Нобелови лауреати – 1949 година

Хидеки Юкава (湯川秀樹)

23 януари 1907 г. – 8 септември 1981 г.

Нобелова награда за физика

(За предсказаното съществуване на мезоните въз основа на теоретичната му работа, свързана с ядрените сили.)

Японският физик Хидеки Юкава е роден като Хидеки Огава в Токио, но след женитбата си взема фамилията на своята съпруга - Юкава; той е петото от седемте деца на Такуджи и Коюки Огава. Една година след раждането му семейството се мести в Киото, където баща му заема поста професор по геология в Киотския императорски университет.

Хидеки расте в културна и интелектуална атмосфера. Баща му се интересува активно от археология, история и литература на древния Китай и Япония. Още като малко момче Хидеки се запознава с китайската класика с помощта на своя дядо по бащина линия, който е филолог. В 3-то училище в Киото, което завършва през 1926 г., Юкава се увлича от литературата, философията и математиката, но най-много го привлича съвременната физика, с която се запознава, като чете книги за теорията за относителността и за квантовата механика на японски език, които се намират в училищната библиотека. Той учи самостоятелно немски език, за да прочете в оригинал многотомното издание на Макс Планк, което купува, ровейки една от купчините книги в книжарниците.

Като завършва училище, Хидеки постъпва в Киотския императорски университет, където учи физика по ускорена програма и се отличава с това, че провежда много точни експерименти в лабораторията на Каджуро Тамаки. Пише дисертация за свойствата на уравнението на П. А. М. Дирак, в която теорията за относителността се прилага към квантовата механика при описване на движението на атомните частици, и получава магистърска степен през 1929 г. Хидеки остава в лабораторията на Тамаки като асистент без заплащане, но теоретичната физика започва да го интересува повече от експерименталната. В Европа се осъществяват интересни изследвания в областта на квантовата теория и младият физик е буквално обзет от многото нерешени нейни проблеми. В университетските курсове квантовата теория се изучава малко, но между 1929 и 1932 г. той се запознава с нея самостоятелно, като чете нужната литература. Юкава разговаря с Вернер Хайзенберг и Дирак, когато идват в Киото, а също така се запознава с Йошио Нишина, който работи с Нилс Бор в Копенхаген. По-късно Хидеки признава, че Тамаки и Нишина са му повлияли решаващо за посвещаването му на теоретичната физика, като отбелязва и липсата на експериментални наклонности заради неспособността да усвои "изготвянето на най-обикновени стъклени лабораторни съдове". През 1932 г. става лектор по физика в Киотския университет, една година по-късно - в Осакския университет, а през 1936 г. е вече асистент-професор в Осака.

Именно в Осака Юкава започва да размишлява над проблема, който занимава през последните десетилетия умовете на физиците: защо ядрото на атома не се разделя на части? Известно е, че ядрото се състои от плътно сбити положително заредени частици (протони). Тъй като едноименните електрически заряди се отблъскват, а силата на отблъскване нараства при намаляване на разстоянието между зарядите, сцеплението на протоните изглежда загадка. Когато Джеймс Чадуик открива през 1932 г. неутрона, незаредена частица с маса, почти равна на масата на протона, това обърква още повече нещата. Неутронът, признат скоро за още един обитател на ядрото, обяснява съществуването на изотопите, елементи с еднакъв брой протони, но различен брой неутрони. Но проблемът за връзките на протоните остава, усложнен от необходимостта да се обясни връзката на неутроните помежду им и с протоните. Гравитацията, взаимното привличане на всички маси, е прекалено слаба, за да окаже значително влияние на вътрешното сцепление.

Някои видни физици, включително Хайзенберг, предлагат свои теории за ядрото, но нито една от тях не издържа на критиката. Ясно е, че съществува неизвестна ядрена сила, но тя трябва да бъде необикновено силна и да действа на къси разстояния. Нещо повече, специалистите по квантова физика трябва да разглеждат известните сили като сили, които действат чрез обмен на частици, съдържащи единиците енергия на силите на полето, наречени кванти. В случая с електромагнитното поле такава частица е фотонът, квант електромагнитна енергия. Фотонът няма маса на покой - светлината или се движи, или не съществува.

През 1935 г. Юкава предполага, че голямата сила, която удържа ядрото от разпадане, е свързана с обменна частица, която има голяма маса. Той публикува сложна, но съдържателна теория, която му позволява да изчисли масата на хипотетичната частица (около 200 пъти по-голяма от масата на електрона). Той също така доказва, че частицата не може да бъде открита при обикновените ядрени реакции, защото голямата маса е еквивалентна на много голяма енергия, но би могло да бъде потърсена при сблъскването на космическите лъчи с атомните ядра.

