2 два протона связываются воедино благодаря тому, что обращающиеся вокруг них электроны являются общими для обеих частиц. Но если попытаться объяснить аналогичным образом связывание частиц не в молекуле, а в ядре, возникает проблема масштаба. Как могут нейтроны и протоны обмениваться электронами и быть связаны между собой настолько тесно, что среднее расстояние между ними оказывается в сто с лишним тысяч раз меньше молекулы водорода?
Вот еще один способ размышлять об этой проблеме, который пригодится нам позже. Вспомните, что электромагнетизм – это сила, действующая на больших расстояниях. Два электрона в противоположных концах Галактики испытывают взаимное отталкивание, хотя и чрезвычайно слабое, благодаря обмену виртуальными фотонами. В квантовой теории электромагнетизма это возможно. Фотоны не имеют массы, и виртуальные фотоны могут улетать сколь угодно далеко и нести на себе сколь угодно малые количества энергии, прежде чем будут поглощены вновь – без нарушения принципа неопределенности Гейзенберга. Если бы фотоны обладали массой, это было бы невозможно.
Итак, если некое взаимодействие между протонами и нейтронами в ядре возникает благодаря поглощению и испусканию, скажем, виртуальных электронов, то это взаимодействие будет работать только на коротких расстояниях, поскольку электроны обладают массой. Насколько коротких? Оказывается, примерно в сто раз превосходящих размер типичного ядра. Так что обмен электронами не годится для обеспечения взаимодействий ядерного масштаба. Как я уже сказал, это были отчаянные времена.
Отчаянная идея Гейзенберга о странной бесспиновой версии электрона не пропала втуне: она вдохновила молодого японского физика, скромного двадцативосьмилетнего Хидэки Юкаву. В 1935 г., когда Япония только начинала выходить из многовековой изоляции, но как раз перед тем, как ее имперские планы разожгли на Тихом океане пожар войны, Юкава опубликовал первую оригинальную работу по физике, написанную ученым, получившим все образование в Японии. По крайней мере два года никто не обращал на эту работу внимания, но четырнадцать лет спустя Юкава был удостоен за нее Нобелевской премии; к тому моменту статья была замечена, но по неверным причинам.
Визит Эйнштейна в Японию в 1922 г. окончательно закрепил растущий интерес Юкавы к физике. Когда старшекласснику Юкаве потребовались материалы для подготовки к экзамену по второму иностранному языку, под руку ему попалась книга Макса Планка «Введение в теоретическую физику» на немецком. Читая ее, он получал огромное удовольствие и от языка, и от физики, а помогал ему в этом одноклассник Синъитиро Томонага – талантливый физик, с которым Юкава вместе учился и в школе и позже в Киотском университете. Томонага был настолько талантлив, что позже, в 1965 г., получил Нобелевскую премию вместе с Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером за демонстрацию математической непротиворечивости квантовой электродинамики.
Удивительно, что Юкава, учившийся в Японии в те времена, когда многие из его наставников еще не понимали до конца недавно появившуюся новую область физики – квантовую механику, натолкнулся на возможное решение задачи ядерного взаимодействия, которого не заметили ни Гейзенберг, ни Паули, ни даже Ферми. Подозреваю, что отчасти это можно объяснить феноменом, который неоднократно наблюдался в физике XX века, а может быть, встречался и раньше и будет встречаться еще. Когда парадоксы и сложности, связанные с неким физическим процессом, начинают казаться огромными и непреодолимыми, возникает соблазн решить, что дело не обойдется без новой революции, подобной теории относительности или квантовой механике, и это потребует таких масштабных сдвигов в мышлении, что кажется бессмысленным продолжать попытки найти решение при помощи существующих технологий.
Ферми, в отличие от Гейзенберга и Паули, не занимался поисками каких-то революционных новшеств. Он готов был предложить, по его словам, «предварительную теорию» нейтронного распада, которая позволяла избавиться от электронов в ядре, разрешив им спонтанно возникать в процессе бета-распада. Он предложил работающую модель, понимая при этом, что это всего лишь модель, а не полноценная теория, – но она позволяла проводить расчеты и делать предсказания. Можно сказать, что в этом суть практичного стиля Ферми.
Юкава следил за развитием событий, он перевел работу Гейзенберга об атомных ядрах вместе с предисловием и опубликовал ее в Японии, так что проблемы, связанные с предложением Гейзенберга, были ему ясны. Затем, в 1934 г., Юкава познакомился с теорией нейтронного распада Ферми, и та заронила в его сознание новую идею. Может быть, ядерное взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны в ядре, обусловлено не просто обменом виртуальными электронами между ними, но обменом сразу парой электрон – нейтрино, возникающей при превращении нейтронов в протоны?
