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

Коллеги рассказывали, что Паули любил говаривать «Это не только неправильно, это даже не дотягивает до ошибочного!», развенчивая теории, которым явно не хватало строгости и проверяемых гипотез. Однажды, когда Эйнштейн выступил в Берлине с лекцией по теории относительности, маститые профессора, присутствовавшие в аудитории, несколько смутились – никто не решался первым задать вопрос. Тут поднялся Паули и беззастенчиво заявил: «То, что рассказал нам профессор Эйнштейн, не так уж и глупо, как может показаться на первый взгляд». В другой раз Паули сделал такое множество замечаний по поводу лекции, прочитанной Паулем Эренфестом (этот голландский физик был на 20 лет старше Паули), что сам Эренфест сказал ему: «Ваши статьи нравятся мне гораздо больше, чем вы сами!» Паули парировал: «Странно. Мои чувства к вам прямо противоположны!» Позже Паули и Эренфест стали друзьями, но не упускали случая обменяться колкостями. Разумеется, ершистый Паули многим не нравился, но он снискал уважение коллег не только за блестящий интеллект, но и за честность и прямоту. Ученые считали Паули «совестью физики» и часто интересовались «А что по этому поводу думает Паули?», когда знакомились с теми или иными новыми идеями.

Паули провел немало времени в Гёттингене и Копенгагене, где работал вместе с другими великими физиками, а затем стал научным сотрудником в университете Гамбурга. Работая в Гамбурге, 25-летний Паули сформулировал знаменитый принцип квантовой механики («принцип запрета»), который сегодня носит его имя. Принцип Паули критически важен не только для понимания свойств целого класса субатомных частиц, известных под общим названием «фермионы» (к которым относятся электроны, протоны и нейтроны), но также для описания внутренней организации звезд. Принцип Паули гласит, что никакие два фермиона в пределах одной квантовой системы не могут в один и тот же момент пребывать в одинаковом «квантовом состоянии» – то есть не могут обладать одинаковым спином и энергией. В субатомном мире этот принцип обусловливает структуру электронных оболочек внутри атомов: на одном и том же энергетическом уровне могут находиться не более двух электронов с одинаковым спином, поэтому другим электронам приходится заполнять новые энергетические уровни. В космическом масштабе принцип Паули объясняет, почему возникают белые карлики (сверхплотные звездные). В белый карлик превращаются такие звезды, как Солнце, когда они израсходуют все свое ядерное топливо и начинают сжиматься. Материя в белых карликах сжата настолько сильно, что на каждом энергетическом уровне уже сидит по паре электронов. После достижения такого предела сила гравитации уже не может сжать белый карлик еще сильнее (по крайней мере без радикального увеличения массы этого небесного тела), поэтому белый карлик не превращается в черную дыру. За открытие принципа запрета Паули спустя 20 лет получил Нобелевскую премию по физике, поскольку этот принцип позволяет объяснить самые разнообразные физические явления.

На рубеже 30 лет в жизни Паули наступил неспокойный период. Его отец, давно прослывший бабником, бросил мать Паули ради молодой женщины, которая была просто отвратительна самому Вольфгангу. Вскоре после разрыва с мужем мать Паули свела счеты с жизнью, приняв яд. Отцовская измена и трагическая смерть матери надломили Паули. Однако в тот же месяц, когда молодой человек потерял мать, он получил и хорошую новость: ему предложили должность профессора в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, несмотря на то что Паули был известен как посредственный лектор. Он прибыл в Цюрих в апреле 1928 г., чтобы занять этот престижный пост. По словам самого Паули, он был «одет как турист, с рюкзаком за спиной».

Правда, на новом месте Паули так и не воспрял духом. Исследования не ладились, он даже подумывал завязать с физикой и взяться за написание утопического романа. Разочарованный Паули жаловался в одном из писем Бору, что проблема заключалась совсем не в нехватке времени на научные исследования: «Я просто туп и ленив. Эх, если бы кто-нибудь ежедневно давал мне встряску! Но с тех пор, как делать это стало некому, приходится изыскивать другие средства, чтобы оживить интерес к физике». Возможно, Паули не мог сосредоточиться на работе, так как его расхолаживала вольготная жизнь в Цюрихе: он плавал в озере, обедал в дорогих ресторанах, посиживал с коллегами в пивных, общался с известными адвокатами, писателями и деятелями искусств. После такой передышки, продлившейся несколько месяцев, Паули удалось завершить в соавторстве с Гейзенбергом две важные научные работы по теории квантовой электродинамики, описывающие взаимодействие света и материи.

