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

Однако оставалось неясным: если новый тяжелый мезон существует, то где он? Почему никто до сих пор не видел его хотя бы в космических лучах? По этой причине, а также потому, что Юкава был никому не известен и работал далеко от всех центров, где происходили главные события, никто не обратил сколько-нибудь серьезного внимания на его предложение, призванное объяснить одновременно и сильное взаимодействие между нуклонами, и более слабое взаимодействие, которое, как представлялось, отвечает за нейтронный распад. Тем не менее его гипотеза, в отличие от гипотез Гейзенберга и других физиков (включая Ферми), была проще и лучше отвечала здравому смыслу.

Все изменилось в 1936 г., менее чем через два года после предсказания Юкавы, Когда Карл Андерсон, первооткрыватель позитрона, и его коллега Сет Неддермейер обнаружили в космических лучах нечто, на первый взгляд показавшееся новым набором частиц. Характеристики треков этих новых частиц в туманных камерах позволяли предположить, что они слишком слабо излучают при прохождении через вещество, чтобы быть протонами или электронами. Кроме того, они были массивнее электронов и имели, кажется, иногда положительный, а иногда отрицательный заряд. Вскоре выяснилось, что масса новых частиц лежит в предсказанном Юкавой диапазоне и составляет около двухсот масс электрона.

Удивительно, как быстро спохватился остальной мир. Юкава опубликовал короткую заметку, в которой указал, что его теория предсказывает именно такие частицы. Уже через несколько недель крупнейшие физики Европы взялись исследовать его модель и включать его идеи в свою работу. В 1938 г., на последней крупной конференции перед тем, как Вторая мировая война прекратила почти все международное сотрудничество в науке, из восьми основных докладчиков трое говорили о теории Юкавы, называя имя, с которым еще год или два назад были совершенно незнакомы.

Хотя значительная часть околофизического мира праздновала очевидное открытие мезона Юкавы, само это открытие не было лишено серьезных проблем. В 1940 г. в треках космических лучей удалось пронаблюдать предсказанный Юкавой распад мезона с образованием электрона. Однако в 1943–1947 гг. стало ясно, что частицы, открытые Андерсоном и Неддермейером, взаимодействуют с атомным ядрами намного слабее, чем должна была бы взаимодействовать частица Юкавы.

Что-то было не так.

Трое японских коллег Юкавы предположили, что мезоны бывают двух разных сортов и что мезон Юкавы, возможно, распадается с образованием другого мезона, иного и взаимодействующего намного слабее. Но статьи этих ученых были написаны по-японски и не публиковались на английском языке до окончания войны, а к тому моменту аналогичное предположение было высказано американским физиком Робертом Маршаком.

Как ни странно, эта задержка оказалась даже полезной. Были разработаны новые методы наблюдения треков космических лучей в фотоэмульсиях, и целые группы храбрых исследователей потащили свое оборудование на все имеющиеся горы в поисках возможных новых сигналов. Многие частицы космических лучей вступают во взаимодействие и исчезают еще до достижения уровня моря, так что у научных групп, жаждущих исследовать чудный новый источник частиц, прилетающих прямо с небес, просто не было другого выбора, кроме как искать местечко повыше. Здесь космическим лучам приходилось проходить сквозь атмосферу меньшее расстояние и обнаруживать их было легче.

Джузеппе Оккиалини, бывший итальянский горный проводник, ставший физиком, во время войны был приглашен из Бразилии, чтобы работать с британской командой, занимавшейся атомной бомбой. Как иностранец, он не мог непосредственно участвовать в проекте, так что присоединился в Бристоле к группе физиков, занимавшихся космическими лучами. Горная подготовка Оккиалини оказалась полезна, когда ему пришлось затаскивать фотографические эмульсии на французский Пик-дю-Миди высотой две тысячи восемьсот метров. Сегодня в эту обсерваторию на вершине пика можно доехать по канатной дороге – это жуткое и захватывающее путешествие. Но в 1946 г. Оккиалини пришлось, рискуя здоровьем, лезть на вершину в попытке уловить сигналы экзотической новой физики.

И ему вместе с его командой действительно удалось открыть эту новую экзотическую физику. По словам Сесила Пауэлла, одного из коллег Оккиалини по Бристолю (и будущего нобелевского лауреата, в отличие от Оккиалини, которому Нобелевки не досталось), они увидели «целый новый мир. Мы как будто внезапно вломились в огороженный защитной стеной сад, где пышно цвели деревья и зрели во множестве всевозможные экзотические фрукты».

Если воспользоваться менее поэтическим языком, то обнаружили они два случая, когда в толще эмульсии первоначальный мезон прекратил существование, породив при этом второй мезон, – в точности как предполагали теоретики. Когда же эмульсии подняли на высоту, почти вдвое превышающую Пик-дю-Миди, ученым удалось зарегистрировать немало новых событий. В октябре 1947 г. в журнале Nature Пауэлл, Оккиалини и ученик Пауэлла Чезаре Латтес опубликовали статью, в которой назвали первоначальный мезон – тот, что, судя по данным наблюдений, взаимодействовал с ядерной силой, подходящей для мезона Юкавы, – пионом, а мезон, возникающий в результате его распада, – мюоном.

Казалось, что мезон Юкавы наконец-то открыт. Что же до его «партнера» – мюона, который прежде путали с мезоном Юкавы, то это была совсем другая частица. Во-первых, она не была лишена спина; напротив, она имела такой же спин, как электрон и протон. А ее взаимодействие с веществом было далеко не таким сильным, чтобы играть какую-то роль в ядерном связывании. Мюон оказался просто тяжелой, хотя и нестабильной копией электрона, что и послужило поводом для вопроса Раби: «А это кто заказывал?»

Итак, в конечном итоге оказалось, что частица, прославившая в 1936 г. Юкаву, вовсе не была той, которую он предсказал. Его идея приобрела известность потому, что первоначальный экспериментальный результат был неверно интерпретирован. К счастью, Нобелевский комитет дождался открытия пиона в 1947 г., прежде чем присудить Юкаве премию в 1949 г.

Учитывая длинную череду ошибок и присвоения неверных имен, естественно задаться вопросом: действительно ли пион был той частицей, которую предсказал Юкава? Ответ: одновременно и да и нет. Обмен заряженными пионами между протонами и нейтронами действительно позволяет точно оценить сильное ядерное взаимодействие, скрепляющее ядра атомов. Но, помимо заряженных пионов – мезонов, предсказанных Юкавой, существуют и нейтральные пионы. А их кто заказывал?

Более того, выдвинутая Юкавой теория для описания сильного взаимодействия, как и теория Ферми для описания нейтронного распада, не была полностью математически согласованной, что признавал и сам Юкава, когда предлагал ее. В то время еще не существовало корректной релятивистской теории, описывающей обмен массивными частицами. Чего-то по-прежнему не хватало, и серия удивительных экспериментальных открытий в сочетании с провидческими теоретическими идеями, которые, к сожалению, применялись не к тем теориям, привели к десяти с лишним годам путаницы, прежде чем туман рассеялся и появился свет в конце туннеля. Или, может быть, в устье пещеры.