Европы взялись исследовать его модель и включать его идеи в свою работу. В 1938 г., на последней крупной конференции перед тем, как Вторая мировая война прекратила почти все международное сотрудничество в науке, из восьми основных докладчиков трое говорили о теории Юкавы, называя имя, с которым еще год или два назад были совершенно незнакомы.
Хотя значительная часть околофизического мира праздновала очевидное открытие мезона Юкавы, само это открытие не было лишено серьезных проблем. В 1940 г. в треках космических лучей удалось пронаблюдать предсказанный Юкавой распад мезона с образованием электрона. Однако в 1943–1947 гг. стало ясно, что частицы, открытые Андерсоном и Неддермейером, взаимодействуют с атомным ядрами намного слабее, чем должна была бы взаимодействовать частица Юкавы.
Что-то было не так.
Трое японских коллег Юкавы предположили, что мезоны бывают двух разных сортов и что мезон Юкавы, возможно, распадается с образованием другого мезона, иного и взаимодействующего намного слабее. Но статьи этих ученых были написаны по-японски и не публиковались на английском языке до окончания войны, а к тому моменту аналогичное предположение было высказано американским физиком Робертом Маршаком.
Как ни странно, эта задержка оказалась даже полезной. Были разработаны новые методы наблюдения треков космических лучей в фотоэмульсиях, и целые группы храбрых исследователей потащили свое оборудование на все имеющиеся горы в поисках возможных новых сигналов. Многие частицы космических лучей вступают во взаимодействие и исчезают еще до достижения уровня моря, так что у научных групп, жаждущих исследовать чудный новый источник частиц, прилетающих прямо с небес, просто не было другого выбора, кроме как искать местечко повыше. Здесь космическим лучам приходилось проходить сквозь атмосферу меньшее расстояние и обнаруживать их было легче.
Джузеппе Оккиалини, бывший итальянский горный проводник, ставший физиком, во время войны был приглашен из Бразилии, чтобы работать с британской командой, занимавшейся атомной бомбой. Как иностранец, он не мог непосредственно участвовать в проекте, так что присоединился в Бристоле к группе физиков, занимавшихся космическими лучами. Горная подготовка Оккиалини оказалась полезна, когда ему пришлось затаскивать фотографические эмульсии на французский Пик-дю-Миди высотой две тысячи восемьсот метров. Сегодня в эту обсерваторию на вершине пика можно доехать по канатной дороге – это жуткое и захватывающее путешествие. Но в 1946 г. Оккиалини пришлось, рискуя здоровьем, лезть на вершину в попытке уловить сигналы экзотической новой физики.
И ему вместе с его командой действительно удалось открыть эту новую экзотическую физику. По словам Сесила Пауэлла, одного из коллег Оккиалини по Бристолю (и будущего нобелевского лауреата, в отличие от Оккиалини, которому Нобелевки не досталось), они увидели «целый новый мир. Мы как будто внезапно вломились в огороженный защитной стеной сад, где пышно цвели деревья и зрели во множестве всевозможные экзотические фрукты».
Если воспользоваться менее поэтическим языком, то обнаружили они два случая, когда в толще эмульсии первоначальный мезон прекратил существование, породив при этом второй мезон, – в точности как предполагали теоретики. Когда же эмульсии подняли на высоту, почти вдвое превышающую Пик-дю-Миди, ученым удалось зарегистрировать немало новых событий. В октябре 1947 г. в журнале
Казалось, что мезон Юкавы наконец-то открыт. Что же до его «партнера» – мюона, который прежде путали с мезоном Юкавы, то это была совсем другая частица. Во-первых, она не была лишена спина; напротив, она имела такой же спин, как электрон и протон. А ее взаимодействие с веществом было далеко не таким сильным, чтобы играть какую-то роль в ядерном связывании. Мюон оказался просто тяжелой, хотя и нестабильной копией электрона, что и послужило поводом для вопроса Раби: «А это кто заказывал?»
Итак, в конечном итоге оказалось, что частица, прославившая в 1936 г. Юкаву, вовсе не была той, которую он предсказал. Его идея приобрела известность потому, что первоначальный экспериментальный результат был неверно интерпретирован. К счастью, Нобелевский комитет дождался открытия пиона в 1947 г., прежде чем присудить Юкаве премию в 1949 г.
Учитывая длинную череду ошибок и присвоения неверных имен, естественно задаться вопросом: действительно ли пион был той частицей, которую предсказал Юкава? Ответ: одновременно и да и нет. Обмен заряженными пионами между протонами и нейтронами действительно позволяет точно оценить сильное ядерное взаимодействие, скрепляющее ядра атомов. Но, помимо заряженных пионов – мезонов, предсказанных Юкавой, существуют и нейтральные пионы. А их кто заказывал?
Более того, выдвинутая Юкавой теория для описания сильного взаимодействия, как и теория Ферми для описания нейтронного распада, не была полностью математически согласованной, что признавал и сам Юкава, когда предлагал ее. В то время
Глава 12
Марш титанов
Тогда волк будет жить вместе с ягненком, и барс будет лежать вместе с козленком…
Поделиться книгой: