Читати книгу - "Таємниці походження всесвіту"

вас це також може здивувати. Розв’язання цього вдаваного парадоксу є однією з найперших та найчудовіших з усіх витіюватих випадковостей природи, які уможливлюють наше з вами існування. У міру нашого занурення дедалі глибше в питання «Чому існуємо ми?» ця випадковість дедалі яскравіше вимальовуватиметься на горизонті. Хоча може здатися, що нейтрони не мають нічого спільного зі світлом, яке досі було головним героєм нашої оповіді, ми побачимо, що врешті-решт вони глибоко взаємопов’язані. Факт нейтронного розпаду, відповідальний за бета-розпад нестабільних ядер, змусив фізиків вийти за межі простих та вишуканих теорій світла й почати вивчення нових фундаментальних сфер усесвіту.

Проте я дещо забігаю вперед.

1929 року, коли Дірак уперше виписав свою теорію електронів і випромінювання, здавалося, що вона зрештою стане теорією майже всього. Єдиною іншою силою на майданчику, крім електромагнетизму, була гравітація, величезні кроки в розумінні якої щойно здійснив Ейнштейн. Множина елементарних частинок складалася з електронів, фотонів і протонів, з яких разом узятих складалися всі об’єкти, що здавалися необхідними для розуміння атомів, хімії, життя і всесвіту.

Відкриття античастинок трохи похитало човен, проте оскільки теорія Дірака їх ефективно передбачила (попри те, що самому Діраку довелося доростати до власної ж теорії), це нагадувало швидше «лежачого поліцейського» на дорозі до реальності, аніж завал чи відхилення від курсу.

Далі настав 1932 рік. До цього часу науковці виходили з того, що атоми складаються лише з протонів та електронів. Проте була невеличка проблема: маси атомів не сходилися. 1911 року Резерфорд відкрив існування атомного ядра – маленької ділянки, у сто тисяч разів меншої за радіус орбіт електронів, де була зосереджена майже вся маса атомів. Після цього відкриття стало зрозуміло, що маса важкого ядра трохи більш ніж удвічі перевищує масу, яку воно мало б мати, якщо кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів на орбітах навколо нього, що необхідно для електричної нейтральності атомів.

Було запропоноване просте вирішення цієї головоломки. Насправді в ядрі перебуває удвічі більше протонів, ніж електронів навколо, проте всередині ядра утримується рівно стільки електронів, скільки потрібно, щоб сумарний електричний заряд атома дорівнював нулю.

Проте з квантової механіки випливало, що електрони не можуть утримуватися всередині ядра. Формальне обґрунтування цього вельми складне, проте в спрощеному вигляді звучить приблизно так: якщо елементарні частинки мають хвилеподібний характер, то для того, щоб утримати їх у «стійлі» на невеличкій ділянці, величина довжини їхньої хвилі має бути меншою за розмір цієї ділянки. Проте у квантовій механіці пов’язана з частинкою довжина хвилі обернено пропорційна до імпульсу цієї частинки, а отже, обернено пропорційна й до енергії, яку ця частинка несе. Якби електрони були обмежені ділянкою з розмірами атомного ядра, вони повинні були б мати енергію, у мільйони разів більшу за пов’язану з характеристичними енергіями, яку електрони випускають у результаті переходу з одного енергетичного рівня своїх атомних орбіт на інший.

Як же їм досягти таких енергій? Ніяк. Оскільки, навіть якби електрони були міцно прив’язані електронними силами до протонів усередині ядра, енергія зв’язування, що виділялася б у процесі їхнього «падіння» в ядро, була б більш ніж удесятеро меншою за енергію, необхідну для утримання квантово-механічної електронної хвильової функції в ділянці в межах ядра.

Хай там як, цифри не сходилися.

Тогочасні фізики знали про цю проблему, проте змирилися з нею. Підозрюю, що такий агностичний підхід вважали обачливим, і фізики були ладні притримати свою недовіру доти, доки не знатимуть більше, адже ці проблеми стосувалися найпередовішої фізики квантової механіки й атомного ядра. Замість висунення нових екзотичних теорій (можливо, десь на маргінесі якісь і були, проте мені вони невідомі) спільнота зрештою під впливом експериментів поборола природне вагання й зробила логічний наступний крок: дійшла висновку, що природа складніша за те, що було відкрито на той момент.

1930 року, приблизно в той час, коли Дірак змирився з можливістю, що його античастинки все-таки не є протонами, низка експериментів надала саме ті підказки, які були необхідні для вирішення ядерного парадоксу. З поетикою цих відкриттів може посперечатися хіба що драматизм особистих життів дослідників.

Макс Планк допоміг розпочати квантову революцію, розв’язавши парадокс спектра випромінювання, випущеного атомними системами. Тож було цілком логічно, щоб саме Планк опосередковано посприяв розв’язанню парадоксу зі складом ядра. Хоча він особисто не був на вістрі відповідних досліджень, він розгледів таланти Вальтера Боте – юного студента, який вивчав у Берлінському університеті математику, фізику, хімію й музику, – і 1912 року взяв його до себе в докторанти та лишався його наставником впродовж усієї своєї кар’єри.

Боте винятково пощастило бути учнем спершу Планка, а невдовзі по тому – Ганса Ґейґера, відомого своїм лічильником. На мою думку, Ґейґер є одним із найталановитіших фізиків-експериментаторів, обділених Нобелівською премією. Ґейґер починав свою кар’єру, здійснюючи разом з Ернестом Марсденом експерименти, якими скористався Ернест Резерфорд для відкриття існування атомного ядра. Ґейґер якраз повернувся з Англії, де працював із Резерфордом, аби очолити в Берліні новостворену лабораторію, і одним із перших його кроків було прийняття на роботу Боте як асистента. Там Боте навчився зосереджуватися на важливих експериментах, використовуючи прості підходи, що давали негайні результати.

Повернувшись після п’ятирічної «мимовільної відпустки» у «ролі» військовополоненого в Сибіру впродовж Першої світової війни, Боте налагодив чудову співпрацю з Ґейґером, зрештою змінивши того на посаді директора лабораторії. Упродовж спільно проведеного часу вони започаткували використання «методів збігів» для вивчення атомної, а зрештою і ядерної фізики. Використовуючи розміщені навколо мішені різноманітні детектори та точний хронометраж, вони мали змогу шукати одночасні події, які сигналізували, що їхнім джерелом мав бути одиничний атомний чи ядерний розпад.

1930 року Боте і його асистент Герберт Бекер стали свідками чогось зовсім нового й несподіваного. Бомбардуючи ядра берилію продуктами ядерного розпаду, які дістали назву альфа-частинок (на той час уже було відомо, що це ядра гелію), вони помітили витік абсолютно нової форми високоенергетичного випромінювання. Це випромінювання мало дві унікальні риси. Воно було більш проникне за найенергетичніші гамма-промені, проте подібно до них складалося з електрично нейтральних частинок, тож при проходженні крізь матерію не іонізувало атоми.

Новина про це дивне відкриття поширилася іншими фізичними лабораторіями по всій Європі. Спершу