Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Когда я был начинающим физиком, Бете считался живой легендой, потому что даже в девяносто с лишним лет он умудрялся писать важные физические статьи. Кроме того, он всегда был рад поговорить с кем-нибудь о физике. Приехав с лекцией в Корнеллский университет, где Бете проработал большую часть жизни, я был невероятно польщен, когда он зашел ко мне в кабинет, чтобы задать вопросы и внимательно меня выслушать, как будто мне на самом деле было что ему сообщить.

Кроме того, Бете обладал прекрасной физической формой. Друг-физик рассказывал мне о временах, когда ему тоже доводилось посещать Корнеллский университет. Однажды в выходной он амбициозно решил взобраться на холм по одной из многочисленных крутых пешеходных троп неподалеку от кампуса. Он гордился собой, когда, отдуваясь и тяжело дыша, добрался почти до вершины холма, – гордился ровно до тех пор, пока не заметил Бете, которому тогда было далеко за восемьдесят, легко спускавшегося по той же тропе с вершины.

Хотя Бете мне всегда нравился и я всегда очень его уважал, во время работы над материалами для этой книги я обнаружил два дополнительных момента, связывающих нас с ним лично, и мне приятно написать о них. Во-первых, я выяснил, что являюсь в каком-то смысле его интеллектуальным внуком, поскольку руководитель моей курсовой работы по физике М. К. Сундаресан был в свое время одним из его докторантов. Во-вторых, я узнал, что Бете, который терпеть не мог пафосных заявлений о фундаментальных результатах, когда они не основывались ни на глубоких рассуждениях, ни на наблюдательных данных, написал однажды, вскоре после получения докторской степени, шуточную статью, в которой высмеивалась показавшаяся ему нелепой статья знаменитого физика сэра Артура Стэнли Эддингтона. Эддингтон объявлял о том, что «вывел» фундаментальную постоянную электромагнетизма, опираясь на некоторые основные принципы, но Бете совершенно справедливо не увидел в его заявлении ничего, кроме неуместной нумерологии. Узнав это, я стал спокойнее относиться к собственной шуточной статье, которую написал, будучи доцентом в Йельском университете, в ответ на негодную, как мне показалось, статью, опубликованную в одном из лучших физических журналов; в статье говорилось об обнаружении нового фундаментального взаимодействия в природе, и позже в самом деле выяснилась ее ошибочность. В те времена, когда свою статью писал Бете, физический мир воспринимал себя чуть более серьезно, и Бете с коллегами пришлось выступить с извинениями. К моменту, когда аналогичную статью написал я, единственной отрицательной реакцией стал выговор от декана факультета, который опасался, как бы Physical Review в самом деле не опубликовал мою статью.

В тридцать с небольшим Бете уже имел репутацию высокопрофессионального физика, и его имя связывалось с большим количеством результатов, начиная от формулы Бете, описывающей прохождение заряженной частицы через вещество, и заканчивая подстановкой Бете – методом получения точных решений некоторых квантовых случаев задачи многих тел. Серия обзоров, в создании которых он участвовал в 1936 г., посвященных состоянию зарождавшейся тогда области ядерной физики, некоторое время оставалась главным источником информации по данному вопросу и получила известность как библия Бете. (В отличие от традиционной Библии, эта делала проверяемые прогнозы и со временем, по мере развития науки, была заменена другими источниками.)

В 1938 г. Бете убедили посетить конференцию по «источникам звездной энергии», хотя в то время астрофизика не относилась к его основным интересам. К концу встречи он разработал схему ядерных процессов, в ходе которых четыре отдельных протона (ядра атомов водорода) в конечном итоге «сливались» – под действием слабого взаимодействия Ферми – и образовывали ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. При таком синтезе высвобождается примерно в миллион раз больше энергии на один атом, чем при сгорании угля. Это позволяет Солнцу светить в миллион раз дольше, чем по прежним оценкам, или примерно 10 миллиардов лет вместо десяти тысяч. Позже Бете показал, что на Солнце протекают и другие ядерные реакции, в частности так называемый CNO-цикл, в котором углерод, азот и кислород выступают в качестве катализаторов превращения водорода в гелий.

Секрет Солнца – а в конечном итоге и секрет рождения света в Солнечной системе – был раскрыт. Бете получил Нобелевскую премию в 1967 г., и почти сорок лет спустя эксперименты с солнечными нейтрино подтвердили его предсказания. Нейтрино были ключевым наблюдаемым феноменом, позволявшим получить такое подтверждение. Дело в том, что вся цепочка начинается с реакции, в которой два протона сталкиваются и под влиянием слабого взаимодействия один из них превращается в нейтрон, что позволяет этим двум частицам слиться в ядро тяжелого водорода, известного как дейтерий, испустив при этом нейтрино и позитрон. Позитрон поглощается в недрах Солнца, а вот нейтрино, способное участвовать только в слабом взаимодействии, вылетает из Солнца и летит к Земле и дальше.

Каждую секунду в любой день более 400 триллионов подобных нейтрино проходят сквозь ваше тело. Их способность к взаимодействию настолько слаба, что нейтрино могло бы пройти в среднем сквозь десять тысяч световых лет сплошного свинца, прежде чем провзаимодействовать с чем-нибудь. Поэтому большинство нейтрино пролетают прямо сквозь вас и сквозь Землю, никак себя не проявляя, и никто этого не замечает. Но если бы не слабое взаимодействие, нейтрино бы не образовались, Солнце не светило бы – и нас бы здесь не было, так что это никого бы не волновало.

Таким образом, именно слабому взаимодействию, несмотря на его чрезвычайную слабость, мы в значительной степени обязаны своим существованием. И это одна из причин, по которым, когда придуманное Ферми взаимодействие и предсказанное им нейтрино оказались плохо соответствующими здравому смыслу, физики вынуждены были озаботиться и принять их во внимание. А в результате им пришлось очень серьезно изменить представления об окружающей реальности.

Стремительная смена событий в 1930-х гг., от открытия нейтрона до исследования природы нейтронного распада, вкупе с открытием нейтрино и последовавшим за ним открытием в природе нового универсального слабого взаимодействия, действующего на малых расстояниях, скорее запутала, чем вдохновила физиков. Блестящий марш, приведший в свое время к объединению электричества и магнетизма, а также к объединению квантовой механики и теории относительности, опирался в первую очередь на исследование природы света. Однако оставалось неясным, как элегантное теоретическое сооружение квантовой электродинамики могло бы направить исследования нового взаимодействия. Слабое взаимодействие по природе своей очень далеко от непосредственного человеческого опыта и при этом имеет дело с новыми и весьма экзотическими элементарными частицами и ядерными превращениями, которые чем-то напоминают алхимические трансмутации, но, в отличие от них, проверяемы и воспроизводимы.