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

Тем временем в Париже Пьер и Мария Кюри также заинтересовались лучами, которые открыл Беккерель. Пьер Кюри, выросший во французской столице, получил домашнее образование – в основном от отца, который был врачом. Окончив физический факультет в Сорбонне, Кюри стал преподавателем физики в этом университете. Вместе с братом он ставил эксперименты, связанные со сжатием кристаллов, – Кюри обнаружил, что таким образом можно генерировать электричество. Позже Кюри исследовал явление магнетизма, посвятив этой проблеме свою докторскую диссертацию; в частности, он открыл, что магнитные свойства веществ изменяются в зависимости от температуры. Мария (в девичестве Склодовская) родилась в польской преподавательской семье и стремилась во что бы то ни стало получить высшее образование. Еще подростком она посещала тайную школу для девушек, организованную польскими патриотами, несмотря на то что власти царской России запрещали подобную деятельность[10]. Позже она работала гувернанткой в богатых варшавских семьях, помогая таким образом сестре оплачивать обучение в парижском медицинском институте.

В возрасте 24 лет Мария сама смогла перебраться в Париж и поступить в Сорбонну. Один из преподавателей Марии познакомил ее с Пьером Кюри; вскоре Мария и Пьер не только отлично сработались, но и полюбили друг друга. В одном из писем к Марии Пьер признавался: «Как было бы прекрасно (об этом я не смею даже думать) вместе пройти по жизни, мечтая: Ваша патриотическая мечта, наша гуманитарная мечта и наша научная мечта. Из всего этого единственная мечта, которая, я верю, может осуществиться, связана с наукой». Сначала Мария отказывалась выйти замуж за Пьера, но наконец согласилась, и они поженились в 1895 г. Это был крепкий союз. Мария писала: «Нас с мужем так тесно связывала наша взаимная страсть и общая работа, что мы практически все время проводили вместе».

Супруги Кюри предложили термин «радиоактивность» в качестве наименования феномена, открытого Беккерелем, и стали искать другие вещества, также обладающие подобными свойствами. Занимаясь лабораторными исследованиями, Кюри установили, что минерал настуран содержит еще два ранее неизвестных элемента, которые еще более радиоактивны, чем уран. Один из этих элементов они назвали «полоний» в честь Польши – родины Марии Кюри, а второй – «радий». Радий давал такое сильное излучение, что даже был теплым на ощупь. Кюри выяснили, что радиоактивность присуща отнюдь не только урану, а также доказали, что некоторые химические элементы выделяют энергию спонтанно, без какого-либо внешнего воздействия.

К сожалению, Пьер и Мария даже не подозревали, каким пагубным является длительное воздействие радиации на организм. Мария Кюри часами работала с радиоактивными веществами в тесном сарае, носила в карманах пробирки с радиоактивными образцами. Она вспоминала: «Мы любили поздним вечером еще раз заглянуть в лабораторию, чтобы побаловать себя фантастическим зрелищем. Повсюду виднелись слабо светящиеся очертания пробирок и мешочков, в которых находились наши препараты. Вид и впрямь был великолепный, всякий раз он казался нам новым. Тлеющие трубки походили на волшебные огоньки». Мария совершенно не подозревала, насколько губительна подобная забава. Вероятно, именно из-за поражения радиацией Мария Кюри умерла, не дожив до 67 лет.

Опираясь на исследования Пьера и Марии Кюри, Резерфорд и его коллеги пришли к выводу, что альфа-лучи состоят из сравнительно тяжелых положительно заряженных частиц. Позже выяснилось, что альфа-частицы действительно являются осколками крупных атомных ядер и каждая такая частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, тесно связанных между собой. Иными словами, альфа-частица – это фактически ядро гелия, очень легкого газа, стоящего в таблице Менделеева под номером 2 – сразу после водорода. Таким образом, физики установили, что, когда нестабильное ядро тяжелого элемента, например урана, испускает альфа-частицу, оно в результате превращается в ядро уже другого, чуть более легкого элемента. Опыты супругов Кюри показали, что бета-лучи, в свою очередь, заряжены отрицательно. Анри Беккерель и немецкий физик Вальтер Кауфман выяснили, что бета-лучи состоят из электронов. Спустя еще несколько лет физики открыли, что гамма-лучи – самый проникающий вид радиоактивного излучения – это особые электромагнитные лучи, напоминающие рентгеновские и несравнимо более высокоэнергетические, чем видимый свет.

