Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке - [8]

Что еще важнее, наблюдение рассеяния альфа-частиц на большие углы убедило Резерфорда, что основная часть массы и положительный электрический заряд сконцентрированы в малом объеме ядра атома. Раньше считалось, что атом представляет собой нечто вроде пудинга, в котором электроны распределены, как изюм среди равномерно размазанного положительного заряда. Открытие ядра стало первым в серии важных открытий, сделанных Нильсом Бором (который приезжал в Манчестер), Луи де Бройлем, Эрвином Шрёдингером и Вернером Гейзенбергом, которые и привели к созданию современной квантовой механики.

После этого бурного старта на пути квантовой механики образовалось два явных и существенных для развития фундаментальной физики препятствия. Одно из них связано с распространением принципов квантовой механики на частицы, скорость которых близка к скорости света, а значит, частицы должны подчиняться специальной теории относительности Эйнштейна (СТО). Поль Дирак обобщил волновое уравнение Шрёдингера и получил релятивистское волновое уравнение[12]. Тогда казалось, что предсказание существования дробного спина 1/2 у элементарных частиц — это огромная победа, однако теперь мы знаем, что это был скорее провал, чем успех[13]. Существуют частицы с целочисленным спином 1, например W- и Z-бозоны, которые являются такими же элементарными частицами, как электрон, и многие ученые считают, что на БАК будет открыта такая же элементарная частица с нулевым спином[14]. Кроме того, уравнение Дирака было крайне затруднительно приложить к системам, состоящим из более чем одного электрона. Будущее оказалось за квантовой теорией поля[15], созданной в результате совместной работы разных групп ученых, например команды Макса Борна, Гейзенберга и Паскуаля Йордана в 1926 г., Гейзенберга и Вольфганга Паули в 1926 г. и Паули и Виктора Вайскопфа в 1934 г. (Вайскопф как-то рассказал мне, что в одной из своих поздних статей Паули собирался показать ошибочность теории Дирака о необходимости дробного спина 1/2 и построить удобную и разумную теорию частиц с нулевым спином.) Квантовая теория поля впервые была применена Ферми в 1933 г. в его теории бета-распада, а затем стала математической основой для большей части успешных теорий элементарных частиц[16].

Второе очевидное препятствие было связано с атомным ядром. Высокий кулоновский барьер не позволял альфа-частицам, источником которых в лаборатории Резерфорда служил радий, проникать в атомное ядро[17]. Для решения именно этой проблемы началось развитие ускорителей частиц.

Прогресс в этих направлениях в 1930-е гг. был затруднен из-за странного нежелания теоретиков предлагать новые частицы. Вот три примера.

Во-первых, гладкое распределение электронов, испущенных в результате бета-распада, по энергиям, которое было обнаружено Джеймсом Чедвиком в 1914 г., противоречило предположению о том, что каждый электрон уносит всю энергию перехода ядра из одного состояния в другое, поскольку в этом случае у всех электронов была бы одна и та же энергия, равная разности энергий начального и конечного состояний ядра. Открытие Чедвика было настолько загадочным, что Бор даже допускал нарушение закона сохранения энергии при таком распаде. Высказанное в 1930 г. предложение Паули о введении нового типа частиц — нейтрино — большей частью ученых было встречено скептически, и этот скепсис окончательно исчез только после того, как четверть века спустя нейтрино были обнаружены в экспериментах[18].

Во-вторых, Дирак поначалу предполагал, что «дырки» в электронном «море», соответствующие состояниям электронов с отрицательной энергией в его теории, — это протоны, единственные известные тогда частицы с положительным электрическим зарядом, несмотря на то что такое предположение противоречило бы наблюдаемому факту стабильности каких-либо атомов, так как электроны в атомах могли бы проваливаться в эти «дырки». Позже Дирак отказался от такой трактовки, однако открытие позитронов в космических лучах Карлом Андерсоном и Патриком Блэкеттом в 1932 г. стало неожиданностью для большинства физиков, в том числе и для самих Андерсона и Блэкетта[19].

В-третьих, чтобы придать атомным ядрам соответствующие массы и заряды, физики сначала предположили, что ядра состоят из протонов и электронов. При этом они понимали, что вследствие этого допущения ядро азота-14 становится фермионом, тогда как исследования молекулярного спектра уже показали, что ядро азота-14 — бозон[20]. Окончательно нейтроны признали только после их открытия Чедвиком в 1932 г.

Сегодня это былое нежелание предлагать новые частицы даже в тех случаях, когда существовала очевидная теоретическая необходимость, кажется довольно странной. Современный физик-теоретик вряд ли добьется признания, если не введет хотя бы одну новую частицу, существование которой не подтверждено экспериментально. А в 1935 г. Хидэки Юкава потребовалась большая смелость, чтобы предположить, основываясь на приобретенном к тому времени знании о расстояниях ядерного взаимодействия, существование бозона с массой порядка 100 МэВ[21], которым обмениваются взаимодействующие протоны и нейтроны.