Бег за бесконечностью - Александр Потупа

И все-таки спасение закона сохранения энергии пришло. Пришло в виде письма, которое адресовал участникам небольшой конференции в Тюбингене в декабре 1930 года молодой В. Паули.

В послании из Цюриха выдвигалась гипотеза, будто вместе с бета-электроном ядро испускает новую частицу с очень малой массой и высокой проникающей способностью, причем суммарная энергия бета-электрона и новой частицы остается постоянной, то есть строго сохраняется в каждом акте. В. Паули окрестил «спасителя» нейтроном. Это тяжеловесное название продержалось недолго — лишь до открытия Дж. Чэдвиком настоящего, полноправного нейтрона.

Новая частица понравилась многим, но особые симпатии к ней стал испытывать молодой итальянский физик Э. Ферми. По его предложению она стала называться нейтрино (по-итальянски: нейтрончик), и конфликт между достойными партнерами по ядерному миру был ликвидирован. В 1933 году Э. Ферми построил первую теорию испускания бета-электронов, которая сыграла исключительную роль в развитии представлений о микромире.

Прежде всего в ней была впервые четко зафиксирована идея о том, что в атомном ядре содержатся только протоны и нейтроны, а бета-электроны образуются лишь в результате реакции распада нейтрона. Тем самым было защищено наиболее уязвимое место в протон-нейтронной гипотезе о строении ядра, которая была выдвинута в работах В. Гейзенберга, советского физика-теоретика Д. Иваненко и итальянца Э. Майорана. Эта гипотеза появилась вслед за открытием нейтрона, но некоторое время физики думали, что в ядре наряду с протонами и нейтронами все-таки должны содержаться электроны — те, которые испускаются в виде бета-излучения. Во-вторых, теория Э. Ферми сделала гипотезу В. Паули выдающимся примером предоткрытия. Между предсказанием и прямой регистрацией нейтрино прошло около 35 лет, и некоторые вполне естественные сомнения, возникавшие за столь долгий срок, не идут ни в какое сравнение с редчайшим обстоятельством — на шатком, казалось бы, фундаменте гипотетического нейтрино вырос целый раздел физики элементарных частиц. И именно в этом главная заслуга работы Э. Ферми, где впервые было показано, что бета-радиоактивность обусловлена новыми особыми силами, которые значительно слабее электромагнитных. Благодаря слабому взаимодействию нейтрон превращается в протон, испуская одновременно электрон и антинейтрино.

Эта идея была в значительной степени основана на аналогии с квантовой электродинамикой, которая трактовала взаимодействие как испускание или поглощение фотона электрическими зарядами.

В теории Э. Ферми вместо электрических рассматривались особые «слабые заряды», а аналогом фотона стали пары электрон — нейтрино.

В том, что решающий эксперимент по обнаружению новой частицы произошел не скоро, «виноваты» сами нейтрино, точнее, их фантастическая проникающая способность. Оценка, которой пользовался В. Паули в своем знаменитом письме в Тюбинген, означала, что нейтрино должно свободно прошивать примерно 10-сантиметровую свинцовую пластинку. Впоследствии он любил приводить такой наглядный пример: нейтрино может «не заметить» и свинцовой стены толщиной в 100 световых лет.

Пример, конечно, не столько наглядный, сколько сногсшибательный. Посудите сами: световой год — это расстояние, которое способен пройти свет в пустоте за один земной год. Скорость света составляет примерно 3.1010 сантиметров в секунду, а год длится 3,16.107 секунд (кстати, удобнейшая приближенная формула для запоминания: п.107 секунд, где п — обычное школьное «пи»!), то есть один световой год равен 1018 сантиметров, а 100 световых лет соответственно равны 1020 сантиметров. Это на 10(!) порядков превышает радиус Солнца и примерно в три раза радиус ядра нашей Галактики. Отсюда ясно, по крайней мере, одно: нейтрино способно приносить информацию из таких уголков вселенной, откуда ни одна другая частица не выберется «живьем».

Разумеется, о проникающей способности говорят лишь в среднем, то есть каждое отдельное нейтрино может застрять в первом же миллиметре вашего письменного стола, а может и проскочить всю вселенную. Просто оба эти события маловероятны. Рассуждая о гигантской космической преграде, имеют в виду, что вероятность застревания нейтрино при наличии более толстой преграды, скажем, свинцовой стены толщиной более 100 световых лет, весьма велика. В общем, здесь все происходит по правилам квантовой механики: запустив на какую-либо мишень достаточно интенсивный пучок нейтрино, мы вскоре обнаружим редкие события его столкновений с частицами вещества. Но именно в этом и скрывались основные трудности в постановке решающего опыта нужен был действительно мощный поток нейтрино.

