А.И. Ахиезер и М.П. Рекало в уже упоминавшейся нами книге "Биография элементарных частиц" [21] пишут: "Сам Ферми, создавая свою теорию слабого взаимодействия, предполагал, что нуклонный и электронный слабые токи являются векторными. Электромагнитный ток также является векторным. "Ферми со всей ясностью указывал, - писал Раззетти, - что имеется много возможных видов гамильтониана взаимодействия, приводящих к процессу в-распада. Его выбор диктовался соображениями простоты и аналогией с электромагнитным полем. Поэтому он выбрал векторное взаимодействие" [21, с.101-102].
Обратимся к статье А.Н. Вяльцева "Открытие нейтрона как узел в сети линий научного развития" [23]. В данной статье автор, в частности, сообщает: "Основой для теории в-радиоактивности стала первая теория атомного ядра, основанная на представлении о его нейтрон -протонном составе [55, 65]. Первостепенную роль играли при этом такие понятия, как нуклон, нуклонный состав ядра, обмен зарядом между нуклонами, изобарический спин, описываемый матрицами Паули. То принципиально новое, чем Ферми дополнил теорию Гейзенберга, заключалось в представлении о четырехфермионном члене взаимодействия, ответственном, по определению, за в-распад. Этому члену Ферми придал по аналогии с электродинамикой векторный характер" [23, с.87-88].
Аналогичные сведения можно найти в статье В. Паули "К старой и новой истории нейтрино" [24], где ученый говорит о теории бета -распада, построенной Ферми: "Полное выражение для плотности энергии взаимодействия должно быть релятивистски инвариантным и, кроме того, должно строго удовлетворять закону сохранения электрического заряда. Этим требованиям удовлетворяют пять возможных типов взаимодействия, которые описываются скалярными произведениями двух скаляров (S), двух псевдоскаляров (P), двух векторов (V), двух аксиальных векторов (A) или двух антисимметричных тензоров (T). По аналогии с электродинамикой Ферми выбрал взаимодействие типа V" [24, с.117-118].
Отметим, что позднее американский физик Р.Фейнман уточнил теорию Ферми, установив, что в случае бета-распада имеет место сочетание векторного (V) и аксиального (A) токов.
Аналогия седьмая: теория ионизационных потерь энергии, испытываемых заряженной частицей при движении в среде
В 1937 г. отечественные ученые И.Е. Тамм и И.М. Франк разработали теорию, объясняющую механизм возникновения излучения Вавилова - Черенкова. Они показали, что источником данного излучения являются электроны, которые движутся в той или иной среде со скоростью, превосходящей скорость света в этой среде. Другими словами, электрон, приобретающий "сверхсветовую" скорость, начинает излучать электромагнитные волны. И именно эти волны обнаружил в 1933 г. Павел Алексеевич Черенков, когда в одном из экспериментов разместил стакан серной кислоты вблизи препарата радия, испускавшего гамма-лучи. Теория излучения Вавилова-Черенкова, построенная И.Е. Таммом и И.М. Франком, принесла им и П.А. Черенкову в 1958 г. Нобелевскую премию.
Помимо объяснения эффекта, обнаруженного П.А. Черенковым, в теории Тамма - Франка содержался также расчет влияния среды на поле движущегося электрона. Математическая трактовка этого влияния (трактовка энергетических потерь, испытываемых электроном при прохождении через вещество) была изложена в одной из статей отечественных физиков. Ознакомившись с этой статьей, Э. Ферми понял, что метод расчета влияния среды на поле движущегося электрона, содержащийся в статье, можно перенести на другие случаи (в том числе на другие заряженные частицы). В результате Э. Ферми разработал количественную теорию ионизационных потерь энергии, испытываемых заряженной частицей при прохождении через определенную среду. Таким образом, итальянский ученый создал данную теорию по аналогии с методом расчета, введенным И.Е. Таммом и И.М. Франком.
И.Е. Тамм в статье "Излучение электрона при равномерном движении в преломляющей среде" [25] пишет: "При близких соударениях движущийся электрон передает электронам среды столь большую энергию, что эти электроны можно считать свободными. При далеких же соударениях, сопровождающихся малыми передачами энергии, существенную роль играет энергетический и оптический спектр атомов среды. При рассмотрении далеких соударений до последнего времени не учитывалось, что действующее на далекие (по сравнению с междуатомными расстояниями) атомы среды электрическое поле движущегося электрона отнюдь не совпадает с полем этого электрона в вакууме, а видоизменяется благодаря наличию среды. На это обстоятельство недавно указал Ферми [14], развивший новую теорию ионизационных потерь, которая свободна от этого недостатка и результаты которой имеют существенное значение для теории космических лучей. Учет влияния среды на поле движущегося электрона проведен Ферми методом, вполне аналогичным примененному в теории эффекта Черенкова авторами настоящей статьи, на первую заметку которых Ферми и ссылается в этой связи" [25, с.119].
Отметим, что статья "Излучение электрона при равномерном движении в преломляющей среде" впервые опубликована И.Е. Таммом и И.М. Франком в 1944 г. в журнале "Труды ФИАН СССР".