Сегодня физики уже знают, что радиоактивность как таковая отлично иллюстрирует справедливость самого знаменитого уравнения, красующегося даже на футболках и кофейных кружках: E = mc2. Это уравнение, выведенное Эйнштейном, означает: масса (m) может превращаться в энергию (E) и наоборот, причем активность такого преобразования зависит от скорости света (c). Когда при радиоактивном распаде ядро элемента претерпевает изменения, часть заключенной в нем энергии выделяется в виде гамма-лучей, альфа– или бета-частиц. Согласно закону сохранения энергии сумма масс и энергий у конечных продуктов должна быть такой же, как и у исходного ядра.

При исследовании альфа-распада и гамма-излучения у физиков без проблем сходился баланс энергий. Однако с бета-распадом такого не получалось. Претерпевая бета-распад, ядро, очевидно, теряло всего одну частицу – электрон. Сложность заключалась в том, что энергия электрона при этом всякий раз получалась разной – это несоответствие в 1914 г. обнаружил британский физик Джеймс Чедвик. Иногда электрон обладал очень малой энергией, в других случаях – значительной. Более того, лабораторные измерения Чедвика, позже подтвержденные другими физиками, свидетельствовали, что показатели энергии электрона, покидающего атом, образуют непрерывный спектр с четко прослеживаемым максимальным значением. Что бы это значило? Согласно закону сохранения энергии при каждом акте бета-распада свободный электрон должен был обладать строго определенной энергией. Некоторые ученые задумывались, соответствует ли максимальный показатель из вышеупомянутого спектра истинному значению энергии, высвобождаемой при бета-распаде, поскольку ничтожная доля этой энергии куда-то исчезала. Очевидно, наука столкнулась с каким-то неизвестным явлением.

Проблема, касающаяся бета-распада, оказалась такой неподатливой и трудноразрешимой, что сам Нильс Бор, патриарх квантовой физики, предлагал вообще отбросить священный для науки закон сохранения энергии. В качестве довольно неуклюжего выхода из сложившегося кризиса Бор в 1930 г. предположил, что закон сохранения энергии может давать сбои в субатомном мире, но лишь в некотором усредненном, статистическом смысле. На одной из лекций, прочитанных в Лондоне, Бор сказал: «Можно утверждать, что мы не обладаем никакими аргументами, как теоретическими, так и эмпирическими, в пользу соблюдения закона сохранения энергии и в случае бета-распада; более того, попытки трактовать бета-распад в контексте этого закона вызывают многочисленные осложнения». Бор, разумеется, признавал, что «решительный отказ от принципа сохранения энергии может повлечь самые невероятные последствия», но настаивал, что «несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последнее время в теории атомного ядра, мы по-прежнему должны быть готовы к новым неожиданностям».

Паули и многие другие физики скептически воспринимали предложение Бора, не желая «браковать» закон сохранения энергии. «Вы и дальше собираетесь третировать несчастный закон сохранения энергии?» – подначивал Паули Бора в одном из писем. Конечно, Паули не был бы собой, если бы ограничился только лишь этим, так что не преминул поддеть Бора и в другой раз: «Допустим, кто-то одолжил у вас большую сумму денег и обещал отдать долг частями. Если бы после этого вы неоднократно договаривались об уплате очередной суммы в счет долга, а должник не являлся бы на встречу – вы бы решили, что это статистическая ошибка или что тут что-то нечисто?»

Действительно, даже под грузом личных неурядиц Паули долго и напряженно размышлял о том, как выйти из затруднительного положения, в которое попали физики, изучая бета-распад. Наконец, он нашел оригинальное решение. Паули предположил, что ученые в самом деле что-то упускают. Возможно, речь шла о какой-то неуловимой частице, убегающей с места бета-распада и уносящей с собой «недостающую» долю энергии. Паули вычислил, что гипотетическая частица, которая позволяла бы сбалансировать исходный и конечный электрические заряды, наблюдаемые при бета-распаде, должна быть нейтральной и весить меньше электрона. Воодушевившись этой идеей, Паули задумал поделиться ею с ведущими европейскими физиками и решил, что это будет удобно сделать на конференции, которая должна была состояться в немецком городе Тюбинген в начале декабря 1930 г. Правда, сам Паули не хотел пропускать цюрихский зимний бал, поэтому предпочел написать письмо коллегам в Тюбинген.