4. Аналогия третья: термоядерный синтез легких ядер в земных условиях
В 1945 г. на одном из закрытых научных заседаний Я.Б. Зельдович выступил с докладом «О возможности возбуждения реакций в легких ядрах». В этом докладе была сформулирована мысль о том, что термоядерный синтез легких атомных ядер можно осуществить в земных условиях. Для этого необходимо разогреть дейтерий (тяжелый водород с атомной массой 2) ударной волной, инициированной атомным взрывом. В этой мысли Я.Б. Зельдовича содержался принцип устройства водородной (термоядерной) бомбы. Как же ученый пришел к этой идее? По свидетельству специалистов, эта идея была стимулирована аналогией с другой идеей, которую высказал И.Я. Померанчук. Советский физик-теоретик Исаак Яковлевич Померанчук предположил, что источником энергии звезд может быть участие дейтерия в реакции синтеза легких атомных ядер. Он обсуждал свое предположение с Я.Б. Зельдовичем и Ю.Б. Харитоном. «Оторвавшись» от космического (астрофизического) ракурса, сквозь который Померанчук рассматривал синтез легких ядер, Зельдович и Харитон нашли его идее иное применение - служить механизмом (принципом действия) водородной бомбы.
Если когда-нибудь инженеры создадут космические транспортные системы с двигателем, использующим синтез легких ядер, им нужно будет помнить, кто первый придумал этот механизм. Что касается двигателя, основанного на механизме радиоактивного распада атомов, то уже существует принципиальная схема такого двигателя и проводятся соответствующие эксперименты (ядерный буксир «Зевс»).
Приведем работы, в которых раскрывается история упомянутой технической идеи Я.Б. Зельдовича. Ю.Б. Харитон, В.Г. Адамский и Ю.Н. Смирнов в статье «О создании советской водородной (термоядерной) бомбы» [15] пишут: «По воспоминаниям И.И. Гуревича, дейтерий в реакции с легкими ядрами интересовал его и И.Я. Померанчука в качестве источника энергии звезд. Они обсуждали эту проблему с Я.Б. Зельдовичем и Ю.Б. Харитоном, которые, в свою очередь, увидели, что термоядерный синтез легких ядер может оказаться осуществимым в земных условиях, если разогреть дейтерий ударной волной, инициированной атомным взрывом. Научный отчет четырех авторов был отпечатан на машинке как несекретный документ, никогда не был засекречен и до сих пор хранится в открытых фондах архива Курчатовского института» [15, с.202].
Эта история рассматривается также Р.И. Илькаевым в уже упоминавшемся очерке [6]: «В конце 1945 года Я.Б. Зельдович был привлечен и к рассмотрению возможности создания водородной бомбы. 17 декабря 1945 года на заседании Технического Совета Специального Комитета был заслушан доклад Я.Б. Зельдовича «О возможности возбуждения реакций в легких ядрах». Доклад был основан на материалах представленного к этому заседанию отчета И.И. Гуревича, Я.Б. Зельдовича, И.Я. Померанчука и Ю.Б. Харитона «Использование ядерной энергии легких элементов». Этот отчет явился первым отечественным исследованием по проблеме создания водородной бомбы» [6, с.95].
5. Аналогия четвертая: идея о сохранении ядерного (барионного) заряда
Занявшись физикой элементарных частиц, Я.Б. Зельдович быстро определил наиболее актуальные направления исследований в этой области. В 1952 г. он выдвинул идею о сохранении ядерного (барионного) заряда, т.е. заряда элементарных частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии. Как Яков Борисович пришел к этой идее, которая ныне составляет фундамент теории элементарных частиц? По аналогии с законами, которые уже существовали к тому времени. На сохранение барионного заряда «намекал» давно известный закон сохранения электрического заряда, т.е. заряда частиц, участвующих в электромагнитном взаимодействии. Иначе говоря, сохранение барионного заряда подсказывалось аналогией с одним из принципов электродинамики.