Об этой же аналогии Э. Ферми сообщается в Нобелевской лекции И.Е. Тамма "Общие свойства излучения, испускаемого системами, движущимися со сверхсветовыми скоростями..." [25]: "Теперь я хочу рассмотреть в качестве примера приложение общей теории к одной определенной области явлений, а именно к физике плазмы. В качестве введения мы начнем с нескольких замечаний относительно механизма энергетических потерь, испытываемых быстрыми заряженными частицами при прохождении через вещество. Излучение Вавилова -Черенкова составляет только часть (и обычно весьма незначительную часть) этих потерь, которые в основном обусловлены ионизацией и возбуждением атомов среды, через которую проходят частицы. Однако математическая трактовка, использованная И.М. Франком и мною при подсчете потерь на излучение, оказалась удобной и для рассмотрения проблемы в целом; она была в 1940 г. применена Э. Ферми к подсчету полных энергетических потерь движущейся заряженной частицы" [25, с.125-126].
Аналогия восьмая: разработка статистической теории множественного рождения частиц при столкновениях
В начале 1930-х годов ученые, используя различную аппаратуру (в том числе туманную камеру Вильсона) и проводя наблюдения на большой высоте, зарегистрировали эффект множественного рождения частиц высоких энергий при столкновениях с земной атмосферой. Первоначально природа этих частиц оставалась неизвестной. В. Гейзенберг (1936) предложил теорию, согласно которой в процессах множественного рождения образуются электроны, позитроны и нейтрино. Он также полагал, что эти частицы образуются в одном акте. Позже стало ясно, что, во-первых, в упомянутых процессах рождаются не только электроны и позитроны, но и более тяжелые частицы мезоны, участвующие в сильных взаимодействиях, а, во-вторых, имеет место каскадное размножение частиц (а не образование их в одном акте, как считал В.Гейзенберг). Тем не менее, предложенное В.Гейзенбергом гидродинамическое описание процесса рождения частиц оказалось продуктивным: в 1953 г. Л.Д. Ландау развил гидродинамический подход, указав, что множественное рождение частиц следует описывать уравнениями релятивистской гидродинамики [26].
В 1950 г. проблемой занялся Э. Ферми. Разработке новой теории множественного рождения частиц была посвящена серия его статей, опубликованных в 1950, 1951, 1953, 1954 гг. Первая из них появилась на страницах журнала "Progress of Theoretical Physics", а три последующие - в журнале "Physical Review". Э. Ферми предложил статистическую теорию множественной генерации частиц высоких энергий при столкновениях.
В данной теории Э. Ферми провел аналогию между закономерностями, управляющими процессом генерации частиц, и поведением молекул идеального газа, достигающего термодинамического равновесия. Базируясь на этой аналогии, Э. Ферми счел допустимым использовать для описания процесса генерации частиц методы термодинамики (статистической физики). В частности, предполагалось применять принципы молекулярно - кинетической теории (модели идеального газа), понятия фазового объема, микроканонического распределения, термодинамические формулы излучения черного тела. Э. Ферми был хорошо знаком с этими принципами и формулами статистической физики, так как еще в 1926-1927 гг. (как мы уже отмечали) он применял их при разработке статистики Ферми-Дирака и теории Томаса-Ферми.
И.М. Дремин и А.В. Леонидов в статье "Теоретические поиски коллективных эффектов в множественном рождении частиц" [27] пишут: "Процессы с рождением большого числа частиц были замечены в ливнях космических лучей более 60 лет тому назад. Первые попытки описать их с использованием идей статистической физики и гидродинамики восходят к Гейзенбергу [7]. <.. .> Однако наиболее активно этот подход стал обсуждаться после работы Ферми [9], где была предложена конкретная статистическая модель процессов множественного рождения частиц в ядерных соударениях (подробное изложение модели и ее последующего развития дано в обзорах [10, 11]). Согласно основному постулату этой модели, процесс множественного рождения частиц происходит таким образом, что после соударения налетающих частиц образуется единая система, в которой устанавливается статистическое равновесие, в результате чего распределения вторичных частиц можно описывать термодинамическими формулами излучения черного тела. Правомочность такого постулата неоднократно обсуждалась. Было признано, что если модели такого типа и могут иметь область применимости, то только в области сравнительно низких энергий" [27, с.760].
Об этой же аналогии Э. Ферми сообщает Е.Л. Фейнберг в статье "Множественная генерация адронов и статистическая теория" [28]: "Идея (Ферми - Н.Н. Б.), что вероятность состояния определяется фазовым объемом, есть основа микроканонического распределения в классической статистической механике. Поэтому и здесь становится естественным и даже неизбежным применение термодинамики. Термодинамика и даже гидродинамика "внутри нуклона", конечно, выглядит парадоксом. Однако она - полностью обоснованное следствие квазиклассичности системы, если только единая система образуется, что и является основной гипотезой теории. Ферми сформулировал весьма наглядную картину" [28, с.541]. Далее автор поясняет: ".Статистическая теория множественной генерации частиц при правильном использовании является физически адекватным и практически полезным средством. Разумеется, она не может претендовать на общее и полное описание процесса взаимодействия. Но в качестве вспомогательного инструмента она дает удивительно много." [28, с.588].
