Биография

Японский физик Хидэки Юкава родился под именем Хидэки Огава в Токио, но после женитьбы принял фамилию своей жены – Юкава; он был пятым из семи детей Такудзи и Коюки Огава. Через год после его рождения семья переехала в Киото, где его отец занял пост профессора геологии Киотского императорского университета.

Сайт: Электронная библиотека НиТ

Хидэки рос в культурной и интеллектуальной атмосфере. Его отец активно интересовался археологией, историей и литературой древнего Китая и Японии. Еще маленьким мальчиком Хидэки познакомился с китайской классикой с помощью своего деда по отцовской линии, филолога. В 3-й школе в Киото, которую он окончил в 1926 г., он увлекался литературой, философией и математикой, но больше всего его привлекала современная физика, с которой он познакомился, прочитав книги по теории относительности и квантовой механике на японском языке, имевшиеся в школьной библиотеке. Он самостоятельно изучил немецкий язык, для того чтобы прочесть в оригинале многотомное издание трудов Макса Планка, которое купил, роясь в завалах одной из книжных лавок.

Окончив школу, Хидэки поступил в Киотский императорский университет, где изучал физику по ускоренной программе и выделялся тем, что проводил высокоточные эксперименты в лаборатории Кадзюро Тамаки. Написав диссертацию о свойствах уравнения П.А.М. Дирака, где теория относительности применяется к квантовой механике при описании движения атомных частиц, он получил степень магистра в 1929 г. Хидэки оставался в лаборатории Тамаки в качестве ассистента без оплаты, но теоретическая физика начинала интересовать его больше экспериментальной. В Европе велась интереснейшая работа в области квантовой теории, и молодого физика буквально захватили многие ее нерешенные проблемы. В его университетских курсах квантовая теория изучалась в небольшом объеме, но между 1929 и 1932 гг. он изучил ее самостоятельно, читая нужную литературу. Он беседовал с Вернером Гейзенбергом и Дираком, когда они приезжали в Киото, а также познакомился с Ёсио Нисиной, который работал с Нильсом Бором в Копенгагене. Ю. признавался позже, что Тамаки и Нисина оказали решающее влияние на его решение посвятить себя теоретической физике, отмечая при этом и отсутствие экспериментальных наклонностей ввиду неспособности «освоить изготовление обычной стеклянной лабораторной посуды». В 1932 г. он стал лектором по физике в Киотском университете, год спустя – в Осакском университете, а в 1936 г. – ассистент-профессором в Осаке.

Именно в Осаке Ю. начал всерьез размышлять над проблемой, которая два последних десятилетия занимала умы физиков: почему ядро атома не раскалывается на части? Какое-то время уже было известно, что ядро содержит плотно упакованные положительно заряженные частицы (протоны). Поскольку одноименные электрические заряды отталкиваются друг от друга, а сила отталкивания быстро возрастает при уменьшении расстояния между зарядами, сцепление протонов казалось загадкой. Открытие Джеймсом Чедвиком в 1932 г. нейтрона, незаряженной частицы с массой, почти равной массе протона, еще более все запутало. Нейтрон, вскоре признанный еще одним обитателем ядра, объяснил существование изотопов, элементов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Однако проблема связи протонов оставалась, осложненная необходимостью объяснить связь нейтронов друг с другом и с протонами. Гравитация, взаимное притяжение всех масс, слишком слаба, чтобы оказывать значительное влияние на внутриядерное сцепление.

Некоторые видные физики, включая Гейзенберга, предлагали свои теории ядра, но ни одна из них не выдерживала критики. Было ясно, что существует неизвестная ядерная сила, но она должна быть необыкновенно сильной и действовать на коротких расстояниях. Более того, специалисты по квантовой физике должны были прийти к тому, чтобы рассматривать известные силы как силы, действующие через обмен частичками, содержащими единицы энергии сил поля, называемых квантами. В случае электромагнитного поля такой частицей является фотон, квант электромагнитной энергии. У фотона нет массы покоя – свет или движется, или не существует.

В 1935 г. Ю. предположил, что большая сила, удерживающая ядро от распада, связана с обменной частицей, имеющей большую массу. Он опубликовал сложную, но содержательную теорию, которая позволила ему подсчитать массу (примерно в 200 раз больше массы электрона) гипотетической частицы. Он также показал, что ее невозможно обнаружить при обычных ядерных реакциях, поскольку ее большая масса эквивалентна очень большой энергии, но можно было бы поискать при столкновении космических лучей с атомными ядрами.

Статья Ю. появилась в японском физическом журнале. Хотя она была написана на английском языке, она два года оставалась незамеченной.