Кроме того, мысль о сохранении барионного заряда стимулировалась работами немецкого физика Эрнста Штюкельберга (1905-1984), который в 1938 г. говорил о сохранении ядерного («тяжелого») заряда для нуклонов - протонов и нейтронов. Эта проблематика обсуждалась Э. Вигнером, американским физиком венгерского происхождения, лауреатом Нобелевской премии по физике 1963 г. Нужно было перенести мысль Штюкельберга о «тяжелом» заряде с нуклонов на другие частицы, в том числе на странные частицы, называемые гиперонами. Именно это впервые и сделал Я.Б. Зельдович (1952). Можно сказать, что ЯБ, ознакомившись с результатами Штюкельберга для нуклонов, обобщил (экстраполировал) их на странные частицы - гипероны, получив общую формулировку закономерности, которую «предчувствовали» другие физики (Шифф, Онеда).
С.С. Герштейн в статье «Работы Я.Б. Зельдовича и современная физика частиц» [16] пишет: «Анализируя распад Л-гиперона (его относили тогда к типу V-частиц) на протон и пион, Я.Б. Зельдович предложил в 1952 г. ввести понятие ядерного заряда, соответствующего закону сохранения тяжелых частиц (нуклонов и гиперонов). Тем самым он распространил на гипероны понятие тяжелого заряда, предложенное в 1938 г. Е. Штюкельбергом для нуклонов и обсуждавшееся в 1949, 1952 гг. Е. Вигнером...» [16, с.912].
В.С. Готт в книге [17] детализирует историю идеи о сохранении барионного заряда: «.Стабильность ядерной материи может быть сформулирован а как закон сохранения числа нуклонов. С учетом гиперонов и античастиц его можно сформулировать так: разность числа тяжелых частиц и числа соответствующих античастиц является константой движения. Впервые в применении к нуклонам и Х0-частице это положение было высказано Шиффом. Онеда независимо развил аналогичные соображения в общетеоретической форме. Наконец, Зельдович предложил ввести понятие ядерного заряда аналогично электрическому заряду. Протону и нейтрону приписывается ядерный заряд +1, антинуклонам -1, частицам с массой, меньшей массы нуклона, -0. Согласно известным схемам распада, получено, что гипероны и антигипероны имеют ядерные заряды соответственно +1 и -1.
Так как общим названием двух групп «элементарных» частиц - нуклонов и гиперонов - является барион, то и закон сохранения называется законом сохранения барионного заряда. Таким образом, сохранение числа частиц принимает совершенно простую наглядную форму: при всех взаимодействиях должен сохраняться полный барионный заряд замкнутой системы» [17, с.273].
6. Аналогия пятая: идея о сохранении лептонного заряда
В 1953 г. Я.Б. Зельдович сформулировал гипотезу о сохранении лептонного («нейтринного») заряда, т.е. заряда частиц, участвующих в слабом ядерном взаимодействии. Здесь ситуацию можно выразить словами: «открытие одного физического закона мотивировало (инициировало) открытие другого». Иначе говоря, введя в физику элементарных частиц принцип сохранения барионного числа (барионного заряда), Я.Б. Зельдович по аналогии пришел к открытию принципа сохранения лептонного числа (лептонного заряда). Независимо от него этот принцип описали в своих работах Г. Маркс, Э. Конопинский, Е. Махмуд - «идея висела в воздухе».
Ю.Б. Харитон в предисловии к книге Я.Б.Зельдовича «Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика» [18] отмечает: «В середине 1950-х годов было открыто несохранение четности и создана универсальная теория - (V-A)-теория слабого взаимодействия. Началось построение составных моделей адронов. Была создана первая неабелева калибровочная теория. В эти годы ЯБ внес важный вклад в целый ряд из перечисленных выше направлений. В 1952 г. он формулирует закон сохранения ядерного (барионного) заряда, распространяя его на незадолго до того открытые в космических лучах нестабильные частицы, в дальнейшем получившие название странных частиц. В 1953 г. ЯБ вводит закон сохранения лептонного (нейтринного) заряда как один из основных строгих законов природы. Оба эти закона важны для классификации элементарных частиц в процессах, идущих с их участием» [18, с.30].
