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

Спустя 10 лет после формулировки специальной теории относительности Эйнштейн представил миру общую теорию относительности, которая совершенно по-новому описывала принципы тяготения (гравитации). На 250 лет ранее Ньютон трактовал тяготение как силу притяжения между физическими телами. Его приближения по-прежнему вполне верны для решения большинства практических задач, даже для запуска космического корабля на Луну. Однако Эйнштейн в рамках своей общей теории относительности предложил рассматривать силу тяжести как геометрический феномен – искривление пространства-времени, возникающее под действием массы. Его величественные уравнения превосходят по точности законы Ньютона, так как отлично описывают физические законы, действующие и на сверхвысоких скоростях, и в условиях мощных гравитационных полей – подобных тем, что возникают в непосредственной близости от черных дыр. Более того, все затеи с GPS-навигацией даже в сравнительно слабом гравитационном поле Земли провалились бы с треском, если бы при их разработке не учитывались уравнения Эйнштейна. Часы на искусственных спутниках программируются инженерами с учетом феноменов специальной и общей теории относительности – именно поэтому спутниковые и наземные часы отсчитывают время совершенно синхронно.

В первой трети XX в. работала целая плеяда физиков – Макс Планк, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг – разрабатывавших основы квантовой механики. Эта дисциплина была призвана объяснить законы взаимодействия материи и излучения на субатомном уровне. Планк и другие полагали, что энергия передается в виде дискретных пучков, так называемых «квантов». Атомы поглощают или излучают кванты, в результате чего переходят, соответственно, на более высокий или более низкий энергетический уровень. Осознав этот факт, физики стали рассматривать материальный мир под совершенно новым углом. Классическая физика трактовала свет как волну, но теперь свет можно было описать и как поток частиц, называемых «фотонами». Кроме того, выяснилось, что элементарные частицы, например, электроны, проявляют и волновые свойства. Этот феномен получил название «корпускулярно-волновой дуализм». Концепция корпускулярно-волнового дуализма подразумевает, что в субатомном мире не существует четкой разницы между частицей и волной; напротив, электрон, фотон и другие частицы могут выступать то в одной, то в другой ипостаси. Такая теория позволила гораздо полнее описать взаимодействие между излучением и материей. Более того, Гейзенберг указал, что в квантовом мире царит постоянная неопределенность, не позволяющая полностью описать все свойства, которые присущи любой частице в каждый момент времени. Детерминизм классической физики на квантовом уровне не работает, уступая место статистическим вероятностным показателям. Квантовые эксперименты не оканчиваются строго определенными результатами, а лишь позволяют спрогнозировать вероятность того или иного результата. Для иллюстрации именно этого феномена Эрвин Шрёдингер предложил знаменитый мысленный эксперимент, получивший название «Кот Шрёдингера». Согласно этому эксперименту, кот, заключенный в герметичном ящике, в любой момент времени может быть как жив, так и мертв; наблюдатель сможет с определенностью узнать состояние кота, только если вмешается в эксперимент (откроет ящик). Следствия таких теоретических построений оказались настолько поразительными, что Нильс Бор якобы даже изрек: «Всякий, кто не был шокирован квантовой теорией, просто ее не понял».

Интересно отметить, что в этот период бурного расцвета физики теоретическая и экспериментальная наука развивались одинаково активно. Иногда эксперименты давали поразительные подтверждения теоретических прогнозов. Именно такой случай произошел в 1919 г., когда две группы астрономов, наблюдая солнечное затмение в разных точках земного шара, убедительно доказали: Солнце действительно искривляет свет, приходящий от далекой звезды, – в полном соответствии с общей теории относительности Эйнштейна. В других случаях те или иные экспериментальные данные удавалось адекватно объяснить при помощи новой теории. Например, Бор использовал концепцию квантования энергии, чтобы объяснить цвет спектральных линий атомов водорода при поглощении света этими атомами. Он предположил, что спектральные линии возникают при переходе электронов с одной орбиты атома на другую, причем эти орбиты в атомном ядре являются фиксированными. Сам Эйнштейн опирался на квантовую теорию, описывая, как свет, попадающий на определенные материалы, «высекает» из них электроны. Однако время от времени результаты экспериментов выявляли противоречия, и теоретикам ничего не оставалось, кроме как искать новые объяснения для этих природных феноменов.

