Ирина Радунская - Кванты и музы
К 1927 году новая физика обрела права гражданства. Волны, бушующие вокруг центра научных битв — Копенгагена, разбегались по всему свету и не могли не достичь Япо нии. В это время в Киотском университете готовился стать физиком двадцатилетний Юкава. Окончив учёбу в 1929 году, он был полон отваги и намерения сокрушить загадки мироздания. Какая же первой попалась ему под руку?
Родись он чуть раньше и вступи в XX век зрелым учёным, он, возможно, посчитал бы, что знает об окружающем мире всё или почти всё. В начале века учёным, воспитанным на классической физике, мир казался ясным, как дважды два, и сотворённым из двух сортов частиц — электронов и протонов. Из этих элементарных частиц они мыслили себе строение всех вещей и предметов: звёзд и земли, цветов и людей. Из них казался построенным весь простой и сложный, многообразный мир: вода и воздух, горы и долины, Азия, Африка, Европа — в общем, всё и вся.
Но то поколение, к которому принадлежал Юкава и старший на двенадцать лет Тамм, в это больше не верило. Молодые всё больше ощущали чувство неблагополучия. Им никак не удавалось поверить в то, что множество различных элементов образуется из двух сортов материи.
Сомнения усилились ещё больше после того, как в 1932 году англичанин Чедвик открыл ещё одну частицу — нейтрон, во многом похожий на знакомый уже протон, но совершенно лишённый электрического заряда. Иваненко и Гейзенберг сразу попытались пустить новую частицу в дело: с её помощью они начали мысленно строить новую модель ядра атома. Партнёром нейтрона они взяли старую частицу — протон. Модель хорошо описывала многие свойства атомных ядер, но в ней не хватало самого главного. Тайной за семью печатями оставался вопрос о том, как протонам и нейтронам удаётся сплестись в столь прочный клубок, каким является атомное ядро. Ведь это не дом, где кирпичи связаны цементом, не машина, части которой соединены заклёпками, не живой организм из клеток. Что же такое — атомное ядро? Что связывает его в единое целое? Короче, какова природа ядерных сил?
В том же, 1932 году Тамм, который в это время руководил кафедрой теоретической физики в Московском университете, высказал предположение, что протоны и нейтроны удерживаются внутри ядер неизвестными ещё мощными силами, которые создаются при участии электронов. Это была обнадёживающая гипотеза, но расчёты показали Тамму, что сила эта получается в тысячу миллиардов раз слабее, чем нужно для удержания протонов в ядре. А ядра тем не менее существуют! Мир всё ещё не развалился на части! Скрепя сердце Тамм отказался от своей гипотезы.
Но ход мысли был дан. Указан путь. И эстафету принял молодой Юкава. Да, размышлял он, ядра существуют. Это объективная истина. Вероятно даже, что они действительно построены из нейтронов и протонов. Несомненно даже, что какие-то, пока неизвестные, силы удерживают их в ядрах. Но совсем не обязательно, чтобы эти силы создавались именно электронами. Быть может, тут замешаны иные частицы? Ещё неизвестные? Если есть три сорта частиц, почему бы не быть четвёртому?
Юкава решил выяснить это, описав строго математически, без натяжек и упрощений, с учётом всех возможных фактов то, что было известно о ядре. Он решил довериться математике — пусть уравнения сами вскроют природу новых частиц, найдут силовое поле, способное сцементировать атомное ядро.
И Юкава написал систему уравнений, объединяющих в себе квантовую теорию и теорию относительности, два самых мощных орудия современной физики. Что же сказали уравнения? Они показали Юкаве неизвестное дотоле особое ядерное поле, обладающее уникальными свойствами. Оно достигает на малых расстояниях от центра ядра колоссальной величины, но быстро убывает в пространстве. Юкава, как говорят, на кончике пера нашёл и частицы, образующие это поле. Он назвал их мезонами — «промежуточными», потому что уравнения сообщили ему величину их массы. Она должна быть в 200 раз больше, чем у электронов, и в 9 раз меньше, чем у протонов и нейтронов.
Картина строения ядер, нарисованная Юкавой, поразила учёных. Она была гениальна и проста.
Представьте себе такую ситуацию. Вдоль дороги идут двое. Не останавливаясь, они всё время перебрасывают друг другу мяч. Мяч связывает их, не даёт им ни разойтись, ни сблизиться вплотную. Если издали смотреть на этих людей, то мяча не видно, и можно думать, что их удерживают друг возле друга некие незримые силы. Подобные силы притяжения испытывают протоны и нейтроны в атомном ядре — говорит теория Юкавы. Они всё время перебрасываются мезонами, они могут без отдыха миллионы веков играть этим своеобразным, связывающим их «мячом». И вечно будет существовать окружающий нас мир, следуя этому мудрому закону природы.
