Розділ без назви (23)

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 від точкової взаємодії Фермі, яка описує нейтронний розпад, принаймні в плані передбачення подробиць нейтронного розпаду. Окрім того, теорія Юкави пропонувала спосіб звести всі дивні властивості ядра — від бета-розпаду нейтронів усередині ядра до сили взаємодії, що зв’язувала докупи протони й нейтрони — до простого розуміння властивостей лише однієї нової взаємодії, що була результатом обміну новою частинкою, а саме його мезоном.

Однак якщо цей новий мезон дійсно існує, то де він є? Чому його ще не виявили в космічних променях? Через це, а також через те, що Юкава був невідомо ким і працював далеко від центру подій, на його варіант пояснення як сильної взаємодії між нуклонами, так і слабкішої, яка, судячи з усього, була відповідальна за нейтронний розпад, ніхто не звернув особливої уваги. Разом із тим його варіант, на відміну від варіантів Гайзенберга та інших, зокрема Фермі, був простішим та більш осмисленим.

Усе змінилося 1936-го, менш ніж через два роки після передбачення Юкави, коли Карл Андерсон, першовідкривач позитрона, спільно із Сетом Неддермайєром виявили в космічних променях щось, що виглядало новим набором частинок. З характеристик треків цих нових частинок у камерах Вільсона випливало, що вони продукували замало радіації в матерії, крізь яку проходили, щоб бути протонами чи електронами. Вони також були масивніші за електрони і в одних випадках поводилися як позитивні, а в інших — як негативні. Дуже скоро виявилося, що ці частинки мають масу в діапазоні, приблизно у двісті разів більшому за масу електрона, як і передбачив Юкава.

Дивовижно, наскільки швидко решта світу на це пристала. Юкава опублікував коротку замітку, у якій зазначив, що його теорія передбачила існування саме таких частинок. Уже за кілька тижнів найкращі фізики Європи почали вивчати його модель і впроваджувати його ідеї у свої роботи. 1938 року, на останній великій конференції перед тим, як Друга світова війна перервала практично всю міжнародну наукову спів­працю, троє з восьми основних доповідачів присвятили свої виступи теорії Юкави, цитуючи ім’я, зовсім не відоме їм лише рік чи два тому.

Хоча решта з більшості фізиків світу святкувала те, що виглядало відкриттям мезона Юкави, воно мало свої проблеми. Розпад мезона на електрон, як це передбачив Юкава у 1940 році, було виявлено в треках космічних променів. Проте протягом 1943–1947 років стало зрозуміло, що частинки, які відкрили Андерсон і Неддермайєр, взаємодіяли з ядрами значно слабкіше, аніж мали б згідно з передбаченнями Юкави.

Щось було не так.

Троє японських колег Юкави висловили думку, що мезони бувають двох різних видів і що мезон юкавівського типу може розпадатися на інший, відмінний та слабкіше взаємодійний мезон. Проте їхні статті були написані японською й були перекладені англійською лише після війни, а доти аналогічне припущення встиг висловити американський фізик Роберт Маршак.

Ця затримка виявилася щасливою. Розробляли нові технології спостереження треків космічних променів у фотоемульсіях, а низка відважних дослідників тягла своє обладнання на вершини в пошуках можливих нових сигналів. Багато космічних променів взаємодіють і зникають іще до досягнення рівня моря, тож ця група й усі інші, зацікавлені у вивченні цього чудового нового джерела частинок із небес, не мали іншого вибору як шукати якомога вищі пагорби. У цих місцях космічні промені проходили меншу відстань в атмосфері і їх було легше фіксувати.

Під час війни італійця Джузеппе Оккіаліні, колишнього гіда-альпініста, який перекваліфікувався у фізики, запросили з Бразилії доєднатися до британської команди, що працювала над атомною бомбою. Оскільки він був уродженцем іншої країни, то не зміг працювати над цим проектом, тож натомість приєднався до групи з фізики космічних променів у Брістолі. Альпіністські навички Оккіаліні стали йому у великій пригоді під час підйому фотографічних емульсій на французький Пік-дю-Міді заввишки дві тисячі вісімсот метрів. Нині до обсерваторії на вершині цього піка можна дістатися підйомником, і це невимовно захоплива подорож. Проте 1946 року Оккіаліні мав дертися на вершину, ризикуючи здоров’ям, заради виявлення сигналів екзотичної нової фізики.

І вони з командою таки відкрили екзотичну нову фізику. Як висловився Сесіл Пауелл, колега Оккіаліні з Брістолю (і майбутній нобелівський лауреат, при тому що Оккіаліні, який власне здійснив сходження, залишився без премії), вони побачили «…зовсім новий світ. Це було, наче ми раптово вдерлися до обнесеного муром саду, де пишно росли заповідні дерева й щедро достигали найрізноманітніші екзотичні фрукти».

Їхнє відкриття було не настільки поетичним: два випадки, коли початковий мезон зупинявся в емульсії й породжував другий мезон, точно як передбачали теоретики. Значно більше таких випадків вдалося зафіксувати, коли емульсії підняли на вершину, майже удвічі вищу за Пік-дю-Міді. У жовтні 1947 року Пауелл, Оккіаліні й студентка Пауелла Сезар Латтес опублікували в журналі «Nature» статтю, у якій назвали початковий мезон, який взаємодіяв із ядерною силою, що відповідала мезону Юкави, піоном, а подальший мезон — мюоном.

Було схоже на те, що мезон Юкави нарешті відкрито. Що ж до його «напарника» мюона, який спершу прийняли за мезон Юкави, він виявився зовсім на нього не схожим. Він не був безспіновим, натомість маючи такий самий спін, як в електрона й протона. І його взаємодії з матерію й близько не були достатньо сильними, щоб відігравати роль у ядерному зв’язуванні. Мюон виявився лише важкою, тому нестабільною копією електрона, і саме це спонукало Рабі поставити запитання: «Хто це замовив?»

Отже, урешті-решт Юкаву прославила не та частинка, яку він передбачив. Його ідея стала відомою тому, що результати його оригінального експерименту були хибно проінтерпретовані. На щастя, Нобелівський комітет дочекався відкриття піона 1947 року, і лише після цього, 1949-го, присудив Юкаві свою премію.

Утім, з огляду на весь цей список помилок і хибних позначень, логічно запитати, чи дійсно піон — та частинка, яку передбачив Юкава? Відповідь: і так, і ні. Дійсно, обмін зарядженими піонами між протонами й нейтронами є одним із надійних способів спробувати оцінити сильну ядерну силу, що тримає ядра вкупі. Проте на додачу до заряджених піонів — вони ж передбачені Юкавою мезони — існують ще й нейтральні піони. Хто замовив їх?

Мало того, теорія, яку застосував Юкава для опису сильної сили, як і теорія Фермі для опису нейтронного розпаду, була не зовсім математично узгодженою, що визнавав сам Юкава, коли її пропонував. На той час не існувало правильної релятивістської теорії, що охоплювала б обмін масивними частинками. Досі чогось бракувало, тож низка несподіваних експериментальних відкриттів у поєднанні з пророцькими теоретичними ідеями, які, на жаль, були застосовані до неправильних теорій, спричинила плутанину, що тривала більш ніж десятиліття, аж доки туман не розсіявся й у кінці тунелю, чи, радше, на вході в печеру, не з’явилося світло.