Примечательно, что Г.Маркс (1953) независимо от Я.Б. Зельдовича пришел к выводу о том, что слабому взаимодействию соответствует лептонный заряд, по аналогии с результатами Э. Вигнера, который показал, что сильному ядерному взаимодействию соответствует барионный заряд. Э. Дубовой [19] пишет: «В 1952 году Г. Маркс из Института физики при университете имени Роланда Этвеша в Будапеште обратил внимание на то, что постоянная слабого взаимодействия одна и та же для процессов распада трех частиц - нейтрона, пиона и мю-мезона, идущих с образованием нейтрино, и для реакции захвата мюона ядром с превращением нейтрона в протон (или наоборот) также с образованием нейтрино. Это могло свидетельствовать только о том, что управляющее распадами слабое взаимодействие универсально. Как раньше Вигнер, исходя из универсальности ядерного взаимодействия, предположил, что у тяжелых частиц есть свой вид заряда - барионный, так и теперь Маркс высказал мысль, что универсальность слабого взаимодействия требует (или, наоборот, является следствием) существования у слабовзаимодействующих частиц нового типа квантового числа - лептонного заряда» [19, с.37].
Информацию о том, что Г. Маркс, Э. Конопинский и Х. Махмуд разделяют с Я.Б. Зельдовичем приоритет формулировки принципа сохранения барионного числа, можно найти в [20]. Вкратце научные достижения Э. Штюкельберга, который, помимо всего прочего, является одним из авторов знаменитого метода ренормализационной группы, рассматриваются в работе [21].
7. Аналогия шестая: закон сохранения векторного тока в слабых взаимодействиях
В 1955 г. Я.Б. Зельдович (совместно с С.С. Герштейном) вписал еще одну блестящую страницу в физику элементарных частиц. Он сформулировал идею о сохранении векторного тока в слабых взаимодействиях. Впоследствии эта идея была названа «законом сохранения векторного тока» и признана фундаментальным законом природы. Как подчеркивает С.С. Герштейн [16], открытие закона сохранения векторного тока послужило указанием на то, что слабые взаимодействия должны описываться на основе калибровочной теории Янга-Миллса. А после того, как была обнаружена эквивалентность (сходство) между теорией слабых взаимодействий и электродинамикой, применение калибровочного принципа привело к созданию калибровочной теории электрослабых сил, т.е. концепции, объединяющей слабые ядерные и электромагнитные силы. Как известно, эта концепция была разработана в 1960 - е гг. усилиями А. Салама, С. Вайнберга и Ш. Глэшоу, которые в 1979 г. были награждены Нобелевской премией. Таким образом, открыв закон сохранения векторного тока, Я.Б. Зельдович проложил дорогу исследованиям, завершившимся созданием электрослабой теории.
Как же Я.Б. Зельдович и С.С. Герштейн пришли к идее о сохранении векторного тока в слабых взаимодействиях? Опять же по аналогии с электродинамикой! Зельдович и Герштейн первоначально сформулировали принцип сохранения векторного тока как утверждение о том, что константа векторного взаимодействия нуклонов не модифицируется сильными взаимодействиями. К этому утверждению они пришли по аналогии с тем фактом, что электрический заряд сильновзаимодействующих частиц не модифицируется виртуальными частицами. Можно сказать иначе: когда Зельдович и Герштейн обнаружили, что взаимодействие с пионом (пи-мезоном) не меняет векторной константы 0-распада нуклонов, они поняли, что здесь наблюдается аналогия с электрическим зарядом протона, который не изменяется, несмотря на взаимодействие с пионами. Отечественные ученые не могли пройти мимо этой аналогии, которая указывала на то, что эмпирически обнаруженный факт не является случайным, а имеет характер закономерности.
