Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

розмірковувань про фундаментальні процеси в просторі й часі. Нижче відтворена просторово-часова картина електрона, який випускає фотон, але цього разу місце електрона займає протон р:

Фермі уявив собі розпад нейтрона аналогічним чином, проте замість того, щоб випустити фотон і залишитися тією ж частинкою, нейтрон n випускає пару частинок, електрон е й нейтрино n, після чого перетворюється на протон р:

В електромагнетизмі сила взаємодії між зарядженими частинками й фотонами (від якої залежить імовірність випускання фотона в точці, показаній на першому рисунку на попередній сторінці) пропорційна заряду цієї частинки. Оскільки саме заряд дозволяє частинкам взаємодіяти, або ж «зв’язуватися» з електромагнітним полем, величина фундаментального кванта заряду – заряд одного електрона чи протона – називається «сталою зв’язку» електромагнетизму.

У взаємодії Фермі числова величина, що виникає в точці взаємодії на рисунку, де нейтрон перетворюється на протон, визначає ймовірність такого перетворення. Значення цієї величини визначено експериментально, і нині ми називаємо його сталою Фермі. Для електромагнетизму числове значення цієї величини мале, оскільки розпад нейтрона займає багато часу порівняно, скажімо, з частотою електромагнітних переходів в атомах. Як наслідок взаємодія Фермі, яка описує нову силу природи, стала відома як слабка взаємодія.

Одним із факторів, що зробили пропозицію Фермі настільки визначною, було те, що вперше у фізиці хтось висловив думку, що у квантовому світі можуть спонтанно виникати не лише фотони, а й інші частинки (у цьому випадку одночасно з перетворенням нейтрона на протон створюються електрон і нейтрино). Це стало одночасно джерелом натхнення й прототипом для значної частини подальших досліджень квантового характеру фундаментальних сил природи.

Мало того, вона була не лише післябаченням щодо природи. Вона робила передбачення якраз через те, що поодинока математична форма взаємодії, яка змушує нейтрон розпадатися, також здатна передбачити купу інших явищ, що були виявлені пізніше.

Ще важливішим є те, що ця взаємодія з точно такою ж силою керує аналогічними розпадами інших частинок, які існують у природі. Приміром, 1936 року Карл Андерсон, «автор» позитрона, відкрив у космічних променях іще одну частинку, першу з настільки багатьох, що фізики в галузі елементарних частинок іще дивуватимуться, чи закінчиться ця послідовність коли-небудь. Кажуть, що, дізнавшись про це відкриття, фізик-атомник і майбутній Нобелівський лауреат І. А. Рабі вигукнув: «Хто це замовив?»

Нині ми знаємо, що ця частинка, яка зветься мюоном і позначається грецькою літерою m, є, по суті, точною копією електрона, хіба що разів у двісті важчою. Оскільки вона важча, то може розпадатися, випускаючи електрон і нейтрино внаслідок взаємодії, що виглядає ідентичною нейтронному розпаду, хіба що мюон перетворюється не на протон, а на інший тип нейтрино (який називається мюонним нейтрино). Як не дивно, якщо використати як значення сили цієї взаємодії ту саму сталу Фермі, одержимо точний час життя мюона.

Очевидно, що тут діє нова фундаментальна сила, універсальна для всієї природи з деякими подібностями та деякими суттєвими відмінностями порівняно з електромагнетизмом. По-перше, ця взаємодія значно слабкіша. По-друге, на відміну від електромагнетизму, ця взаємодія за всіма ознаками діє лише в невеликому околі – у моделі Фермі взагалі в одній точці. При перетворенні на протони в одному місці нейтрони не змушують електрони обертатися на нейтрино десь в іншому місці, тоді як взаємодія між електронами й фотонами дозволяє електронам обмінюватися віртуальними фотонами й відштовхувати один одного навіть на величезних відстанях. По-третє, ця взаємодія змінює один тип частинок на інший. Електромагнетизм пов’язаний зі створенням та поглинанням фотонів, квантів світла, проте заряджені частинки, які взаємодіють із ними, зберігають свою ідентичність як до, так і після акту взаємодії. Гравітація також далекосяжна, і коли м’яч падає на землю, він залишається м’ячем. А от слабка взаємодія примушує нейтрони розпадатися й перетворюватися на протони, мюони – на нейтрино тощо.

Ясно, що слабка взаємодія чимось відрізняється, утім, можна спитати себе, чи варто цим перейматися. Нейтронний розпад цікавий, проте, на щастя, властивості ядра захищають нас від нього, уможливлюючи існування стабільних атомів. Тож на перший погляд вона мало впливає на наше буденне життя. На відміну від гравітації й електромагнетизму, ми її не відчуваємо. Якби слабка взаємодія була неважливою, на її аномальну природу можна було б із легким серцем махнути рукою.

Проте слабка взаємодія принаймні не менше за гравітацію й електромагнетизм безпосередньо відповідальна за наше існування. 1939 року Ганс Бете, який невдовзі разом з іншими очолить зусилля з будівництва атомної бомби, збагнув, що взаємодії, які розбивають важкі ядра для одержання джерела вибухової сили бомби, за інших обставин можна використати для створення більших ядер із малих. При цьому зможе виділятися ще більше енергії, ніж в атомній бомбі.

Доти джерело енергії Сонця було таємницею. Було чітко встановлено, що температура сонячного ядра не може перевищувати кількох десятків мільйонів градусів – що може здатися неймовірною величиною, проте обсяги енергії, доступні ядрам, що зіштовхуються за таких температур, уже були одержані в лабораторних умовах. Мало того, Сонце не могло просто собі горіти, наче свічка.

Уже у XVIII столітті було встановлено, що об’єкт із масою Сонця, якщо це просто щось на кшталт розжареного шматка вугілля, може горіти з його спостережуваною яскравістю не довше десяти тисяч років. Хоча це гарно вписувалося в оцінки віку всесвіту, які архієпископ Ашшер вивів з опису створення світу в Біблії, до середини ХІХ століття геологи та біологи вже встановили, що сама Земля була старішою. Оскільки інші джерела енергії на обрії не проглядалися, довговічність і яскравість Сонця залишалися непояснимими.

Тут на сцену вийшов Ганс Бете. Ще один неймовірно талановитий та плодовитий фізик-теоретик, породжений Німеччиною першої половини ХХ століття, Бете також був докторантом Арнольда Зоммерфельда й зрештою здобув Нобелівську премію. Бете почав наукову кар’єру з хімії, оскільки вступні курси з фізики в його університеті викладали погано – поширена проблема (з цієї ж причини я кинув фізику впродовж свого першого року навчання, проте, на щастя, кафедра фізики мого університету дозволила мені наступного року послухати більш просунутий курс). Бете