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

Через два с половиной года Ферми был в штате Нью-Мексико и наблюдал первый ядерный взрыв – операцию под кодовым названием «Тринити». Что характерно для Ферми, пока остальные просто стояли, с восторгом и ужасом наблюдая за происходящим, он провел импровизированный эксперимент по оценке мощности взрыва; при подходе ударной волны он бросил в воздух несколько полосок бумаги, чтобы посмотреть, как далеко их унесет.

Стремление Ферми при любой возможности ставить физические эксперименты – одна из причин, по которым я чту его память. Он всегда находил простой, легко реализуемый способ найти верный ответ. Хотя Ферми прекрасно владел математическими методами, он не любил сложностей и понимал, что если приближенный, «достаточно хороший» ответ можно получить за короткое время, то на получение точного ответа могут уйти месяцы и даже годы. Он оттачивал свои способности и помогал в этом студентам, придумывая то, что мы сегодня называем «задачами Ферми»; говорят, он задавал их своим сотрудникам каждый день во время ланча. Моя любимая задача, которую я всегда задаю своим новым студентам-физикам, звучит так: «Сколько в Чикаго настройщиков роялей?» Попробуйте решить ее. Если вы получите ответ в диапазоне от ста до пятисот, вы неплохо справились.

Ферми получил Нобелевскую премию за экспериментальную работу, но его теоретическое наследие может быть куда более ценным. По обыкновению, «теория», предложенная им в знаменитой отвергнутой статье о распаде нейтрона, была замечательно простой, но при этом выполняла поставленную задачу. Конечно, это вовсе не было полноценной теорией, но в то время даже пытаться разрабатывать такую теорию было бы преждевременно. Вместо этого он сделал простейшее возможное допущение – представил себе некий новый тип взаимодействия между частицами, действующий в одной точке. Частиц предполагалось четыре – нейтрон, протон, электрон и та новая частица, которую Паули и Ферми назвали нейтрино.

Рассуждения Ферми, как и почти вся современная физика, начинается с упоминания света; в данном случае речь шла о современной квантовой теории взаимодействия света с веществом. Вспомните, что Фейнман, доказывая существование антивещества, придумал графический метод анализа фундаментальных процессов в пространстве и времени. Здесь воспроизведена пространственно-временная картина электрона, испускающего фотон, но с заменой электрона на протон p.

Ферми представил распад нейтрона аналогичным образом, но вместо нейтрона, испускающего фотон и остающегося при этом собой, то есть всё тем же нейтроном, нейтрон n у него испускал пару частиц – электрон e и нейтрино n – и превращался в протон p.

В электромагнетизме сила взаимодействия между заряженными частицами и фотонами (определяющая вероятность излучения фотона в точке, показанной на первом рисунке) пропорциональна заряду частицы. Поскольку именно заряд позволяет частицам взаимодействовать с электромагнитным полем, мы называем величину фундаментального кванта заряда – заряд единичного электрона или протона – постоянной взаимодействия электромагнетизма.

Во взаимодействии, которое рассматривал Ферми, вероятность превращения нейтрона в протон определяется численной величиной, которая проявляется в момент взаимодействия, изображенный на рисунке, когда и происходит превращение. Значение этой величины определяется экспериментально, и сегодня мы называем ее постоянной Ферми. По отношению к электромагнетизму численное значение этой величины мало, потому что нейтрон не спешит распадаться, сравнительно, например, со скоростью электромагнитных переходов в атоме. В результате взаимодействие Ферми, описывающее новую фундаментальную силу, стало известно как слабое взаимодействие.

Один из моментов, делавших гипотезу Ферми столь замечательной, состоял в том, что впервые в физике кто-то предположил, что в квантовом мире могут спонтанно возникать не только фотоны, но и какие-то другие частицы. (В данном случае в момент превращения нейтрона в протон возникают электрон и нейтрино.) Это послужило катализатором и прототипом для дальнейших исследований квантового характера фундаментальных взаимодействий в природе.

Более того, этот подход не только объяснял уже имеющиеся наблюдения. Он позволял делать предсказания благодаря тому, что единственная математическая форма, отражавшая взаимодействие, вызывающее распад нейтрона, предсказывала также массу других явлений, которые позже удалось наблюдать экспериментально.

Что еще важнее, это взаимодействие, причем в точности той же силы, управляет аналогичными распадами других частиц в природе. Так, в 1936 г. первооткрыватель позитрона Карл Андерсон обнаружил в космических лучах еще одну новую частицу – первую из тех, многочисленность которых позже заставит специалистов по физике элементарных частиц гадать, кончатся ли они когда-нибудь. Говорят, что при известии об этом открытии физик-атомщик, позже лауреат Нобелевской премии, Исидор Айзек Раби воскликнул: «А это кто заказывал?»

Сегодня мы знаем, что эта частица, называемая мюоном и обозначаемая греческой буквой m, представляет собой, по существу, точную копию электрона, только тяжелее примерно в двести раз. Большая масса позволяет ей распадаться с образованием электрона и нейтрино в ходе взаимодействия, которое выглядит в точности так же, как распад нейтрона, за исключением того, что мюон при этом превращается не в протон, а в нейтрино другого типа (называемое мюонным). Замечательно, что, если при расчете силы этого взаимодействия воспользоваться уже известной нам постоянной Ферми, мы получим в точности верное время жизни для мюона.

Очевидно, здесь работает новое фундаментальное взаимодействие, универсальное по своей природе, в чем-то схожее с электромагнетизмом и в чем-то важном от него отличающееся. Во-первых, это взаимодействие намного слабее. Во-вторых, в отличие от электромагнетизма, это взаимодействие, судя по всему, работает только на малых расстояниях – в модели Ферми вообще фигурировала точка. Не бывает так, чтобы нейтроны превращались в протоны в одном месте и при этом вызывали превращение электронов в нейтрино в другом, тогда как взаимодействие между электронами и фотонами позволяет электронам обмениваться виртуальными фотонами и отталкиваться друг от друга даже на больших расстояниях. В-третьих, это взаимодействие превращает частицу одного типа в частицу другого. В электромагнетизме возможно создание и поглощение фотонов – квантов света, но заряженные частицы, которые с ними взаимодействуют, остаются сами собой как до, так и после взаимодействия. Тяготение тоже действует на больших расстояниях, и, когда мяч падает на землю, он остается мячом. А вот слабое взаимодействие заставляет нейтроны распадаться и превращаться в протоны, мюоны – в нейтрино и т. д.

Ясно, что слабое взаимодействие отличается от взаимодействий других типов, но вы можете спросить, стоит ли об этом беспокоиться. Распад нейтрона, конечно, интересен, но, к счастью, нас от него защищают свойства атомных ядер, и потому существуют стабильные атомы. Создается впечатление, что слабое взаимодействие практически никак не сказывается на нашей повседневной жизни. В отличие от гравитации и электромагнетизма, непосредственно мы его не ощущаем. Если бы слабое взаимодействие не имело других проявлений, его аномальную природу можно было бы легко упустить из виду.