История исследовательского успеха Я.Б. Зельдовича и С.С. Герштейна (1955) рассматривается во многих работах. Так, Ю.Б. Харитон в предисловии к книге [18] пишет о том, как Зельдович совместно с Герштейном исследовал распад заряженного пи-мезона (пиона): «Продолжая теоретическое исследование этого распада в работе 1955 г., ЯБ совместно с С.С. Герштейном заключает, что константа векторного взаимодействия нуклонов не модифицируется сильными взаимодействиями, подобно тому, как не модифицируется виртуальными частицами электрический заряд сильновзаимодействующих частиц. Замечание ЯБ и С.С. Герштейна, сделанное в то время, когда общепринято было считать, что в В-распаде осуществляется не векторное, а скалярное взаимодействие, сыграло важную роль при создании универсальной теории слабого взаимодействия. В 1957 г., формулируя в рамках этой теории идею сохраняющегося векторного тока, М. Гелл-Манн и Р.Фейнман (США) возрождают гипотезу С.С. Герштейна и ЯБ. В докладе Роксбергской конференции в 1960 г. Р. Фейнман сказал: «Идея о том, что если в В-распаде имеется векторный ток, то этот ток может быть сделан сохраняющимся, была впервые выдвинута С.С. Герштейном и Я.Б. Зельдовичем. М. Гелл-Манн и я не знали об этом, когда разрабатывали ее» [18, с.30].
С.С. Герштейн в статье «От бета-сил к универсальному взаимодействию» [22] описывает события 1950-х годов: «В то время считалось твердо установленным, что гамов-теллеровским взаимодействием является тензорное, а фермиевским - скалярное. Поскольку я тогда только учился технике расчетов, я решил провести их в качестве упражнения для всех вариантов взаимодействия. После того как мы с Яковом Борисовичем сверили свои расчеты и учли в векторном варианте 0-распад пиона, мы обнаружили, что взаимодействие с пионом не меняет векторной константы 0-распада нуклонов. Мы поняли, что в этом случае мы имеем аналогию с электрическим зарядом протона, не изменяющимся, несмотря на взаимодействие с пионами. Мы не могли пройти мимо этой аналогии...» [22, с.12].
Отмечая научную ценность результата, полученного Зельдовичем и Герштейном (1955), авторы работы [23] пишут: «Фундаментальный закон Природы - Сохранение Векторного тока и аналогия между слабым и электромагнитными взаимодействиями сыграли исключительно важную роль в создании современной картины микромира» [23, с.807].
Справедливости ради укажем, что выдающиеся физики Р.Фейнман и М. Гелл-Манн пришли к идее о сохранении векторного тока в слабых взаимодействиях, также руководствуясь аналогией. Л.И. Лапидус и Л.Б. Окунь в статье «Физика высоких энергий» [24] констатируют: «Известно, например, что из-за наличия так называемого виртуального облака п-мезонов, окружающего протон или нейтрон, изменяются магнитные свойства этих частиц, возникает аномальный магнитный момент. Однако не менее хорошо известно, что полный заряд протона или нейтрона при этом не меняется: у протона он равен заряду позитрона, который не обладает сильным взаимодействием, у нейтрона - нулю. Возникает вопрос: не обладает ли таким же свойством слабое взаимодействие, т.е. нет ли аналогии между распадным и электромагнитным взаимодействиями? Указание Фейнмана и Гелл-Манна на возможность существования такой аналогии было вызвано удивительной точностью, с которой совпадают константы распада ц-мезона и векторного варианта 0- распада. Это совпадение указывает на то, что константа векторного взаимодействия, подобно электрическому заряду, не меняется под действием сильного взаимодействия. На такую возможность еще в 1955 г. обратили внимание Герштейн и Зельдович. Аналогия между векторным 0-распадным и электромагнитным взаимодействиями была использована Гелл-Манном для расчета поправок к разрешенным ^-спектрам, возникающим за счет «слабого магнетизма» [24, с.652].