Теперь ясно, откуда берутся бесконечности. Рассмотрим заряд электрона; его легко измерить и убедиться, что он имеет конечное значение. Однако при вычислениях второго порядка он становится бесконечным. Чтобы понять причину, вспомним, как мы представляем себе электрон. Предполагается, что он окружён облаком частиц, которые маскируют (экранируют) его истинный заряд. Точно так же маскируется и его истинная («голая») масса. В соответствии с такой точкой зрения наблюдаемые заряд и масса электрона являются не истинными величинами, а подвержены действию экранирования. Обойти эту трудность можно прибегнув к вычитанию. Если масса, например, состоит из наблюдаемой и «голой» (бесконечной) масс, нужно вычесть эту бесконечную величину. (Аналогичное вычитание производится и для заряда.) Эта операция называется перенормировкой, а её результат находится в поразительном соответствии с наблюдениями.

Однако этот метод нравится отнюдь не всем, ведь что ни говори, а бесконечность плюс масса минус бесконечность на самом деле не равняется в точности массе? Почему же тогда перенормировка «работает»? Может быть, мы просто не до конца понимаем, что делаем? Отчасти это верно. Возникают даже сомнения в справедливости применяемой теории, и полностью развеять эти сомнения нельзя, так как никто точно не знает, насколько она верна. Приходится делать вид, что всё в порядке, закрывая глаза на имеющиеся трудности, и находить оправдание в том, что теория хорошо описывает результаты наблюдений.

Квантовая электродинамика оказалась настолько удачной, что скоро по её подобию стали строить теории других взаимодействий, в частности слабых и сильных, в которых было ещё много неясностей. Одним из первых это попробовал сделать 28-летний японский физик, который хотел стать экспериментатором, но не смог овладеть требующимися для этого навыками и потому неохотно переключился на теоретическую физику. Звали его Хидэки Юкава.

Юкава рассуждал так: если электромагнитные силы переносятся фотонами, то сильная и слабая силы тоже должны иметь соответствующие частицы-переносчики. Однако в отличие от не ограниченного расстоянием электромагнитного взаимодействия, сильное взаимодействие очень короткодействующее; отсюда следует, что у частиц-переносчиц должна быть масса. Для определения этой массы Юкава применил принцип неопределённости и обнаружил, что она должна иметь значение в промежутке между массами электрона и протона и составлять примерно 200 масс электрона. Но в то время о такой частице ничего не было известно.

Поначалу мало кто обратил внимание на идею Юкавы, но в 1936 году (через год после того, как он её выдвинул) было сделано открытие, которое заставило вспомнить о предсказании японского физика. Карл Андерсон, проводивший с помощью камеры Вильсона измерения космических лучей на горе Пайк в Колорадо, обнаружил след с неожиданной траекторией. Радиус кривизны соответствовал частице с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, и все вдруг заинтересовались идеей Юкавы. Неужели удалось обнаружить предсказанную им частицу? Однако при детальном изучении новой частицы оказалось, что, ко всеобщему разочарованию, она не взаимодействует с ядром. Частица Юкавы, переносящая взаимодействие между протонами и нейтронами, должна была бы сильно взаимодействовать с ядром. Обнаруженную частицу назвали мю-мезоном, или кратко, мюоном.

Физики оказались в затруднении: если мюон – это не та частица, которую предсказал Юкава, то что она такое? Зачем она нужна? И как быть с частицей Юкавы? Существует ли она? Прошло ещё десять лет, прежде чем учёные убедились в её реальности. В 1947 году бристольский физик Пауэлл обнаружил среди космических лучей другой мезон, который сильно взаимодействовал с ядром. Эту частицу назвали пи-мезоном, или кратко пионом. Теперь известны три пиона: заряженные (?+, ?– ) и нейтральный (?0).

Вскоре стало ясно, что идея Юкавы вполне разумна и что сильное взаимодействие действительно есть результат обмена мезонами. На фейнмановской диаграмме это выглядит так:

Точно так же, как электрон испускает фотоны и затем поглощает их, протон (и нейтрон) излучает и поглощает пионы. Иными словами, протон и нейтрон должны быть окружены облаком виртуальных пионов. Сильное взаимодействие между двумя протонами можно представить себе в виде обмена пионами. Однако при этом имеется существенное отличие от электромагнитных взаимодействий – пион «действует» лишь на расстоянии примерно 10– 13 см, т.е. облако очень плотно окутывает частицу. Для того чтобы два протона (или два нейтрона, или нейтрон и 188 протон) могли провзаимодействовать, они должны сблизиться на расстояние 10– 13 см.

Испускание и

последующее поглощение

мезона протоном

Окружающее протон облако устроено довольно сложно: оно состоит как из фотонов, так и из пионов. Можно считать, что два протона обмениваются фотонами, находясь на относительно большом расстоянии (когда действует электромагнитная сила), а когда подходят очень близко друг к другу, происходит обмен мезонами, ответственными за сильное взаимодействие.

Юкава, кроме того, предсказал, что слабое взаимодействие также является результатом некоего типа обмена. Первая заметная работа, развивающая эту тему, была написана в 1939 году О. Клейном. Он назвал новую обменную частицу W, и так её называют до сих пор. Через 20 лет его идеи далее развил Джулиус Швингер.

Однако упомянутые выше теории сталкиваются с определёнными трудностями – они не подвергаются перенормировке. Кроме того, константа связи для сильных взаимодействий равна примерно 1, а не 1/137, как в квантовой электродинамике. Это означает, что члены второго и третьего порядков имеют ту же величину, что и члены первого порядка, и перенормировка тут не помогла бы. Константа связи для слабых взаимодействий гораздо меньше, но в соответствующей теории есть другие трудности.