Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Поєднавши ідеї Фермі й Гайзенберга та узагальнивши ідеї успішної квантової теорії електромагнетизму, Юкава вигадав кмітливий спосіб досягти цього. Якщо замість фотона нейтрони в ядрі випускали нову, важку, безспінову заряджену частинку, – яку Юкава спершу називав мезотроном, аж доки Гайзенберг не відкоригував грецьку Юкави й не скоротив назву до «мезона», – то ця частинка могла поглинатися протонами ядра, породжуючи силу тяжіння, величину якої Юкава зміг обчислити за допомогою рівнянь, екстрапольованих з, як неважко здогадатися, електромагнетизму.

Утім, аналогія з електромагнетизмом не могла бути точною, оскільки мезон масивний, а протон безмасовий. Юкава вчинив так, як міг би вчинити Фермі, якби додумався до цього. Так, теорія була неповна, проте Юкава був ладен проігнорувати ті аспекти електромагнетизму, які його теорія не могла відтворити. Грець із ними, з торпедами, повний вперед.

Юкава винахідливо – і зрештою неправильно – поєднав цю сильну силу зі спостережуваним нейтронним розпадом, припустивши, що простий обмін мезонами між нейтронами й протонами в ядрі може відбуватися не завжди. Дещиця випущених нейтронами мезонів може ще до поглинання розпастися в польоті на електрон і нейтрино, спричиняючи нейтронний розпад. У цьому разі нейтронний розпад виглядатиме не так, як на лівому з рисунків нижче, де розпад і випускання всіх інших частинок відбуваються в тій самій точці. Він виглядатиме, як на рисунку праворуч, де розпад розтягнутий у часі, а нова частинка, відмічена пунктиром (який позначає мезон Юкави), після випускання долає невелику відстань, а тоді розпадається на електрон і нейтрино. Додавання цієї нової проміжної частинки робить слабку взаємодію, яка опосередковано спричиняє нейтронний розпад, більш схожою на електромагнітну взаємодію між зарядженими частинками:

Юкава запропонував нову проміжну частинку, важкий мезон, який зробив нейтронний розпад подібним до вже знайомої нам картини фотонного обміну в електромагнетизмі, – який, власне, і спонукав його міркувати в цьому напрямку, – проте із суттєвими відмінностями. У цьому випадку проміжна частинка була одночасно масивною й електрично зарядженою, а також, на відміну від фотона, не мала обертального кутового моменту.

Утім, Юкава зміг показати, що у випадку важкого мезона його теорія не відрізняється від точкової взаємодії Фермі, яка описує нейтронний розпад, принаймні в плані передбачення подробиць нейтронного розпаду. Окрім того, теорія Юкави пропонувала спосіб звести всі дивні властивості ядра – від бета-розпаду нейтронів усередині ядра до сили взаємодії, що зв’язувала докупи протони й нейтрони – до простого розуміння властивостей лише однієї нової взаємодії, що була результатом обміну новою частинкою, а саме його мезоном.

Однак якщо цей новий мезон дійсно існує, то де він є? Чому його ще не виявили в космічних променях? Через це, а також через те, що Юкава був невідомо ким і працював далеко від центру подій, на його варіант пояснення як сильної взаємодії між нуклонами, так і слабкішої, яка, судячи з усього, була відповідальна за нейтронний розпад, ніхто не звернув особливої уваги. Разом із тим його варіант, на відміну від варіантів Гайзенберга та інших, зокрема Фермі, був простішим та більш осмисленим.

Усе змінилося 1936-го, менш ніж через два роки після передбачення Юкави, коли Карл Андерсон, першовідкривач позитрона, спільно із Сетом Неддермайєром виявили в космічних променях щось, що виглядало новим набором частинок. З характеристик треків цих нових частинок у камерах Вільсона випливало, що вони продукували замало радіації в матерії, крізь яку проходили, щоб бути протонами чи електронами. Вони також були масивніші за електрони і в одних випадках поводилися як позитивні, а в інших – як негативні. Дуже скоро виявилося, що ці частинки мають масу в діапазоні, приблизно у двісті разів більшому за масу електрона, як і передбачив Юкава.

Дивовижно, наскільки швидко решта світу на це пристала. Юкава опублікував коротку замітку, у якій зазначив, що його теорія передбачила існування саме таких частинок. Уже за кілька тижнів найкращі фізики Європи почали вивчати його модель і впроваджувати його ідеї у свої роботи. 1938 року, на останній великій конференції перед тим, як Друга світова війна перервала практично всю міжнародну наукову співпрацю, троє з восьми основних доповідачів присвятили свої виступи теорії Юкави, цитуючи ім’я, зовсім не відоме їм лише рік чи два тому.