Статията на Юкава се появява в японско физическо списание. Макар че е написана на английски език, тя остава две години незабелязана.

Американският физик Карл Д. Андерсън открива през 1932 г. позитрона, когато изучава пътечките, получени при преминаването на космическите лъчи през йонизационна камера. (Частиците, които присъстват в космическите лъчи, са невидими, но зареждат електрически водната пара в камерата и я кярят да се кондензира във вид на нишки от капчици.) През 1937 г., когато очевидно не знае за хипотезата на Юкава, Андерсън открива пътечките на неизвестна преди това частица с маса, аналогична на тази, която има хипотетичната частица на Юкава. Отначало тя е наречена мезотрон, а след това мезон (от гръцката дума "мезо", която означава "среден", защото масата на частицата се намира между масата на електрона и масата на протона). Това откритие прави известно предвиждането на Юкава и западните физици започват да изследват възможните връзки. Но след няколко години разбират, че частицата на Андерсън и частицата на Юкава са различни. По-точно казано, наблюдаваният мезон взаимодейства слабо с ядрото (Юкава говори за по-силно взаимодействие), а времето му на съществуване е над 100 пъти повече от предсказаната една стомилионна част от секундата. Някои физици започват да подозират, че Юкава е тръгнал по неверен път.

Юкава се връща в Киотския императорски университет през 1939 г. Тъй като по това време той е вече известен теоретик, неговото присъствие помага на физическия факултет в университета да получи международно призвание. Втората световна война прекъсва връзките между японските и западните физици, но Юкава продължава да изследва частиците. През 1942 г. двамата му сътрудници, Ясуката Таникава и Сойти Саката, предполагат, че съществуват два вида мезони, по-тежък и по-лек, и че Андерсън е открил по-лекия вариант в космическите лъчи на равнището на морето. Изглежда, че по-тежката частица на Юкава може да бъде открита само в горните слоеве на атмосферата, където космическите лъчи взаимодействат за първи път с атомните ядра. След това частицата се разпада на по-лек вид мезони, чието по-дълго време на живот им позволява да достигнат по-ниски височини.

През 1947 г. Сесил Ф. Пауел открива частицата на Юкава с помощта на йонизационна камера, поставена на голяма височина. Той по всяка вероятност не е започнат с работите на Таникава и Саката, но знае за двумезонната хипотеза, предложена от Робърт Е. Маршак и Ханс А. Бете през 1947 г. През 1948 г. мезоните са получени изкуствено в лабораторията на Калифорнийския университет в Бъркли.

Когато научава за Нобеловата награда, Юкава се намира в САЩ, като взема преди това отпуска от Киотския университет, за да се заеме с изследователска работа в Института за фундаментални изследвания в Принстън (щат Ню Джърси). След една година в института той приема поканата на Колумбийския университета да работи там като външен професор. Като финансира престоя му, през 1951 г. университетът го назначава за професор по физика. През 1953 г. Юкава се връща в Киотския университет, като заема там поста директор на Научно-изследователския институт за фундаментална физика. В университета той продължава своите изследвания, свързани с квантовата физика и елементарните частици, а също така отделя много време за възпитанието на цяло поколение млади японски физици до оставката си през 1970 г.

От 1954 г., когато САЩ провеждат изпитание на водородната бомба, унищожила атола Бикини в Тихия океан, Юкава започва да се изказва публично срещу ядреното оръжие "като учен, японец и представител на цялото човечество". Той е сред подписалите "Обръщение на Ръсел" (по името на Бертран Ръсел), който призовава правителствата да решават своите конфликти по мирен път. Юкава участва също така в конференции, на които учените обсъждат въпросите на разоръжаването.

Юкава (по това време Огава) се жени за Суми Юкава през 1932 г.. Семейството отглежда двама сина. През последните си години той се връща отново към увлеченията от своята младост, започва да се интересува от история, литература и философия, а също така пише стихове на японски език. Освен научните си книги, публикува философски размишления. В книгата си "Творчество и интуиция: поглед върху физиката на Изтока и Запада" ("Creativity and Intuition: A Physicist Loks at East and West", 1973 г.) Юкава оценява високо влиянието на източните философи, особено на даоистите Лао дзъ и Чжуан дзъ, върху неговия начин на мислене.

Освен с Нобелова награда Юкава е удостоен с императорската награда на Японската академия на науките (1940 г.), със златния медал Ломоносов на АН на СССР (1964 г.), с ордена "За заслуги" на правителството на ФРГ (1967 г.) и с Ордена на Изгряващото слънце - японска държавна награда. Той е член на десетки престижни научни академии и дружества, сред които американската Национална академия на науките, Японското физическо дружество, Лондонското кралско дружество и АН на СССР.

Превод от руски: Павел Б. Николов