Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

який кілька разів мав місце у ХХ столітті, а можливо, як раніше, так і пізніше. Коли парадокси та ускладнення, пов’язані з деяким фізичним процесом, починають здаватися непереборними, дуже спокусливо припустити, що якась нова революція на кшталт теорії відносності чи квантової механіки потребуватиме настільки докорінного повороту в міркуваннях, що сенсу просуватися далі, використовуючи наявні методики, немає.

На відміну від Гайзенберга чи Паулі, Фермі не прагнув повномасштабної революції. Він був ладен запропонувати, за його власними словами, «пробну теорію» нейтронного розпаду, яка позбавлялася електронів у ядрі, допускаючи їхнє спонтанне утворення в процесі бета-розпаду. Він запропонував модель, яка працювала, і при цьому був свідомий того, що це лише модель, а не повноцінна теорія, яка, утім, надавала змогу здійснювати обрахунки й робити передбачення. У цьому полягала сутність практичного стилю Фермі.

Юкава стежив за цими подіями, навіть переклав статтю Гайзенберга на тему ядер разом зі вступом, яку опублікував у Японії, тож проблеми з версією Гайзенберга вже були йому очевидні. Далі, 1934 року, Юкава прочитав теорію нейтронного розпаду Фермі, яка стала каталізатором виникнення в нього нової ідеї. Що, як ядерна сила, яка зв’язує протони й нейтрони, була викликана обміном між ними не віртуальними електронами, а електроном і нейтрино, які утворюються під час перетворення нейтронів на протони?

Утім, одразу ж виникла інша проблема. Нейтронний розпад є результатом того, що стало відоме під назвою слабкої взаємодії, і сила, яка за це відповідає, слабка. Якщо підставити значення можливої сили, яка могла б виникнути між протонами й нейтронами в результаті обміну електронно-нейтринної пари, стане очевидно, що ця сила буде заслабка для того, щоб їх зв’язати.

Далі Юкава дозволив собі зробити те, чого не робив ніхто інший. Він запитав себе, чому ядерна сила, якщо вона подібно до КЕД є результатом обміну віртуальними частинками, має бути спричинена обміном однією або кількома частинками, які вже відомі або чиє існування припускають. Якщо пригадати, з якою нехіттю фізики на кшталт Дірака та Паулі висували ідею існування нових частинок попри те, що мали рацію, можна, мабуть, оцінити, наскільки радикальною була ідея Юкави. Пізніше Юкава описував її так: «У цей період саме атомне ядро було втіленням несумісності, геть непоясненним. А чому? Бо наша концепція елементарної частинки була завузькою. У японській мові такого слова не було, тож ми вживали англійське слово, яке позначало протон і електрон. Звідкілясь надійшло божественне веління, що заборонило нам думати про якісь інші частинки. Мислити поза цими межами (за винятком фотона) означало бути пихатим, не боятися гніву богів. Це через те, що концепція вічності матерії була традицією ще з часів Демокріта й Епікура. Думати про створення частинок, відмінних від фотонів, було підозріливим, і такі думки пригнічували майже підсвідомо».

Один із моїх добрих друзів-фізиків казав, що міг займатися складними обрахунками лише після народження кожного зі своїх дітей, коли він усе одно не міг спати, тож не лягав і працював. От і в жовтні 1934 року, якраз після народження своєї другої дитини й не маючи можливості спати, Юкава збагнув, що, якщо радіус дії сильної ядерної сили має обмежуватися розмірами ядра, тоді частинки, що беруть участь в обміні, мають бути значно масивніші за електрон. Наступного ранку він приблизно оцінив цю масу як у двісті разів більшу за масу електрона. Щоб цією частинкою могли обмінюватися нейтрони й протони, вона мала нести електричний заряд і не повинна була мати спіну, аби не змінити спін протона чи нейтрона при поглинанні чи випусканні.

Ви можете спитати, як уся ця метушня навколо сильних ядерних сил стосується нейтронного розпаду – теми, яка відкрила цей розділ і закрила попередній? У 1930-х роках, точно як видумування нових частинок суперечило загальноприйнятій традиції, так і винайдення нових сил видавалося в найкращому випадку непотрібним, а в найгіршому – єрессю. Фізики були переконані, що всі процеси, які відбуваються в ядрі, незалежно від того, сильні вони чи слабкі, мають бути взаємопов’язані.

Поєднавши ідеї Фермі й Гайзенберга та узагальнивши ідеї успішної квантової теорії електромагнетизму, Юкава вигадав кмітливий спосіб досягти цього. Якщо замість фотона нейтрони в ядрі випускали нову, важку, безспінову заряджену частинку, – яку Юкава спершу називав мезотроном, аж доки Гайзенберг не відкоригував грецьку Юкави й не скоротив назву до «мезона», – то ця частинка могла поглинатися протонами ядра, породжуючи силу тяжіння, величину якої Юкава зміг обчислити за допомогою рівнянь, екстрапольованих з, як неважко здогадатися, електромагнетизму.

Утім, аналогія з електромагнетизмом не могла бути точною, оскільки мезон масивний, а протон безмасовий. Юкава вчинив так, як міг би вчинити Фермі, якби додумався до цього. Так, теорія була неповна, проте Юкава був ладен проігнорувати ті аспекти електромагнетизму, які його теорія не могла відтворити. Грець із ними, з торпедами, повний вперед.

Юкава винахідливо – і зрештою неправильно – поєднав цю сильну силу зі спостережуваним нейтронним розпадом, припустивши, що простий обмін мезонами між нейтронами й протонами в ядрі може відбуватися не завжди. Дещиця випущених нейтронами мезонів може ще до поглинання розпастися в польоті на електрон і нейтрино, спричиняючи нейтронний розпад. У цьому разі нейтронний розпад виглядатиме не так, як на лівому з рисунків нижче, де розпад і випускання всіх інших частинок відбуваються в тій самій точці. Він виглядатиме, як на рисунку праворуч, де розпад розтягнутий у часі, а нова частинка, відмічена пунктиром (який позначає мезон Юкави), після випускання долає невелику відстань, а тоді розпадається на електрон і нейтрино. Додавання цієї нової проміжної частинки робить слабку взаємодію, яка опосередковано спричиняє нейтронний розпад, більш схожою на електромагнітну взаємодію між зарядженими частинками:

Юкава запропонував нову проміжну частинку, важкий мезон, який зробив нейтронний розпад подібним до вже знайомої нам картини фотонного обміну в електромагнетизмі, – який, власне, і спонукав його міркувати в цьому напрямку, – проте із суттєвими відмінностями. У цьому випадку проміжна частинка була одночасно масивною й електрично зарядженою, а також, на відміну від фотона, не мала обертального кутового моменту.

Утім, Юкава зміг показати, що у випадку важкого мезона його теорія не відрізняється