О том, что Э. Ферми, руководствуясь аналогией, перенес на процессы множественной генерации частиц идеи и методы термодинамики и статистической физики, сообщают также Ж.Коба и Ш.Такаги в статье "Теория множественного рождения частиц при сверхвысоких энергиях" [29].
Аналогия девятая: идея о возможности разработать нейтроноструктурный анализ
После того, как в 1934 г. Э. Ферми и его сотрудники открыли эффект замедления нейтронов, он провел множество исследований, преследовавших цель выяснить ключевые особенности медленных (тепловых) нейтронов. Эти тепловые нейтроны всё чаще напоминали ему электромагнитные волны, обладающие такими чертами, как дифракция, интерференция, поляризация. В пользу представления нейтронных пучков как своеобразных волн говорила и концепция квантово-волнового дуализма, разработанная французским исследователем Луи де Бройлем (1924). Последний, основываясь на оптико-механической аналогии Гамильтона, постулировал, что каждая материальная частица обладает волновыми свойствами. Эта концепция нашла подтверждение, когда в 1927 г. американский физик Клинтон Дэвиссон экспериментально обнаружил дифракцию электронов. Спустя 10 лет К. Дэвиссон был награжден Нобелевской премией по физике.
Наконец, в 1944 г. Э. Ферми ввел в физику понятие показателя преломления нейтронной волны. Мы могли бы предположить, что он сделал это благодаря своей магической интуиции, способности проникать в смысл событий посредством одномоментного бессознательного озарения. Однако такое предположение является заведомо ошибочным: итальянский ученый использовал указанное понятие по аналогии с понятием показателя преломления световой волны. Э. Ферми решил извлечь максимум новой информации (новых истин) из волновой трактовки нейтронов, поскольку корпускулярный взгляд на эти частицы уже доказал свою ценность, позволив создать атомный реактор и ядерную бомбу.
Об этой аналогии Э. Ферми пишет И.М. Франк в статье "Некоторые новые аспекты нейтронной оптики" [30]: "К нейтронным волнам, как и вообще к волнам де Бройля, применимо понятие показателя преломления. В случаях преломления и отражения нейтронных волн свойственный им показатель преломления играет такую же роль, как и в световой оптике. При прохождении пучка нейтронов через среду происходит их рассеяние ядрами и, следовательно, падающая нейтронная волна порождает вторичные волны, когерентное сложение которых и определяет преломленную и отраженную волну. То же самое происходит и для света, с тем лишь различием, что рассеяние определяется не ядрами, а взаимодействием света с электронной оболочкой атома. В обоих случаях в результате взаимодействия длина волны X в среде меняется по сравнению с длиной волны X в вакууме. <.. .> Аналогия здесь очень глубокая" [30, с.26].
Далее Э. Ферми провел аналогию между нейтронными волнами и рентгеновскими лучами, обладающими высокой проникающей способностью (настолько высокой, что В. Рентген, открывший эти лучи, в первых же экспериментах сделал замечательный снимок кисти своей супруги). Итальянский ученый пришел к мысли о возможности разработать нейтроноструктурный (нейтронографический) анализ по аналогии с рентгеноструктурным анализом. Иначе говоря, Э. Ферми заявил: мы можем определять структуру кристаллических веществ путем анализа характера рассеяния нейтронов на этих веществах точно так же, как определяем структуру кристаллов посредством анализа рассеяния рентгеновских волн на этих кристаллах.
Вновь обратимся к статье И.М. Франка "Некоторые новые аспекты нейтронной оптики" [30], в которой дается замечательное описание очередной аналогии первооткрывателя тепловых нейтронов: "В 1949 г. Э. Ферми прочел в Италии прекрасную лекцию, в которой рассмотрел аналогии между свойствами нейтрона и свойствами света. Я думаю, что именно эту лекцию Ферми можно считать началом нейтронной оптики. В последующие 20 лет она развивалась очень интенсивно" [30, с.24]. "Подобно свету, - продолжает автор, - нейтрон не имеет электрического заряда и, подобно рентгеновским лучам, обладают значительной проникающей способностью. Отсюда - очень близкие аналогии между оптикой тепловых нейтронов и рентгеновских лучей. При этом, как отметил Ферми, нейтроноструктурный анализ, получивший множество применений, не только подобен рентгеноструктурному, но и обладает некоторыми преимуществами. Например, используя нейтроны, можно определять положение в решетке кристалла легких атомов, включая и водород, особенно если он заменен дейтерием, а при помощи рентгеновских лучей "видеть" такой важнейший для органических молекул атом, как атом водорода, не удается. Учитывая быстрый прогресс в методах получения пучков нейтронов, можно ожидать, что нейтроноструктурный анализ уже в ближайшие годы станет одним из основных методов изучения строения молекул живого вещества" [30, с.24-25].