— Так Юкава разрубил запутанный узел, — закончил свой рассказ об удивительных событиях науки не таких уж далёких дней Игорь Евгеньевич Тамм. — Он нас всех поразил. И продемонстрировал мощь японской физики.
Несмотря на впечатляющее действие этой теории, она долгое время разделялась далеко не всеми физиками. Вспомните, найденный Юкавой «мяч» должен быть по массе в 200 раз тяжелее электрона. Но таких частиц тогда не знали. Мало кто из физиков соглашался поверить в их существование. Юкава не экспериментатор, а теоретик, следующий шаг должны были сделать экспериментаторы.
Оставалось ждать. У Юкавы оказались крепкие нервы. Он объявил учёным, что следует активно искать новые частицы, они должны быть найдены. Без них немыслимо существование атома.
И эти частицы действительно были обнаружены. Но не сразу. На это потребовалось около десяти лет. Правда, уже через год американец Андерсон сообщил, что он открыл частицы с массой, равной 207 массам электрона. Он назвал их мезонами. Однако вскоре выяснилось, что эти мезоны — вовсе не те мезоны, которые предсказал Юкава. И лишь разработав сверхчувствительную методику, англичанин Поуэл в 1947 году нашёл мезоны Юкавы.
За это время Юкава уже стал членом Японской академии наук. А через два года, в 1949 году, он получил официальное мировое признание, став лауреатом Нобелевской премии, и его пригласили преподавать в Колумбийский университет. В 1966 году Юкава был избран иностранным членом АН СССР.
После того как была завершена теория ядерных сил, начался короткий период относительного спокойствия в этой области физики. Внимание учёных переключилось на другие животрепещущие проблемы. Тамм заинтересовался природой таинственного излучения Вавилова — Черенкова и вместе с академиком Франком построил его полную теорию. Она была настолько важным вкладом в физику, что была удостоена Государственной и Нобелевской премий. Затем Тамм занялся исследованиями в области квантовой теории металлов, и эта работа привела к открытию знаменитых «уровней Тамма». А потом, в 50-е годы прошлого века он выполнил ряд основополагающих исследований по термоядерному синтезу, стал академиком, Героем Социалистического Труда, автором многих замечательных работ. Но последние семь лет жизни снова были отданы напряжённым, мучительным, безрезультатным поискам непротиворечивой теории элементарных частиц.
— Юкава тоже упорно работает над проблемой строения материи, — сказал мне на прощание академик Тамм. — Обязательно поговорите с ним на эту тему и передайте от меня большой привет.
…Сидя на скамейке в саду камней в центре древнего Киото, города золотоверхих дворцов, овеянных легендами, города поразительных парков, где деревья и растения приучены подчиняться не природе, а преобразующим рукам человека; сидя в саду камней, где созерцательность и сосредоточенность могут якобы привести к прозрению смысла жизни, я тем не менее не воспользовалась предоставленной мне возможностью. Не могла отвлечься от мысли, что через час-другой увижу человека-легенду, учёного, разгадавшего тайну бытия.
Встреча с Юкавой была намечена в одном из отелей, где мы должны были принять участие в дискуссии по проблемам творчества.
В три часа дня здесь уже много народу: корреспонденты столичных и киотских газет, издатели, переводчики. Хидэки Юкава, элегантный, со свежим молодым лицом и ослепительной улыбкой, стремительно поднялся мне навстречу.
Мы усаживаемся за маленьким столиком, подальше от нетерпеливо ожидающих журналистов, и я, передав Юкаве привет от его советских друзей, прошу рассказать о новых идеях.
Юкава рассказывает, что спокойствие в физической науке, наступившее после выяснения природы ядерных сил, длилось недолго. Экспериментаторы обрушили на головы теоретиков сотни типов мельчайших частиц, которые по очереди объявлялись элементарными, то есть неделимыми.
Он берёт из моих рук записную книжку и чертит строение атомного ядра и взаимодействие его с элементарными частицами, как он себе это представляет.
Кто работает над теорией вместе с ним? Его ученики — Катаяма и Хара. Один из его талантливых учеников, пятидесятилетний Саката, умер год назад, с горечью добавляет он, передайте это академику Тамму, они были знакомы.