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

Секрет Солнца – а в конечном итоге и секрет рождения света в Солнечной системе – был раскрыт. Бете получил Нобелевскую премию в 1967 г., и почти сорок лет спустя эксперименты с солнечными нейтрино подтвердили его предсказания. Нейтрино были ключевым наблюдаемым феноменом, позволявшим получить такое подтверждение. Дело в том, что вся цепочка начинается с реакции, в которой два протона сталкиваются и под влиянием слабого взаимодействия один из них превращается в нейтрон, что позволяет этим двум частицам слиться в ядро тяжелого водорода, известного как дейтерий, испустив при этом нейтрино и позитрон. Позитрон поглощается в недрах Солнца, а вот нейтрино, способное участвовать только в слабом взаимодействии, вылетает из Солнца и летит к Земле и дальше.

Каждую секунду в любой день более 400 триллионов подобных нейтрино проходят сквозь ваше тело. Их способность к взаимодействию настолько слаба, что нейтрино могло бы пройти в среднем сквозь десять тысяч световых лет сплошного свинца, прежде чем провзаимодействовать с чем-нибудь. Поэтому большинство нейтрино пролетают прямо сквозь вас и сквозь Землю, никак себя не проявляя, и никто этого не замечает. Но если бы не слабое взаимодействие, нейтрино бы не образовались, Солнце не светило бы – и нас бы здесь не было, так что это никого бы не волновало.

Таким образом, именно слабому взаимодействию, несмотря на его чрезвычайную слабость, мы в значительной степени обязаны своим существованием. И это одна из причин, по которым, когда придуманное Ферми взаимодействие и предсказанное им нейтрино оказались плохо соответствующими здравому смыслу, физики вынуждены были озаботиться и принять их во внимание. А в результате им пришлось очень серьезно изменить представления об окружающей реальности.

Стремительная смена событий в 1930-х гг., от открытия нейтрона до исследования природы нейтронного распада, вкупе с открытием нейтрино и последовавшим за ним открытием в природе нового универсального слабого взаимодействия, действующего на малых расстояниях, скорее запутала, чем вдохновила физиков. Блестящий марш, приведший в свое время к объединению электричества и магнетизма, а также к объединению квантовой механики и теории относительности, опирался в первую очередь на исследование природы света. Однако оставалось неясным, как элегантное теоретическое сооружение квантовой электродинамики могло бы направить исследования нового взаимодействия. Слабое взаимодействие по природе своей очень далеко от непосредственного человеческого опыта и при этом имеет дело с новыми и весьма экзотическими элементарными частицами и ядерными превращениями, которые чем-то напоминают алхимические трансмутации, но, в отличие от них, проверяемы и воспроизводимы.

Фундаментальная проблема была связана в первую очередь с природой самого атомного ядра и вопросом о том, что удерживает вместе его частицы. Открытие нейтрона помогло разрешить парадокс, который ранее, казалось, требовал присутствия в ядре электронов для компенсации заряда дополнительных протонов, необходимых для получения верной атомной массы, однако наблюдение бета-распада, в результате которого из ядра вылетали электроны, не помогло делу.

Понимание того, что в процессе бета-распада нейтроны в ядре превращаются в протоны, кое-что прояснило, но затем естественным образом возник следующий вопрос: может ли это превращение как-то объяснить сильную связь, удерживающую протоны и нейтроны вместе внутри ядра?

Несмотря на очевидные различия между слабым взаимодействием и квантовой теорией электромагнетизма (КЭД), на размышления физиков о слабом взаимодействии влиял и замечательный успех КЭД в описании поведения атомов и взаимодействия электронов со светом. Математические симметрии, связанные с КЭД, прекрасно работали, обеспечивая исчезновение бесконечностей в расчетах для предсказания физических величин, связанных с обменом виртуальными частицами. Что, если нечто подобное помогло бы нам разобраться в силах, связывающих протоны и нейтроны в ядре?

А именно: если электромагнитная сила является результатом обмена частицами, то разумно предположить, что сила, связывающая составляющие ядра воедино, также может быть результатом обмена частицами. Вернер Гейзенберг предложил эту идею в 1932 г., примерно в то же время, когда был открыт нейтрон. Если протоны и нейтроны способны превращаться друг в друга, причем протон поглощает электрон, чтобы стать нейтроном, то, возможно, этот самый обмен электронами между ними может каким-то образом порождать связующую силу?

Однако эту красивую картину портило множество хорошо известных проблем. Первой из них была проблема спина. Если предполагать, как это сделал Гейзенберг, что нейтрон, по существу, состоит из протона и электрона, связанных воедино, и поскольку обе эти частицы обладают полуцелым спином, то их соединение в виде нейтрона никак не может тоже иметь полуцелый спин, поскольку ½ + ½ не может равняться ½. Гейзенберг возражал, в отчаянии – ведь то были отчаянные времена, когда, казалось, рушились все традиционные правила, – что тот «электрон», который передается между нейтронами и протонами и связывает их вместе в ядре, отличается некоторым образом от свободного электрона и вообще не имеет спина.

Задним числом можно заметить, что в этой картине есть своя проблема. Гейзенберг склонен был считать именно электроны средством связи протонов и нейтронов, потому что размышлял он не о чем-нибудь, а о молекулах водорода. В водороде H2 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.