Что дальше произошло в этой области – тоже хорошо известно физикам. Лэмб и Резерфорд (а потом и другие) измерили разность уровней в атоме водорода радиоспектроскопическими методами. Они не только подтвердили сам факт различия уровней (в чем можно было сомневаться раньше – при оптических методах), но и измерили разность уровней с огромной точностью. На одной из научных конференций, состоявшихся в 1947 году (кажется, на Рочестерской), Х. Крамерс выступил с программой вычисления конечных радиационных поправок для наблюдаемых величин – с так называемой идеей перенормирования. Тогда же, или несколько позже, Ганс Бете сообщил о своем расчете разности уровней. По существу, исходные идеи обеих работ были очень близки к тем, которые я описал выше. Бете проводил свои расчеты нерелятивистским образом (что было сознательным переупрощением). Поэтому он получил не конечный результат, а логарифмически растущий при стремлении к бесконечности энергии «обрезания». Но, как любил говорить Ландау:
– Курица – не птица, логарифм – не бесконечность.
Результат Бете по существу означал прорыв в новую область, делал очень вероятным получение полностью конечного результата в этом и во всех других электродинамических явлениях. Остальное было делом техники (весьма трудной). Явились гиганты, которые одолели все эти трудности – Томонага, Швингер, Фейнман, Дайсон, Вик, Уорд и многие, многие другие. Первый последовательный расчет расщепления уровней (давший конечный результат в согласии с опытом Лэмба и Резерфорда) был произведен в работе Вейскопфа и Френча.
Я не могу удержаться от краткого рассказа о дальнейших событиях, в которых я никак не был участником.
В 1948 году Швингер нашел радиационную поправку к магнитному моменту электрона. Вскоре найденное значение поправки было подтверждено на опыте (как для электрона, так и для мю-мезона: возможно, первые данные для электрона были получены до работы Швингера, я точно не помню). Экспериментальные и теоретические значения затем неоднократно уточнялись. Сейчас достигнуто совпадение в 9-м или 10-м десятичном знаке. Ни в одной другой области науки нет такой точности совпадения теории и эксперимента, как в квантовой электродинамике. Интересно, что аналитические вычисления настолько громоздки, что их приходится делать на машине по специальной программе (поясню: аналитические вычисления – это преобразование формул, а не оперирование числами, что первоначально было единственной специальностью ЭВМ).
Но великолепное согласие расчетов с экспериментом еще не означало, что принципиально в теории все в порядке. В 1955 году независимо Фрадкин, Ландау и Померанчук нашли, что последовательное вычисление радиационных поправок приводит к чудовищному следствию – к полному исчезновению наблюдаемых электромагнитных взаимодействий (знаменитый «Московский нуль»).
В тот год я встретил Ландау на новогоднем банкете в Кремле. С очень озабоченным, даже удрученным видом он сказал:
– Мы все оказались в тупике, что делать – совершенно непонятно.
К этому же времени относятся слова Ландау:
– Лагранжиан – мертв. Его надо похоронить; конечно, со всеми полагающимися покойнику почестями.
Лагранжиан – квантовый аналог так называемой функции Лагранжа, основное понятие квантовой теории поля. Ландау, однако, ошибался, лагранжиан не был мертв. Многие годы трудность «Московского нуля» рассматривалась как указание на необходимость отказа в физике высоких энергий от квантовой теории поля, делались попытки найти другие пути построения теории элементарных частиц, оказавшиеся неэффективными. Лишь в 1974 году вновь появился проблеск надежды – было показано, что в так называемых неабелевых калибровочных теориях нет «Московского нуля» (хотя все еще необходимо манипулирование бесконечными величинами). А еще через несколько лет были найдены (среди т. н. суперсимметричных теорий, о них подробнее дальше) нетривиальные примеры (пока не реалистические, т. е. не описывающие реального мира), в которых вообще нет бесконечностей. Сейчас, когда я просматриваю рукопись в Москве, вернувшись из Горького, самые смелые надежды связаны с так называемыми «струнами» – протяженными объектами – ниточками и колечками невообразимо малых размеров. Героические усилия целой армии ученых – теоретиков и экспериментаторов – продолжаются!
Вспоминая то лето 1947 года, я чувствую, что я никогда – ни раньше, ни позже – не приближался так близко к большой науке, к ее переднему плану. Мне, конечно, немного досадно, что я лично оказался не на высоте (никакие объективные обстоятельства тут не существенны). Но с более широкой точки зрения я не могу не испытывать восторга перед поступательным движением науки – и если бы я сам не прикоснулся к ней, я не мог бы ощущать это с такой остротой!
