Часть вторая
Исход

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 была замечена, но по неверным причинам.

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 Nature Пауэлл, Оккиалини и ученик Пауэлла Чезаре Латтес опубликовали статью, в которой назвали первоначальный мезон – тот, что, судя по данным наблюдений, взаимодействовал с ядерной силой, подходящей для мезона Юкавы, – пионом, а мезон, возникающий в результате его распада, – мюоном.

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 еще не существовало корректной релятивистской теории, описывающей обмен массивными частицами. Чего-то по-прежнему не хватало, и серия удивительных экспериментальных открытий в сочетании с провидческими теоретическими идеями, которые, к сожалению, применялись не к тем теориям, привели к десяти с лишним годам путаницы, прежде чем туман рассеялся и появился свет в конце туннеля. Или, может быть, в устье пещеры.