Необходимый поток антиподов нейтрино — антинейтрино достигался на некоторых ядерных реакторах, и благодаря этому американские физики сумели зарегистрировать реакцию такого типа: антинейтрино налетает на протон, они взаимодействуют, и в результате возникают нейтрон и позитрон. Это открытие состоялось в 1956 году. В 1962 году был обнаружен другой тип нейтрино, так называемое мюонное нейтрино, возникающее при распаде уже встречавшегося нам мю-мезона. Таким образом, «дублер» появляется не только у электрона (мюон!), но и у электронного нейтрино (мюонное нейтрино).

А теперь обсудим вторую нерешенную задачку, где в ответе появится пи-мезон — частица с едва ли не прямо противоположными свойствами, для которой буквально каждый сантиметр вещества таит смертельную опасность. Эта задачка возникла в связи с уже упоминавшейся неприятностью — в красивой картине протон-нейтронной модели ядра не хватало одной «мелкой детали» неясно было, что же удерживает рядом протоны и нейтроны, почему одноименно заряженные протоны не разлетаются в разные стороны.

В разрешении данной загадки значительную роль сыграла небольшая заметка советского физика-теоретика И. Тамма, опубликованная в журнале «Нэйче» («Природа») в 1934 году. Он предположил, что силы, действующие между протонами и нейтронами, обусловлены обменом парами квантов электронного и нейтринного полей. Эта идея следовала из аналогии с картиной взаимодействия электрических зарядов, например, электронов которые обменивались между собой фотоном. По замыслу И. Тамма, электрон-нейтринные пары, должны были «замещать» фотоны в задаче о взаимодействии протонов и нейтронов. Разумеется, теперь речь шла не об электрических, а о каких-то особых «ядерных зарядах». Силу взаимодействия между протонами и нейтронами можно было оценить непосредственно, исходя из теории Ферми, по той интенсивности, с которой нейтрон испускает электрон и антинейтрино, превращаясь при этом в протон. Но оказалось, что такое взаимодействие слишком слабо для поддержания стабильности атомных ядер! Однако идея И.Тамма проложила дорогу решению проблемы ядерных сил. Физикам стало ясно, что непосредственно применять готовые модели электромагнитных или слабых взаимодействий нельзя, соответствующие силы просто не смогут склеить протоны и нейтроны в ядре. Но в ограниченном виде аналогия с электродинамикой — там, где речь шла о некоторых обменных частицах — была вовсе не плоха. Именно из этого исходил двадцативосьмилетний физик-теоретик из Осакского университета X. Юкава, приступая к анализу природы новых сил, действующих в ядре. В 1935 году появилась его знаменитая статья, где была сформулирована гипотеза о существовании новых частиц — переносчиков взаимодействия между протонами и нейтронами, — квантах некоторого особого ядерного поля, наподобие фотонов, которые, как вы помните, являются квантами электромагнитного поля. Основываясь на известных ему оценках радиуса действия ядерных сил, X. Юкава рассчитал массу такой частицы, она должна была примерно в 200 раз превышать массу электрона. Величину «ядерного заряда» теперь уже можно было выбирать, не ограничиваясь теорией Ферми, а опираясь непосредственно на экспериментальные данные по взаимодействию протонов и нейтронов. Оказалось, что силы, действующие между ними, примерно в тысячу раз интенсивней электромагнитных. В результате получилась весьма неплохая модель устройства ядра, но, как это нередко встречается, сам автор воспринял ее излишне пессимистически — в конце статьи он указал, что придуманная им теория, по-видимому, неверна, поскольку… придуманную им частицу никто экспериментально не обнаруживал.

А судьба гипотезы о юкавских переносчиках взаимодействия между протонами и нейтронами, этих тяжелых квантах ядерного взаимодействия, оказалась и впрямь не очень простой. Начать с того, что уже в 1934 году первооткрыватель позитрона Ч. Андерсон со своим сотрудником С. Неддермейером обнаружили, что некоторые следы в камере Вильсона соответствуют частицам со значениями масс много больше электронной и много меньше протонной. Но X. Юкава ничего не знал об этих результатах! Официальное «открытие» новых частиц состоялось только в 1937 году, когда в одном и том же томе американского журнала «Физикал ревью» («Физическое обозрение») появились сообщения сразу двух групп, изучавших следы космических лучей. Юкавское значение массы оправдывалось с поразительной точностью!