Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Второе очевидное препятствие было связано с атомным ядром. Высокий кулоновский барьер не позволял альфа-частицам, источником которых в лаборатории Резерфорда служил радий, проникать в атомное ядро [17] Кулоновским барьером называют электростатическое отталкивание между положительными электрическими зарядами ядра и альфа-частицами или любыми другими положительно заряженными частицами, используемыми для бомбардировки ядра. . Для решения именно этой проблемы началось развитие ускорителей частиц.

Прогресс в этих направлениях в 1930-е гг. был затруднен из-за странного нежелания теоретиков предлагать новые частицы. Вот три примера.

Во-первых, гладкое распределение электронов, испущенных в результате бета-распада, по энергиям, которое было обнаружено Джеймсом Чедвиком в 1914 г., противоречило предположению о том, что каждый электрон уносит всю энергию перехода ядра из одного состояния в другое, поскольку в этом случае у всех электронов была бы одна и та же энергия, равная разности энергий начального и конечного состояний ядра. Открытие Чедвика было настолько загадочным, что Бор даже допускал нарушение закона сохранения энергии при таком распаде. Высказанное в 1930 г. предложение Паули о введении нового типа частиц — нейтрино — большей частью ученых было встречено скептически, и этот скепсис окончательно исчез только после того, как четверть века спустя нейтрино были обнаружены в экспериментах [18] Нейтрино электрически нейтральны и практически не взаимодействуют с веществом. Они отнимают у электронов часть энергии, выделяемой ядром при бета-распаде, но их очень сложно обнаружить. .

Во-вторых, Дирак поначалу предполагал, что «дырки» в электронном «море», соответствующие состояниям электронов с отрицательной энергией в его теории, — это протоны, единственные известные тогда частицы с положительным электрическим зарядом, несмотря на то что такое предположение противоречило бы наблюдаемому факту стабильности каких-либо атомов, так как электроны в атомах могли бы проваливаться в эти «дырки». Позже Дирак отказался от такой трактовки, однако открытие позитронов в космических лучах Карлом Андерсоном и Патриком Блэкеттом в 1932 г. стало неожиданностью для большинства физиков, в том числе и для самих Андерсона и Блэкетта [19] Позитрон — античастица электрона. Он имеет точно такие же массу и спин, что и электрон, и электрический заряд, равный по величине и противоположный по знаку заряду электрона. .

В-третьих, чтобы придать атомным ядрам соответствующие массы и заряды, физики сначала предположили, что ядра состоят из протонов и электронов. При этом они понимали, что вследствие этого допущения ядро азота-14 становится фермионом, тогда как исследования молекулярного спектра уже показали, что ядро азота-14 — бозон [20] Фермионы и бозоны — частицы, отличающиеся поведением волновых функций при перестановке двух тождественных частиц; если эти две частицы — фермионы, то волновая функция меняет знак; если это бозоны, то не меняет. Сложная система, вроде атомного ядра, ведет себя как фермион, если в ней нечетное число фермионов, и как бозон в противном случае. Нейтроны, протоны и электроны являются фермионами, поэтому, если ядро азота-14 состоит из 14 протонов (исходя из наблюдаемой массы) и семи гораздо более легких электронов (судя по наблюдаемому заряду), тогда оно — фермион, хотя анализ молекул, состоящих из двух атомов азота показал, что ядра азота-14 на самом деле являются бозонами, поскольку они состоят из семи протонов и семи нейтронов. . Окончательно нейтроны признали только после их открытия Чедвиком в 1932 г.

Сегодня это былое нежелание предлагать новые частицы даже в тех случаях, когда существовала очевидная теоретическая необходимость, кажется довольно странной. Современный физик-теоретик вряд ли добьется признания, если не введет хотя бы одну новую частицу, существование которой не подтверждено экспериментально. А в 1935 г. Хидэки Юкава потребовалась большая смелость, чтобы предположить, основываясь на приобретенном к тому времени знании о расстояниях ядерного взаимодействия, существование бозона с массой порядка 100 МэВ [21] МэВ — мегаэлектронвольт, или 1 млн электронвольт, — единица измерения энергии, используемая в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и смежных областях физики. В физике элементарных частиц в электронвольтах обычно выражается не только энергия, но и масса элементарных частиц. В единицах массы 1 эВ = 1,782 661 907 (11)·10 −36 кг. , которым обмениваются взаимодействующие протоны и нейтроны.

Между тем равенство масс нейтрона и протона говорило о том, что между этими частицами существует некоторая симметрия [22] Симметрия подробно обсуждается в главе 11 этой книги, в статье, написанной специально для непосвященных читателей. . Эта симметрия была установлена Грегори Брейтом и Юджином Финбергом в 1936 г., после того как в том же году Мерл Тьюв с коллегами экспериментально измерили силу протон-протонного взаимодействия и обнаружили, что она равна уже известной к тому времени силе нейтрон-протонного взаимодействия. Найденная симметрия получила название изоспиновой; математикам она известна как SU(2) [23] Таков принцип инвариантности, согласно которому уравнения, описывающие нейтроны и протоны и силы их взаимодействия, не должны изменяться, если в этих уравнениях нейтроны и протоны поменять местами или заменить частицами, представляющими смешанное состояние одного протона и одного нейтрона. .

Физика частиц возобновила свое развитие после окончания Второй мировой войны. (Здесь я, пожалуй, закончу перечислять имена физиков, работавших в этой области, поскольку это заняло бы слишком много времени, а кроме того, я боюсь пропустить имя кого-нибудь из ныне живущих.) В конце 1940-х гг. старая проблема бесконечностей в квантовой электродинамике была решена с помощью теории перенормировки [24] В начале 1930-х гг. заметили, что в квантовой теории электронов и электромагнетизма, в случае, если вычисления энергий частиц выходят за рамки простейшего приближения, значения этих энергий оказываются бесконечными. Проблему удалось решить, когда обнаружилось, что бесконечности исчезают, если провести подходящее переопределение — перенормировку массы и заряда электрона и полей электрона и фотона. . Мезон Юкавы, который мы теперь называем пионом, был обнаружен, и были определены свойства частицы, отличающие ее от открытого в 1937 г. мюона, который можно уподобить тяжелому электрону. Частицы, обладающие новым приближенно сохраняющимся квантовым числом — странностью, — были открыты в 1947 г. [25] Это частицы, которые кажутся странными, поскольку они могут быть получены только совместно друг с другом и никогда поодиночке. Все эти новые частицы были обнаружены в космических лучах, но уже в 1950-х гг. на смену космическим лучам как инструменту для поиска новых частиц пришли ускорители. Ускорители становились все масштабнее и мощнее — они уже не помещались в подвалах университетских физических лабораторий и становились огромными объектами, видимыми из космоса.