Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

За свою експериментальну роботу Фермі отримав Нобелівську премію, проте не виключено, що його теоретичний спадок у фізиці значно видатніший. Як і належить, «теорія», яку він запропонував у своїй славетно відхиленій статті на тему нейтронного розпаду, була напрочуд простою, проте робила свою справу. Це зовсім не була вичерпна теорія, і на той час розробляти таку було б передчасно. Натомість він зробив найпростіше припущення з можливих. Він уявив собі деякий новий різновид взаємодії між частинками, яка відбувалася в одній точці. Чотирма частинками-учасницями були нейтрон, протон, електрон і нова частинка, яку Паулі й Фермі нарекли нейтрино.

Відправна точка міркувань Фермі стосувалася світла, як і майже вся сучасна фізика, а в цьому випадку – сучасна квантова теорія взаємодії світла з матерією. Пригадаймо, що Фейнман, коли доводив необхідність існування антиматерії, розробив графічну композицію для розмірковувань про фундаментальні процеси в просторі й часі. Нижче відтворена просторово-часова картина електрона, який випускає фотон, але цього разу місце електрона займає протон р :

Фермі уявив собі розпад нейтрона аналогічним чином, проте замість того, щоб випустити фотон і залишитися тією ж частинкою, нейтрон n випускає пару частинок, електрон е й нейтрино n , після чого перетворюється на протон р :

В електромагнетизмі сила взаємодії між зарядженими частинками й фотонами (від якої залежить імовірність випускання фотона в точці, показаній на першому рисунку на попередній сторінці) пропорційна заряду цієї частинки. Оскільки саме заряд дозволяє частинкам взаємодіяти, або ж «зв’язуватися» з електромагнітним полем, величина фундаментального кванта заряду – заряд одного електрона чи протона – називається «сталою зв’язку» електромагнетизму.

У взаємодії Фермі числова величина, що виникає в точці взаємодії на рисунку, де нейтрон перетворюється на протон, визначає ймовірність такого перетворення. Значення цієї величини визначено експериментально, і нині ми називаємо його сталою Фермі. Для електромагнетизму числове значення цієї величини мале, оскільки розпад нейтрона займає багато часу порівняно, скажімо, з частотою електромагнітних переходів в атомах. Як наслідок взаємодія Фермі, яка описує нову силу природи, стала відома як слабка взаємодія.

Одним із факторів, що зробили пропозицію Фермі настільки визначною, було те, що вперше у фізиці хтось висловив думку, що у квантовому світі можуть спонтанно виникати не лише фотони, а й інші частинки (у цьому випадку одночасно з перетворенням нейтрона на протон створюються електрон і нейтрино). Це стало одночасно джерелом натхнення й прототипом для значної частини подальших досліджень квантового характеру фундаментальних сил природи.

Мало того, вона була не лише післябаченням щодо природи. Вона робила передбачення якраз через те, що поодинока математична форма взаємодії, яка змушує нейтрон розпадатися, також здатна передбачити купу інших явищ, що були виявлені пізніше.

Ще важливішим є те, що ця взаємодія з точно такою ж силою керує аналогічними розпадами інших частинок, які існують у природі. Приміром, 1936 року Карл Андерсон, «автор» позитрона, відкрив у космічних променях іще одну частинку, першу з настільки багатьох, що фізики в галузі елементарних частинок іще дивуватимуться, чи закінчиться ця послідовність коли-небудь. Кажуть, що, дізнавшись про це відкриття, фізик-атомник і майбутній Нобелівський лауреат І. А. Рабі вигукнув: «Хто це замовив?»

Нині ми знаємо, що ця частинка, яка зветься мюоном і позначається грецькою літерою m, є, по суті, точною копією електрона, хіба що разів у двісті важчою. Оскільки вона важча, то може розпадатися, випускаючи електрон і нейтрино внаслідок взаємодії, що виглядає ідентичною нейтронному розпаду, хіба що мюон перетворюється не на протон, а на інший тип нейтрино (який називається мюонним нейтрино). Як не дивно, якщо використати як значення сили цієї взаємодії ту саму сталу Фермі, одержимо точний час життя мюона.

Очевидно, що тут діє нова фундаментальна сила, універсальна для всієї природи з деякими подібностями та деякими суттєвими відмінностями порівняно з електромагнетизмом. По-перше, ця взаємодія значно слабкіша. По-друге, на відміну від електромагнетизму, ця взаємодія за всіма ознаками діє лише в невеликому околі – у моделі Фермі взагалі в одній точці. При перетворенні на протони в одному місці нейтрони не змушують електрони обертатися на нейтрино десь в іншому місці, тоді як взаємодія між електронами й фотонами дозволяє електронам обмінюватися віртуальними фотонами й відштовхувати один одного навіть на величезних відстанях. По-третє, ця взаємодія змінює один тип частинок на інший. Електромагнетизм пов’язаний зі створенням та поглинанням фотонів, квантів світла, проте заряджені частинки, які взаємодіють із ними, зберігають свою ідентичність як до, так і після акту взаємодії. Гравітація також далекосяжна, і коли м’яч падає на землю, він залишається м’ячем. А от слабка взаємодія примушує нейтрони розпадатися й перетворюватися на протони, мюони – на нейтрино тощо.