Розділ без назви (21)

За свою експериментальну роботу Фермі отримав Нобелівську премію, проте не виключено, що його теоретичний спадок у фізиці значно видатніший. Як і належить, «теорія», яку він запропонував у своїй славетно відхиленій статті на тему нейтронного розпаду, була напрочуд простою, проте робила свою справу. Це зовсім не була вичерпна теорія, і на той час розроб­ляти таку було б передчасно. Натомість він зробив найпростіше припущення з можливих. Він уявив собі деякий новий різновид взаємодії між частинками, яка відбувалася в одній точці. Чотирма частинками-учасницями були нейтрон, протон, електрон і нова частинка, яку Паулі й Фермі нарекли нейтрино.

Відправна точка міркувань Фермі стосувалася світла, як і майже вся сучасна фізика, а в цьому випадку — сучасна квантова теорія взаємодії світла з матерією. Пригадаймо, що Фейнман, коли доводив необхідність існування антиматерії, розробив графічну композицію для 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 переключився на фізику ще до вступу в магістратуру й емігрував до Сполучених Штатів, рятуючись від нацистів.

Фізик-віртуоз Бете був здатний виконувати детальні розрахунки для розв’язання широкого діапазону задач прямо на дошці, починаючи з лівого верхнього кутка й закінчуючи в правому нижньому майже без витирань. Бете сильно вплинув на Річарда Фейнмана, який захоплювався терплячим методичним підходом Бете до задач. Сам Фейнман часто перестрибував від початку задачі в самий кінець, а лише тоді проробляв проміжні кроки. Глибока формальна вправність Бете й блискучі інтуїтивні здогадки Фейнмана гарно поєднувалися під час їхньої спільної роботи над атомною бомбою в Лос-Аламосі. Вони ходили коридорами, і Фейнман голосно опонував терплячому, проте впертому Бете, тож їхні колеги називали їх «лінкором і торпедним катером».

Коли я був юним фізиком, Бете був легендою, адже навіть коли йому перейшло за дев’яносто, він і далі писав вагомі фізичні статті. Він також був радий поговорити про фізику з ким завгодно. Коли я читав гостьову лекцію в Корнелльському університеті, у якому Бете провів більшу частину своєї професійної кар’єри, для мене було величезною честю, коли він увійшов до мого кабінету поставити кілька запитань і слухав мене дуже уважно, наче я дійсно міг щось йому запропонувати.

Він також був фізично витривалим. Один із моїх товаришів-фізиків розповів мені про свою поїздку до Корнеллу. Одного вік-енду він вирішив дати волю амбіціям і подолати одну з численних крутих пішохідних трас в окрузі кампусу. Він був дуже гордий, що, фухаючи та хекаючи, зміг дістатися майже самої вершини, доки не угледів Бете, якому тоді було під дев’яносто, який весело крокував трасою з вершини.