Розділ без назви (23)

Для всього свій час, і година своя кожній справі під небом…

Екклезіяст 3:1

Стрімкий розвиток подій упродовж 1930-х років від відкриття нейтрона до дослідження природи нейтронного розпаду, а також відкриття нейтрино й подальше відкриття нової й універсальної близькодійної слабкої сили природи радше збентежили фізиків, аніж надихнули. Блискучий поступ, що привів до об’єднання електрики й магнетизму, а потім квантової механіки й теорії відносності, ґрунтувався на вивченні природи світла. Проте було незрозуміло, як елегантна теоретична доктрина квантової електродинаміки може надати засоби для розгляду нової сили. Слабка взаємодія дуже далека від безпосередніх людських відчуттів і стосується нових та екзотичних елементарних частинок і ядерних трансмутацій, що змушують пригадати алхімію, проте, на відміну від алхімії, їх можна перевірити й відтворити.

Фундаментальне збентеження було пов’язане з природою власне атомного ядра та питанням, що ж тримає його вкупі. Відкриття нейтрона допомогло розв’язати парадокс, який до того, як здавалося, вимагав ув’язнення в ядрі електронів заради врівноваження заряду додаткових протонів, необхідних для одержання відповідних ядерних мас, проте спостереження бета-розпаду, унаслідок якого з ядер вилітали електрони, картину аж ніяк не прояснили.

Здогад, що за бета-розпаду нейтрони в ядрі стають протонами, дещо прояснив ситуацію, проте далі природним чином постало інше запитання: чи могло це перетворення в якийсь спосіб пояснити сильне зв’язування, яке тримало протони й нейтрони всередині ядра вкупі?

Попри очевидні відмінності між слабкими силами й квантовою теорією електромагнетизму (КЕД), видатні успіхи КЕД в описі поведінки атомів і взаємодії електронів зі світлом не мог­ли не вплинути на роздуми фізиків щодо цієї нової слабкої сили. Пов’язані з КЕД математичні симетрії чудово спрацювали, забезпечивши щезання здатних завдати великого клопоту нескінченостей з обрахунків, що постають з обміну віртуальними частинками при переході до передбачень значень фізичних величин. Можливо, щось подібне спрацює й під час спроб зрозуміти силу, що зв’язує докупи протони й нейтрони в ядрі?

А саме, якщо електромагнітна сила зумовлена обміном частинками, було логічно припустити, що сила, яка тримає ядро вкупі, також може бути зумовлена обміном частинками. 1932 року, приблизно в той же час, коли було відкрито нейтрон, цю ідею запропонував Вернер Гайзенберг. Якщо нейтрони й протони можуть перетворюватися один на одного, причому протону для перетворення на нейтрон треба поглинути електрон, то, можливо, саме обмін електронами між ними може якимось чином породити здатну зв’язати силу?

Утім, цю картину затьмарювали кілька широко відомих проблем. Першою була проблема «спіну». Якщо вслід за Гайзенбергом припустити, що нейтрон, по суті, складається зі зв’язаних докупи протона й електрона й вони обидва є частинками зі спіном ½, то після їхнього складання докупи в нейтроні він не може мати спін ½, адже ½ + ½ не може дорівнювати ½. Гайзенберг у пориві відчаю, адже то були часи відчаю, коли, здавалося, руйнувалися всі традиційні правила, висунув припущення, що «електрон», який передається від нейтронів до протонів і тримає їх у ядрі вкупі, якимось чином відрізняється від вільного електрона й не має спіну взагалі.

Ретроспективно подана картина мала іншу проблему. У Гайзенберга були причини вважати, що саме електрони зв’язують докупи нейтрони й протони, оскільки він думав про молекули водню. У водні два протони зв’язуються докупи за рахунок спільних електронів, що обертаються навколо них. Проблема з поясненням аналогічним чином ядерного зв’язування полягає в масштабі. Як нейтрони й протони можуть обмінюватися електронами й триматися разом настільки щільно, що середня відстань між ними більш ніж у сто тисяч разів менша за розмір молекул водню?

Цю проблему можна розглянути в інший спосіб, до якого буде корисно повернутися згодом. Пригадаймо, що електромагнетизм є далекосяжною силою. Через обмін віртуальними фотонами, взаємне відштовхування, хоч і вкрай слабеньке, можуть відчувати два електрони в протилежних кінцях галактики. Це можливо завдяки квантовій теорії електромагнетизму. Фотони не мають маси, тож віртуальні фотони до свого поглинання можуть подорожувати необмежено далеко й нести необмежено малу кількість енергії, не порушуючи при цьому принципу невизначеності Гайзенберга. Якби фотони були масивними, це було б неможливим.

Проте якби сила взаємодії між нейтронами й протонами в ядрах виникала за рахунок поглинання та випускання, скажімо, віртуальних електронів, ця сила була б близькодійною, оскільки електрони масивні. Наскільки близькодійною? Ну, виходить, десь приблизно в сто тисяч разів більше за розміри типових ядер. Отже, сили в масштабах ядер не можуть бути спричинені обміном електронів. Я ж казав, то були часи відчаю.

Відчайдушна ідея Гайзенберга щодо дивної безспінової версії електрона не оминула молодого японського фізика, сором’яз­ливого 28-річного Хідекі Юкаву. 1935 року, коли Японія тільки-тільки почала виходити на сцену після століть ізоляції й незадовго до того, як її імперіалістичні плани запалили війну в Тихоокеанському регіоні, Юкава опублікував першу оригінальну роботу з фізики, написану вченим, який здобув освіту винятково в Японії. Ця стаття лишалася непоміченою щонайменше два роки, проте чотирнадцять років по тому Юкава здобув Нобелівську премію за свою роботу, яку на той час уже помітили, хоча і з зовсім інших причин.

Візит Ейнштейна до Японії 1922 року закріпив щораз більшу цікавість Юкави до фізики. Коли він іще вчився в середній школі й шукав матеріали, які допомогли б йому скласти іспити з другої іноземної мови, він знайшов німецькомовне видання «Вступу до теоретичної фізики» Макса Планка. Він дуже зрадів можливості читати одночасно німецькою й фізику, і в цьому йому допомагав однокласник Синітіро Томонага, талановитий фізик, який був його колегою і в школі, і пізніше в Кіотському університеті. Томонага був настільки талановитим, що пізніше отримав спільно з Річардом Фейнманом і Джуліаном Швінґером Нобелівську премію за демонстрацію математичної узгодженості квантової електродинаміки.

Той факт, що Юкава, який був японським студентом у часи, коли багато з його викладачів іще несповна розумілися на сфері квантової механіки, яка лише зароджувалася, натрапив на можливе рішення проблеми ядерної сили, яке не розгледіли Гайзенберг, Паулі й навіть Фермі, не може не вражати. Підозрюю, що частиною проблеми був феномен, 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.