Однако сразу же возникла еще одна проблема. Распад нейтрона – результат того, что позже стало известно как слабое взаимодействие, и сила, отвечающая за него, слаба. При подстановке величин для возможной силы, которая могла бы возникнуть между протонами и нейтронами при обмене парой электрон – нейтрино, становилось ясно, что эта сила получилась бы слишком слабой, чтобы их связывать.
Тогда Юкава позволил себе то, что не позволял никто из остальных. Он задал себе вопрос: почему ядерная сила, если она, подобно тому как это имеет место в КЭД, возникает в результате обмена виртуальными частицами, должна основываться непременно на обмене одной или несколькими частицами, существование которых физикам известно или по крайней мере предполагается? Помня, как не любили тогда физики – взять хотя бы Дирака или Паули – предлагать новые частицы, даже если для того были все основания, вы сможете, наверное, оценить, насколько радикальной была идея Юкавы. Позже Юкава описывал это так:
В тот период атомное ядро представляло собой воплощенное противоречие и совершенно не поддавалось объяснениям. А почему? Потому, что наша концепция элементарной частицы была слишком узкой. В японском языке такого слова вообще не было, и мы пользовались английским словом, а означало оно протон и электрон. Казалось, откуда-то было принято Божественное послание, запрещающее нам думать о каких бы то ни было других частицах. Думать о чем-то вне этих рамок (за исключением фотона) значило проявлять наглость и отсутствие страха Божия. А дело было в том, что концепция вечности материи была традиционной и брала начало со времен Демокрита и Эпикура. Размышления о возникновении частиц, если это не фотоны, казались подозрительными, и в отношении таких мыслей существовал сильный, почти подсознательный, запрет.
Один из хороших моих приятелей-физиков говорит, что единственными периодами, когда ему удавалось провести сложные вычисления, были периоды после рождения каждого из его детей, когда спать он так и так был не в состоянии, так что проще было встать и поработать. Так в октябре 1934 г., будучи не в состоянии заснуть вскоре после рождения второго ребенка, Юкава вдруг понял, что если расстояние, на котором работает сильное ядерное взаимодействие, должно быть ограничено размером ядра, то любая частица, участвующая при этом в обмене, должна быть намного тяжелее электрона. На следующее утро он оценил массу такой частицы примерно в двести масс электрона. При этом частица, если ею должны обмениваться нейтроны с протонами, непременно должна обладать электрическим зарядом, но не может иметь спина, чтобы спин протона или нейтрона при ее поглощении или высвобождении не менялся бы.
Вы можете спросить, какое отношение все эти тревоги по поводу сильного ядерного взаимодействия имеют к распаду нейтрона – теме, которой началась эта глава и закончилась предыдущая? В 1930-е гг. не только размышления о новых частицах раздражали и вызывали внутренний протест, но и придумывание новых сил казалось занятием в лучшем случае ненужным, а в худшем случае – еретическим. Физики были убеждены, что все процессы, происходящие в ядре, сильные или слабые, должны быть связаны между собой.
Юкава придумал хитроумный способ добиться этого, соединив идеи Ферми и Гейзенберга, а также обобщив идеи успешной квантовой теории электромагнетизма. Если вместо того, чтобы испускать фотон, нейтроны в ядре испускают новую частицу – тяжелую заряженную частицу без спина, которую Юкава первоначально назвал мезотроном, но затем Гейзенберг поправил его греческий и название было сокращено до мезона, – то эту частицу могут поглощать протоны ядра, порождая при этом силу притяжения, величину которой Юкава смог рассчитать при помощи уравнений, экстраполированных им, как вы уже догадались, из теории электромагнетизма.
Однако аналогия с электромагнетизмом не могла быть полной, поскольку мезон массивен, а фотон массы не имеет. Юкава поступил так же, как мог бы поступить Ферми, если бы ему пришла в голову такая идея. Да, теория неполна, но Юкава готов был игнорировать остальные аспекты электромагнетизма, которые его теория воспроизвести не могла. Плевать на торпеды, полный вперед!
Юкава изобретательно – и, как выяснилось в конечном итоге, неверно – связал сильное взаимодействие с наблюдаемым нейтронным распадом, предположив, что мезоны, возможно, не всегда служат просто объектом обмена между нейтронами и протонами в ядре. Небольшая доля мезонов, испущенных нейтронами, по пути, прежде чем поглотиться, возможно, распадается на электрон и нейтрино, что приводит к распаду нейтрона. В этом случае нейтронный распад будет изображаться не так, как на рисунке слева, где и его исчезновение, и образование других частиц происходят в одной точке, а будет выглядеть скорее как на рисунке справа, где распад, можно сказать, размазывается в пространстве и новая частица (мезон Юкавы), показанная пунктирной линией, проходит небольшое расстояние, прежде чем распасться на электрон и нейтрино. С этой новой частицей-посредником слабое взаимодействие, обеспечивающее распад нейтрона, начинает больше походить на электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами.