Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Паули написал это письмо, которое впоследствии стало знаменитым, всего через восемь дней после оформления развода. Он обратился к читателям так: «Уважаемые радиоактивные дамы и господа!»[11] В этом письме Паули объявил, что «предпринял отчаянную попытку спасти… закон сохранения энергии». Он писал: «Имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть нейтронами», на основании чего сделал следующий вывод: «Непрерывный бета-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается еще и нейтрон таким образом, что сумма энергий нейтрона и электрона остается постоянной».

Гипотеза Паули без всякого преувеличения была исключительно дерзкой, и он сознавал, насколько отчаянный поступок совершает. В те годы физикам было известно всего о трех элементарных частицах: протоне, электроне и фотоне. Попытка выдумать совершенно новую частицу, якобы «пока еще не обнаруженную», для решения нетривиальной научной проблемы могла показаться коллегам глупой отговоркой. Далее в письме говорилось следующее: «Пока я не решаюсь публиковать что-нибудь по поводу этой идеи. Полагаю, мое объяснение на первый взгляд может показаться маловероятным, поскольку если бы нейтроны действительно существовали, то кто-нибудь их бы, наверное, заметил. Но кто не рискует – тот не побеждает. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного бета-спектра становится особенно яркой после слов профессора Дебая, сказанных мне с сожалением во время нашей беседы в Брюсселе: “Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах”. Следовательно, необходимо серьезно обсудить любой путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, рассматривайте и судите сами».

Завершая письмо, Паули объяснил свое отсутствие на конференции так: «К сожалению, я сам не могу появиться в Тюбингене, так как предстоящий в Цюрихе бал в ночь с 6 на 7 декабря лишает меня этой возможности». Действительно, бал давали в роскошном отеле Baur au Lac, откуда открывался вид на озеро и Альпы, и это событие было настоящей жемчужиной светского цюрихского календаря, распланированного на всю зиму. Вероятно, Паули желал во что бы то ни стало побывать на этом вечере, чтобы поскорее забыть о разводе. Удивительно, что при всей своей самоуверенности Паули серьезно сомневался, имел ли он право высказать такую идею в области субатомной физики. «Я совершил ужасный поступок. Заявил о существовании частицы, которую невозможно обнаружить. Физик-теоретик не имеет права делать что-либо подобное», – признавался он в письме немецкому астроному Вальтеру Бааде.

Следующим летом Паули побывал в США, где выступил с лекциями в нескольких городах. На конференции, состоявшейся в Пасадене, штат Калифорния, он впервые публично выступил с рассказом о своей гипотетической частице. «Правда, на тот момент тема по-прежнему казалась мне довольно сомнительной, я не хотел, чтобы мой доклад печатали», – вспоминал он впоследствии. Однако новость о его выступлении распространилась быстро, не в последнюю очередь благодаря статье, опубликованной в номере The New York Times от 17 июня 1931 г. В ней, в частности, говорилось: «Сегодня мир теоретической физики познакомился с новым обитателем субатомного мира: доктор В. Паули-младший из Швейцарской высшей технической школы, город Цюрих, сделал доклад о существовании элементарных частиц, которые он окрестил нейтронами».

В ходе лекционного турне Паули продолжал размышлять об этой гипотетической частице и обсуждать ее с коллегами, но в то же время не мог отвлечься от тяготивших его проблем. Несмотря на сухой закон, который действовал в то время в США, Паули умудрялся разжиться в дороге нелегальным алкоголем. Особенно основательно он запасся спиртным в городе Анн-Арбор, штат Мичиган, расположенном неподалеку от канадской границы. Регулярно злоупотребляя горячительными напитками в тот период, на одной домашней вечеринке он даже упал с лестницы, прокатившись через целый пролет. Он жаловался: «Недавно (признаться, будучи немного навеселе) я так неудачно свалился с лестницы, что даже сломал плечо. Теперь вот лежу в постели, жду, пока кости срастутся. Скука смертная». Сохранилась фотография с одной из лекций, где Паули выступал с недолеченной рукой – на снимке хорошо заметен механический стержень, фиксирующий сустав ученого. В целом путешествие очень понравилось Паули, хотя он и сетовал о пуританских нравах американцев и о «никудышной» пище, которой его потчевали в Калифорнийском технологическом институте. Кроме того, он с горечью отзывался о пустоте в своей личной жизни: «Ничего у меня с барышнями не клеится. Думаю, ловить мне с ними нечего, – писал он другу, сидя в номере нью-йоркского отеля, – так что, боюсь, придется с этим жить, как бы тяжело порой ни было. Мне кажется, что дальше я буду только стареть и погрязать в одиночестве. Вечное одиночество – как же это скучно».