Американский физик Карл Д. Андерсон открыл позитрон в 1932 г., изучая фотографии треков, полученных при прохождении космических лучей через ионизационную камеру. (Частицы, подобные тем, что присутствуют в космических лучах, невидимы, но электризуют водяной пар в камере и вынуждают его конденсироваться в видимые капельки.) В 1937 г., очевидно не зная о гипотезе Ю., Андерсон обнаружил треки ранее неизвестной частицы с массой, аналогичной той, что была у гипотетической частицы Ю. Сначала она была названа мезотроном, а затем мезоном (от греческого «мезо», что значит «средний», поскольку масса частиц была промежуточной между массами электрона и протона). Это открытие принесло известность предсказанию Ю., и западные физики стали исследовать возможные связи. Однако спустя несколько лет они поняли, что частицы Андерсона и Ю. – это разные частицы. В частности, наблюдаемый мезон слабо взаимодействовал с ядром (Ю. постулировал сильное взаимодействие), а время его жизни было более чем в 100 раз длиннее, чем предсказанная одна стомиллионная доля секунды. Некоторые физики стали подозревать, что Ю. пошел по ложному пути.

Ю. вернулся в Киотский императорский университет в 1939 г. Поскольку он был к тому времени уже известным теоретиком, его присутствие помогло физическому факультету университета получить международное признание. Вторая мировая война прервала связи между японскими и западными физиками, но Ю. продолжал свое исследование частиц. В 1942 г. два его сотрудника, Ясутака Таникава и Сойти Саката, предположили, что существует два вида мезонов, более тяжелый и более легкий, и что Андерсон обнаружил более легкий тип в космических лучах на уровне моря. Было похоже, что более тяжелая частица Ю. может быть обнаружена только в верхних слоях атмосферы, где первозданные космические лучи впервые взаимодействуют с атомными ядрами. Затем частица быстро распадается на более легкий тип мезонов, большее время жизни которых позволяет им достигать меньших высот.

В 1947 г. Сесил Ф. Пауэлл обнаружил частицу Ю. с помощью ионизационной камеры, помещенной на больших высотах. Почти наверняка он не был знаком с работой Таникавы и Сакаты, но, похоже, ему была известна двухмезонная гипотеза, предложенная Робертом Е. Маршаком и Хансом А. Бете в 1947 г. В 1948 г. мезоны были искусственно получены в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли.

В связи с этими открытиями Ю. был «оправдан» и получил в 1949 г. Нобелевскую премию по физике «за предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам». Частица Ю. стала известна как пи-мезон, затем просто пион. Более легкая частица Андерсона получила название мю-мезон, а затем мюон. На самом деле пионы бывают трех видов: один – электрически нейтральный, другой несет положительный заряд и третий заряжен отрицательно. Похоже, что мюоны почти идентичны электронам, за исключением их большой массы. Позже были обнаружены многие другие типы мезонов.

Когда Ю. узнал о награде, он находился в США, взяв годом ранее отпуск в Киотском университете, чтобы заняться исследовательской работой в Институте фундаментальных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси). Проведя год в этом институте, он принял приглашение Колумбийского университета поработать Там приглашенным профессором. Финансировав его пребывание там с 1951 г., университет назначил его профессором физики. В 1953 г. Ю. вернулся в Киотский университет, заняв там пост директора Научно-исследовательского института фундаментальной физики. Здесь он продолжал свои исследования по квантовой физике и элементарным частицам, а также много времени уделял воспитанию целого поколения молодых японских физиков вплоть до ухода в отставку в 1970 г.

Начиная с 1954 г., когда США провели испытание водородного оружия, уничтожившее атолл Бикини в Тихом океане, Ю. стал публично выступать против ядерного оружия «как ученый, японец и представитель всего человечества». Он был среди подписавших «Обращение Рассела» (по имени его автора Бертрана Рассела), который призвал правительства решать свои конфликты мирным путем. Ю. также принимал участие в конференциях, на которых ученые обсуждали вопросы разоружения.

Ю. (тогда Огава) женился на Суми Юкава в 1932 г. Они воспитали двоих сыновей. В свои последние годы он вновь вернулся к увлечениям молодости, стал интересоваться историей, литературой и философией, а также писал стихи на японском языке. Помимо научных работ, он опубликовал и философские размышления. В своей книге «Творчество и интуиция: взгляд физика на Восток и Запад» («Creativity and Intuition: A Physicist Loks at East and West», 1973) Ю. высоко оценивал влияние восточных философов, особенно даосских философов Лао-цзы и Чжуан-цзы, на его собственный образ мышления.

Кроме Нобелевской премии, Ю. награжден императорской премией Японской академии наук (1940), золотой медалью им. Ломоносова АН СССР (1964), орденом «За заслуги» правительства ФРГ (1967) и орденом Восходящего Солнца – японской государственной наградой (1977). Он был членом десятка престижных научных академий и обществ, включая американскую Национальную академию наук, Японское физическое общество, Лондонское королевское общество и АН СССР.