Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность - читать онлайн книгу. Автор: Пол Халперн cтр.№ 38

Мир частиц таким образом становился проще.

Уилер полагал, что его страсть к минимализму произрастает из протестантского воспитания. Он был всю жизнь унитарианцем, представителем религиозного направления, которое извлекает унифицирующий принцип из разноплановых верований. Следуя этому принципу, он ревностно искал сущность вещей, заглядывал под поверхностные различия.

Как мебельщик, который в процессе работы использует пилу, молоток и гвозди, Уилер считал простоту достоинством. Материалы, с которыми он имел дело, могли меняться со временем, но отношение к основам мироздания оставалось всегда одинаковым.

Он описывал свою страсть следующим образом:

«И с течением времени все громче, вне сомнений, звучала литания, которую многие студенты были обучены повторять с бессмысленной верой, точно катехизис: есть четыре базовых силы, сильное взаимодействие, слабое, электромагнетизм и гравитация. Только мое протестантское происхождение вынудило меня отвергнуть этот катехизис. Какую более простую веру мог я поместить на освободившееся место? Идеалы простоты и единства, недосягаемые ныне и, возможно, лежащие во многих годах от настоящего. Возьмем одну силу, электромагнетизм, и попробуем узнать, где находятся ее пределы. Единственный этот шаг создал программу, достаточно четкую и амбициозную, чтобы я мог всецело посвятить себя ей»⁴⁹.

Работая в рамках идеологии упрощения, Уилер был не прочь произвести все известные частицы и силы от электронов и позитронов. Он опубликовал статью, в которой использовал термин «полиэлектроны», чтобы описать сорт «атомов» или «молекул», созданных из пар электрон-позитрон. Неким образом он надеялся идентифицировать такие конструкты среди обитателей царства частиц.

Пара из одного электрона и одного позитрона дает на удивление нестабильную пародию на атом, именуемую «позитронием», два атома позитрония создают молекулу дипозитрония. Инновация Уилера состояла в том, что он представлял мир, построенный только из электронов и позитронов, сгруппированных в атомы и молекулы, неким образом более фундаментальный, чем стандартная смесь из протонов, нейтронов и электронов.

И пусть в конечном итоге стало ясно, что протоны и нейтроны не могут состоять из электронов и позитронов, он все же находился на верном пути.

Десятилетиями позже ученые поняли, что протоны и нейтроны сложены из кварков и антикварков, которые как точечные частицы могут быть кузенами электронов и позитронов. Так что семья фундаментальных частиц оказалась больше, чем некогда полагал Уилер.

Исследование по поводу полиэлектронов, пусть чисто умозрительное, вызвало одобрение. Нью-Йоркская академия наук, уважаемая группа ученых, наградила Уилера в 1947 году престижной премией Кресси Моррисона и по этому поводу напечатала статью в своем ежегоднике. Эта премия стала первой в числе многочисленных наград, которые наш герой получил за долгую карьеру.

К этому времени как раз возникло понимание того, что в природе существуют три – максимум четыре – фундаментальных силы. Теоретики пытались разобраться в их взаимодействиях, используя язык квантовой механики.

Уилер и Фейнман сосредоточились на электромагнетизме, который долго изучали с классической точки зрения, используя уравнения Максвелла, хотя он нуждался и в квантовом описании. Другим хорошо изученным взаимодействием была гравитация, признанным ее толкованием стала общая теория относительности Альберта Эйнштейна.

Несколько ученых попытались квантовать ее, но без особого успеха.

Теории электромагнетизма и гравитации объясняли невероятно широкий спектр феноменов – от работы моторов до вращения планет, но их нельзя было приложить к некоторым явлениям, имеющим место в атомном ядре. Взять хотя бы радиоактивный распад нейтронов на протоны, электроны и (о чем узнали позже) антинейтрино. Этому процессу, названному «бета-распадом», недоставало полного объяснения, несмотря на попытки Энрико Ферми и других описать его.

Целостное описание, в создании которого Фейнман сыграл одну из главных ролей, породило термин «слабое взаимодействие».

Другой важный процесс, требовавший удовлетворительного объяснения, крылся в силе, склеивавшей между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в пределах атомного ядра. Мощное притяжение, действующее на очень коротких дистанциях, позже было названо «сильным взаимодействием».

В 1935 году Хидеки Юкава предложил его возможное обоснование, включавшее обменную частицу, названную «мезотрон», позже переименованную просто в «мезон». Мезоны, в отличие от фотонов, обладали массой, и как тяжелые шары для боулинга, которые высоко не подбросишь, их можно было передвинуть только на небольшое расстояние. Поэтому сильное взаимодействие ограничено субатомным уровнем.

По странному совпадению, в следующем году Карл Андерсон и Сет Неддермайер, занимавшиеся анализом космического излучения, обнаружили в нем частицу, грубо соответствующую по массе теории Юкавы. Ее назвали мю-мезон или короче «мюон».

Увы, вскоре стало ясно, что мю-мезон не полностью годится на место мезона. Фактически, если попытаться с его помощью связать вместе частицы в ядре, все закончится неудачей. Мюоны даже не подвергаются сильному взаимодействию, они, по всей видимости, не играют особой роли, они просто существуют в космических лучах и рождаются в различных процессах.

Имея в виду такую бесцельность их существования, физик Исидор Раби задал свой известный вопрос: «Кто это заказал?»

Настоящая частица из схемы Юкавы, названная пи-мезоном или «пионом», была найдена в 1947 году во время другого эксперимента по анализу космического излучения. Пионы – массивные частицы короткого радиуса действия, которые отвечают на сильное взаимодействие и полностью вписываются в теорию. Прошли десятилетия, прежде чем ученые сообразили, что и эти штуки не являются фундаментальными, что по-настоящему механизм сильного взаимодействия включает глюоны, другой тип обменных частиц.

Уилер надеялся, что его полиэлектроны помогут создать модели мезонов и других частиц из космических лучей. Конструируя мезоны из строительных блоков в виде пар электрон-позитрон, он мечтал объяснить изобилие экзотических частиц и сил только с помощью знакомого всем электромагнетизма и банального электрона.

Как таблица Менделеева показывает, что химические элементы состоят из ядра и электронов, возможно, расположенные в определенном порядке полиэлектроны, думал он, помогут представить в таком же виде элементарные частицы. После открытия пионов Уилер сказал «Нью-Йорк Таймс»: «Все более повышается вероятность того, что все более тяжелые частицы состоят неким образом, каким, пока неясно, из позитивных и негативных электронов»⁵⁰.

Но он никогда не был человеком, который ставит все на одну лошадь, да и взгромоздить научную репутацию на спину умозрительной, недоказанной гипотезе, такой как полиэлектронная – не очень мудро.

Поэтому во второй половине сороковых и в начале пятидесятых Уилер опубликовал немало статей по более традиционным для ядерной физики и физики частиц темам: описания мюонных и пионных взаимодействий, дискуссии насчет источника космических лучей, анализ определенных процессов, в которых излучаются два фотона.