Из Америки Паули отправился в Италию на еще одну конференцию по ядерной физике. Именно там он познакомился с Энрико Ферми – харизматичным молодым профессором из Римского университета. Ферми родился в 1901 г. в семье железнодорожного служащего и учительницы, был младшим их трех детей. Уже в детстве Энрико проявлял математические способности. У него сложились особенно близкие отношения с братом Джулио; мальчишки любили вместе мастерить самодельные электромоторы и другие игрушки. Поэтому неожиданная смерть Джулио (он умер, казалось бы, при пустяковой операции на горле) стала для Энрико тяжелым ударом. Его безутешная мать впала в глубокую меланхолию, а Энрико, которому едва исполнилось 14 лет, стал еще более замкнутым, чем ранее. Он погрузился в чтение учебников по физике, которые покупал на книжном развале. Один из коллег отца заметил склонность парня к науке и посоветовал ему поступать в Высшую нормальную школу[12]. Всего через четыре года после поступления Ферми не только окончил полный курс университета, но и написал докторскую диссертацию. Лаура Ферми в своей книге «Атомы у нас дома»[13] (Atoms in the Family) рассказывает, что защита диссертации Энрико проходила довольно напряженно: «Одиннадцать экзаменаторов в черных тогах и четырехугольных шапочках торжественно и важно заседали за длинным столом. Ферми, сам в черной тоге, стоял перед ними, спокойно и уверенно рассказывая о своей работе. Сначала экзаменаторы слушали, потом одни начали зевать, прикрывая рот рукой, другие в недоумении поднимали брови, кое-кто откинулся в кресле и вовсе перестал слушать. По-видимому, эрудиция Ферми оказалась выше их понимания. Ферми получил свою степень Magna cum laude, но ни один из экзаменаторов не пожал ему руки, не поздравил его»[14].

Получив государственную стипендию, Ферми смог отправиться в Германию и Нидерланды, чтобы поработать с великими физиками того времени. В 26 лет Ферми был приглашен в Римский университет на должность профессора, после чего быстро сплотил вокруг себя группу талантливых студентов. Многие из них впоследствии сами оставили заметный след в физике – в частности, Бруно Понтекорво и Этторе Майорана, о которых мы подробнее поговорим позже. Коллеги прозвали Ферми «Папа», поскольку он был прирожденным лидером и казался непогрешимым.

Ферми был очень заинтригован оригинальной разгадкой бета-распада, предложенной Паули. Как вспоминал сам Паули, итальянец «сразу же неподдельно заинтересовался моей идеей и очень положительно воспринял гипотезу о существовании новой элементарной частицы». Ферми, как и Паули, считал неприемлемым предложение Бора отказаться от закона сохранения энергии, поскольку это подорвало бы самые основы физики. В следующем году Джеймс Чедвик открыл в атомном ядре ранее неизвестную нейтральную элементарную частицу. Однако она имела практически такую же массу, как и протон, – то есть была слишком тяжелой по сравнению с гипотетической частицей Паули. Поскольку Чедвик назвал открытую им частицу словом «нейтрон» (именно этим термином Паули ранее именовал «свои» крошечные частицы), Ферми предложил называть частицы Паули новым словом – «нейтрино». Этот термин можно перевести с итальянского как «нейтрончик». Новое слово прижилось.

Тем временем в Цюрихе Паули продолжал безудержно пить, курить и увиваться за женщинами. Он то и дело засиживался в барах, дрался, ссорился с коллегами. У Паули случались резкие перепады настроения, к концу 1931 г. он оказался на грани нервного срыва. По совету отца Паули обратился за консультацией к прославленному психоаналитику Карлу Юнгу. Он читал работы Юнга, посещал его лекции и, наконец, договорился о встрече с этим знаменитым врачом. Вот как Юнг описывал свою первую встречу с Паули: «Когда этот убежденный рационалист [Паули] … впервые пришел ко мне на прием, он был в такой панике, что не только он, но даже я сам чувствовал, как будто в комнате витает дух сумасшедшего дома». Отношения с женщинами у Паули не складывались, поэтому он очень удивился предложению Юнга, который посоветовал гостю пройти курс психотерапии у Эрны Розенбаум – одной из молодых учениц великого психолога. Паули согласился, полагая, что «попытка не пытка». На протяжении нескольких следующих месяцев он рассказал Розенбаум сотни своих снов – на психотерапевтических сеансах и в письмах. Их общение продолжалось, даже когда Эрна переехала из Цюриха в Берлин. Позже Юнг сам занялся лечением Паули. Паули посещал сеансы Юнга на протяжении двух лет; в эти годы психолог и физик напряженно работали – Паули описывал Юнгу свои сны, порой в мельчайших подробностях, а Юнг, в свою очередь, давал развернутый анализ содержащихся в них мотивов и символов.