Другая моя неудачная попытка в те же месяцы касалась, напротив, совсем мелкого вопроса. Я все же расскажу. Я задался вопросом, зависит ли возможность аннигиляции электронов и позитронов, образующих атомо-подобную систему – позитроний, от углового импульса (углового момента, или спина) позитрония. Я стал вычислять вероятности аннигиляции свободно сталкивающихся электронов и позитронов при параллельных и антипараллельных спинах (первый случай соответствовал бы спину позитрония 1 – в единицах постоянной Планка, а второй – 0). Но я ошибся в знаке складываемых членов. Я производил эти вычисления в вагоне электрички Пушкино – Москва и потом в шутку «утешал» себя, что вагон тряхнуло в тот момент, когда я писал знак минус, и получился знак плюс. Правильный результат получил Померанчук (тем же топорным методом, который пытался применить я). Позитроний со спином 1 (ортопозитроний) не аннигилирует на 2 гамма-кванта, а лишь на 3! Когда об этом результате узнал Ландау, он воспроизвел его гораздо более красивым и плодотворным методом, основанным на соображениях симметрии (т. е. почти без вычислений). Вывод Ландау распространялся на любую частицу со спином 1. Поэтому, когда вскоре был обнаружен распад пи-ноль-мезона на два гамма-кванта, это полностью исключало, что спин пи-мезона равен 1 (результат огромного значения). Можно сформулировать систему неравенств: L > P > S (L – Ландау, P – Померанчук, S – Сахаров).
Все описанные события происходили еще до защиты диссертации, летом и осенью 1947 года. После защиты передо мной встала задача выбора «солидной» тематики (я не знал, что вскоре эту задачу решат за меня). Я сделал попытку сделать что-либо в теории плазмы. Мне казалось, что кинетическое уравнение с логарифмическим обрезанием «по порядку величины» – некий монстр, хотелось придумать что-либо более изящное и более точное. Задача оказалась мне не под силу, но она, так же как следующая, о которой я сейчас расскажу, научно подготавливала меня к тем проблемам, с которыми мне пришлось столкнуться в спецтематике.
Весной или зимой 1948 года я прочитал в «Nature» работу Франка. Автор обсуждал исторические эксперименты Пауэлла, Латтэса и Окиалини, в которых был открыт пи-мезон. Экспериментаторы применили тогда новую методику облучения в космических лучах фотопластинок с толстым слоем фотоэмульсии и нашли интересные треки распада какой-то остановившейся в эмульсии частицы, более легкой, чем протон, причем при распаде образовывался, несомненно, мю-мезон. Пауэлл, Латтэс и Окиалини сделали вывод, что это более тяжелая частица, чем мю-мезон, – иначе она не могла бы распадаться с выделением довольно заметной энергии. Впоследствии частица получила название пи-мезон. Ввиду фундаментального характера вывода о существовании нового типа частиц было необходимо проанализировать все альтернативные возможности объяснения, среди них Франк разбирал и такую: первичная частица – обычный мю-мезон. Она захватывается ядром водорода, образуя подобие атома (теперь говорят – «мезоатом»). Затем мезоатом соединяется с еще одним ядром водорода, образуя «молекулярный мезоион». Если одно из ядер водорода является тяжелым изотопом (дейтоном, природное содержание 1/7000), то в «мезоионе» возможна ядерная реакция дейтона с протоном с образованием гелия-три и гамма-кванта. При этом избыток энергии сообщается мю-мезону, и он вылетает, образуя трек. Интересующая нас ядерная реакция происходит между двумя заряженными частицами – дейтоном и протоном. Обычно такие реакции происходят с заметной вероятностью только в том случае, если энергия сталкивающихся частиц достаточно велика, чтобы преодолеть электростатическое («кулоновское») отталкивание положительно заряженных ядер («одноименно заряженные тела отталкиваются» выучили мы из школьного курса, в памяти сразу встают разошедшиеся листочки электроскопа). Одна из возможностей – термоядерная реакция (вот и произнесено слово, столь существенное в судьбе автора этой книги). При этом ядерная реакция происходит при такой температуре, когда энергия теплового движения достаточна для преодоления отталкивания ядер. В случае изотопов водорода (H – протон, D – дейтон, T – тритон) это – температура порядка нескольких килоэлектронвольт (Кэв) и больше, для многозарядных ядер всех остальных элементов – «порог» во много раз выше (поэтому, в частности, в термоядерном оружии используются только термоядерные реакции между изотопами водорода). 1 Кэв – один килоэлектронвольт – принятая в астрофизике и в теории ядерного оружия единица температуры – соответствует примерно 10 млн. градусов Кельвина. Температура в центре солнца приблизительно 1,5 Кэв, т. е. пятнадцать миллионов градусов.