Именно тогда Паули влюбился в Кэти Деппнер, с которой познакомился на вечеринке у одного из друзей. Вольфганг впервые повстречал Кэти несколькими годами ранее, будучи в Берлине. В Швейцарии между ними вспыхнула бурная страсть, уже в декабре 1929 г. они поженились. Однако этот роман с самого начала был обречен. Еще до брака с Паули Кэти увлеклась другим мужчиной, а после свадьбы отказалась порвать с любовником. Паули знал об интрижке и пытался как-то с этим ужиться. Он шутил, что женился «кое-как», и обещал друзьям, что всем разошлет письменные уведомления, если его супруга все-таки сбежит с любовником. Этот мезальянс просуществовал около года, после чего ожидаемо последовал развод. Паули, сокрушенный и опечаленный, жаловался, что любовь всей его жизни предпочла ему посредственного химика. «Да был бы это хотя бы тореадор – кто-нибудь настолько привлекательнее меня! А тут – какой-то химик…» – сетовал он.

Правда, несмотря на неурядицы в личной жизни, Паули сумел вновь сосредоточиться на науке и восстановить творческий подход к работе. Из всех животрепещущих научных проблем в тот период его наиболее волновал хаос, который царил в ядерной физике. К 1930 г. теория квантовой механики уже пользовалась безоговорочным авторитетом, причем благодаря этой теории удалось достичь ошеломляющих успехов. Но сохранялась одна заковыристая проблема: физики заметили, что всякий раз, когда радиоактивный атом теряет электрон, часть высвобождаемой при этом энергии куда-то девается. Это противоречило фундаментальному физическому закону сохранения энергии: количество исходящей энергии должно быть равно количеству затраченной. Такое несоответствие озадачивало многих ведущих ученых, в том числе Паули, так как указывало на принципиальный изъян в понимании квантовой физики.

Вся эта история началась еще в 1896 г., когда французский физик Анри Беккерель совершенно случайно открыл явление радиоактивности. Беккерель оставил в выдвижном ящике несколько фотопластинок, нечаянно положив рядом с ними образцы солей урана. Через несколько дней он с удивлением обнаружил на фотопластинках пятна, как будто они были засвечены. Беккерель догадался, что соли урана испускают какое-то неизвестное излучение. Ученый поставил несколько уточняющих опытов и выяснил, что такое излучение действительно существует, причем является неотъемлемым свойством урана. Любопытная находка Беккереля заинтересовала многих ученых. В те годы в Кембридже работал Джозеф Томсон – первооткрыватель электрона. Он рассказал об открытии Беккереля своему аспиранту Эрнесту Резерфорду и посоветовал обратить внимание на это явление. Резерфорд приехал в Англию из пасторальной Новой Зеландии. Он был четвертым из 12 детей в простой крестьянской семье, что не помешало ему блестяще учиться в университете. Кстати, Резерфорд экспериментировал с радиоприемником примерно в тот же период, что и Маркони[9]. Получив именной грант, Резерфорд перебрался в Англию, где намеревался подготовить докторскую диссертацию на тему радиоволн под руководством Томсона. Действительно, живо заинтересовавшись открытием Беккереля – а также, вероятно, зная о скептическом мнении известного физика лорда Кельвина, считавшего, что «у радио нет будущего», – Томсон порекомендовал Резерфорду исследовать этот новый вид излучения.

Резерфорд приступил к систематическому изучению беккерелевских «урановых лучей». Для этого он поставил ряд хорошо продуманных экспериментов. Он оборачивал уран в алюминиевую фольгу, постепенно увеличивая количество таких оберток. Резерфорд пришел к выводу, что уран испускает как минимум два типа лучей. Первый тип лучей, которые он назвал «альфа-излучением», не мог проникнуть даже через лист тонкой алюминиевой фольги. Лучи второго типа, «бета-излучение», пробивали защитный слой в 100 раз толще. Французский физик Поль Виллар, экспериментируя с солями радия, в 1900 г. открыл и третий тип излучения. Естественно, это явление было названо «гамма-излучением» – по третьей букве греческого алфавита.