На фоне столь бурных событий и были «придуманы» нейтрино. Физики буквально создали их на кончике пера, применив такую уловку, чтобы справиться с нараставшим кризисом в ядерной физике. Лишь много позже существование нейтрино было подтверждено экспериментально. Когда ученым не удалось установить, куда девается часть энергии, выделяющейся при бета-распаде, один ученый-теоретик решил, что необходимо «изобрести» новую частицу, наличие которой позволило бы устранить эту неувязку. Этим теоретиком-чародеем был дерзкий молодой гений, начинающий физик по имени Вольфганг Паули.

Паули родился в Вене в 1900 г. и вырос в атмосфере, где всегда приветствовалось обсуждение с детьми серьезных вопросов. Отец Паули был известным профессором-химиком, а мать – журналисткой, писала театральные рецензии, исторические эссе и политические статьи с социалистическим уклоном. У мальчика Вольфи было счастливое детство – он проводил время за играми с младшей сестрой, подолгу гулял в лесу, раскинувшемся неподалеку от дома, плавал в Дунае. В школе он пользовался авторитетом среди однокашников, а также с удовольствием подшучивал над учителями. Так, одного низенького учителя, который обладал способностью откуда ни возьмись очутиться прямо в компании школьников, Паули прозвал U-Boot (подводная лодка). По древнегреческому и латыни Паули успевал неважно, зато просто блистал на уроках математики и физики. Вскоре он стал скучать на школьных занятиях по естественным наукам, и отец выхлопотал Паули частные уроки, на которых молодой человек приступил к углубленному изучению физики.

Именно приглашенный отцом учитель познакомил юного Паули с общей теорией относительности Эйнштейна. Немногие физики в те годы понимали эту красивую, но революционную теорию, а тем более – ее невероятно глубокую подоплеку. Но Паули не составило труда с ней разобраться. Всего через два месяца после окончания средней школы он написал собственную научную статью на эту тему. Паули был твердо намерен сделать академическую карьеру в области физики и в 1918 г. отправился в Мюнхен учиться у Арнольда Зоммерфельда, одного из первопроходцев в нарождающейся науке – квантовой механике. Статья Паули, с которой ознакомился даже сам Эйнштейн, очень впечатлила Зоммерфельда. Он написал об этом одному коллеге, отмечая: «Я познакомился с изумительным представителем венской интеллектуальной элиты. Это молодой Паули – студент первого курса!»

Альберт Эйнштейн и Вольфганг Паули

(Pauli Archive, CERN)

За три года работы под руководством Зоммерфельда Паули защитил докторскую диссертацию в области квантовой механики. Затем по просьбе Зоммерфельда он подготовил обзорную статью по теории относительности для «Энциклопедии математических наук». Эта 240-страничная «статья» была позже опубликована как монография. Эйнштейн, прочитав шедевр Паули, восторженно отозвался о его труде: «Тот, кто будет читать эту зрелую и тщательно продуманную работу, вряд ли поверит, что ее автору всего 21 год. Не известно, чему следует удивляться больше: глубокому психологическому пониманию хода развития идей, безупречности математических выводов, глубокому проникновению в физическую сущность явлений, способности ясно и систематически излагать предмет, литературной эрудиции, полноте изложения, уверенности критика».

Вскоре Паули стал переписываться с ведущими физиками со всей Европы. Письма, которые он шутливо подписывал «Бич Божий», отличались остроумием и сарказмом, а также бескомпромиссной критикой.

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.