Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?

Описанная модель имела один важный недостаток. Ранее бета-распад понимался как процесс, в ходе которого ядро (A, Z) преобразовывалось в новое ядро (A, Z + 1) и испускало электрон. Измерения показали, что начальная энергия была больше энергии, полученной новым ядром и свободным электроном, и это противоречит закону сохранения энергии. Паули предположил, что подобное несоответствие обусловлено существованием особой частицы, нейтрино, которая имеет очень малую массу и почти не взаимодействует с материей. Нейтрино впервые был обнаружен в 1950-е, и хотя его масса до сих пор не определена, известно, что она меньше двух миллиардных долей массы протона. Нейтрино почти не взаимодействуют с материей: каждую секунду через наше тело проходит примерно 10¹² нейтрино, но мы их совершенно не замечаем. Великое множество этих частиц возникает в результате химических реакций, происходящих внутри Солнца. Сегодня известно, что протоны и нейтроны – это не элементарные частицы. Они состоят из u-кварков и d-кварков (протон p = uud, нейтрон n = udd). Вся материя образована четырьмя частицами – u, d, e, v – и соответствующими античастицами (то есть имеющими противоположный заряд). Существуют еще две группы частиц, подобных частицам первого семейства, но с большей массой. Они проявляются в лабораторных экспериментах и при реакциях с космическими лучами.

Бор по-прежнему настаивал на том, что для описания явлений на уровне элементарных частиц необходима новая теория. Гейзенберг, разделяя эту точку зрения, предположил, что Вселенную можно представить как огромную кристаллическую решетку. Космос – это решетка из крошечных кубических ячеек размером с элементарную частицу. Ячейки представляют собой наименьшую универсальную единицу длины, а на меньших расстояниях современная квантовая теория будет неприменима. Однако эти идеи не вели к каким-либо конкретным результатам, и в 1931 году Гейзенберг написал Бору: «[…] Я отказываюсь рассматривать фундаментальные вопросы, которые для меня слишком сложны». Лишь появление новых результатов, связанных с космическими лучами, заставило Гейзенберга через два года изменить точку зрения.

Британский физик Патрик Блэкетт и итальянец Джузеппе Оккиалини, работавшие в Кембриджском университете, обнаружили, что при улавливании детектором космического луча с очень большой энергией наблюдается поток частиц, по всей видимости, возникающих при столкновении луча с ядрами атомов свинца, которым был покрыт детектор. Вскоре после этого открытия американский ученый Карл Дейвид Андерсон выявил позитрон, существование которого было предсказано уравнением Дирака. При столкновении электрон и позитрон уничтожаются, и рождаются два фотона, которые разлетаются в противоположных направлениях в соответствии с самым знаменитым уравнением физики Е = mc2 .

Верно и обратное: фотон, обладающий достаточно большой энергией, способен породить электрон и позитрон. Согласно закону сохранения импульса, чтобы это произошло, фотон должен столкнуться с ядром атома. Эти открытия вновь пробудили в Гейзенберге интерес к квантовой электродинамике. Он ожидал, что сможет связать свою гипотетическую минимальную единицу длины с длиной волны фотонов, которые присутствуют в потоке частиц, порождаемых космическими лучами. В «дожде частиц» возникают новые частицы, начиная с легчайших – пионов и мюонов. Описание всех этих частиц и античастиц было непростой задачей, ведь следовало учесть все возможные взаимодействия, все возможные процессы и их вероятности. Гейзенберг не мог четко сформулировать квантовую теорию поля (она стала постепенно вырисовываться лишь в 1940-е годы), однако именно он разработал многие основные ее элементы.