Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

.

В 1958 году они провели третий раунд тестов на основе улучшенных методов и получили значение, превышавшее прежнее почти в два раза и вполне соответствовавшее новой теории

. Однако о проблеме уже было невозможно забыть. Изначальная позиция глухой обороны, которую занял Рейнес, вкупе с его привычкой слегка подгонять цифры под имевшиеся в то время теории привели к тому, что в ученой среде возникло (и продержалось несколько десятилетий) недоверие и даже неприятие. Кое-кто даже подозревал, что на самом деле Рейнесу и его партнеру вообще не удалось найти нейтрино. Поведение Рейнеса в последующие годы никак не помогло разрешить это напряжение

. Все происходило за сорок лет до того, как за это открытие была получена половина Нобелевской премии. К моменту ее вручения Кован уже умер, поэтому Рейнес получил часть премии один. Наверное, будет справедливым сказать, что чрезмерно агрессивная защита Рейнесом своей позиции лишила его партнера шанса получить премию вовремя.

Рейнес, умерший в 1998 году, через три года после получения премии, был «человеком значительных физических параметров», обладавшим чрезмерно сильным характером

. Джон Уилер однажды описал Рейнеса следующим образом:

Талант и в области теории, и в эксперименте, большой человек, которому было дано размышлять о невероятных проблемах, и он переходил от одной проблемы к другой в своих ботинках огромного размера

.

Вне всякого сомнения, Рейнес был одним из великих экспериментаторов XX столетия, а наследие его неустанной работы можно увидеть во всех основных областях нейтринной физики и нейтринной астрономии (как мы увидим чуть позже). Он очень любил поэзию, сам писал стихи и обладал красивым баритоном. В какой-то момент в молодости ему нужно было даже сделать выбор между оперой и физикой. В зрелом возрасте он пел в хоре Кливлендского симфонического оркестра под управлением композитора и легендарного дирижера Джорджа Шелла. Джон Лёрнд, один из основателей DUMAND, также не лишенный музыкального слуха, говорит, что «голос Фреда был глубоким и богатым, намного лучше, чем у большинства смертных».

Однако у Рейнеса имелись и темные стороны. Он постоянно стремился к соперничеству, даже со своими собственными учениками, которых он крайне редко поддерживал. За годы ему удалось нажить массу врагов. Лёрнд вспоминает, как Рейнес как-то сказал ему, что они с Кованом «не пытались измерить какие-либо физические параметры» в ходе своего первого эксперимента в Саванна-Ривер: они хотели «лишь показать, что им удалось найти неуловимое нейтрино». «При должном уровне скромности и открытости», добавляет Лёрнд, «всех последовавших за этим открытием проблем можно было бы избежать».

Научный писатель и физик Джереми Бернстейн называет полтора года, начавшиеся с появления у Ли и Янга новой догадки, «славной революцией»

(в былые времена кое-кто даже называл этот период менее политкорректно: «китайская революция»). Идея Ли и Янга потрясла всю физику настолько, как этого не случалось со времен открытия явления деления ядра. Два теоретика поняли, что слабое взаимодействие – и, в свою очередь, нейтрино – может нарушать один из самых священных законов физики: закон зеркальной симметрии, согласно которому зеркальное отображение любой физической системы будет вести себя так же, как и сама система. На техническом языке это называется четностью.

Сомнения в сохранении четности возникли у Ли и Янга из-за поведения нового поколения частиц, которые незадолго до этого были найдены в потоках космических лучей. Они обладали ранее неизвестным качеством, которое впоследствии было названо странностью. Два из этих странных существ, тета (?) и тау (?), казались практически одинаковыми – у них были идентичные значения массы, спина и срока жизни, – но разница заключалась в том, что тета распадалась на два пиона, а тау – на три. «Физики были бы счастливы считать тету и тау идентичными»

, пишет Бернстайн, однако это привело бы к нарушению принципа сохранения четности, то есть закона, «который нельзя было перекраивать по своему усмотрению»

.

Ли и Янг были очень энергичны в своей деятельности

. Когда их захватывала какая-то идея, они могли обсуждать ее по-китайски целыми днями напролет – причем, по словам их коллег, делали это довольно громко. Время от времени они прерывали свою дискуссию, расходились по разным углам, и каждый погружался в свои вычисления. Затем они вновь встречались и продолжали обсуждение. Однажды, во время беседы в бродвейском ресторане на Манхэттене, напротив Колумбийского университета, они поняли, что для разрешения загадки тета- и тау-частиц им нужно изучить все когда-либо проведенные эксперименты со слабым взаимодействием и посмотреть, что говорят их результаты о сохранении четности. Занявшись этим, Ли и Янг обнаружили, что ни один из экспериментов не занимался тестированием закона как такового. Через восемь дней после того, как Кован и Рейнес отправили свою триумфальную телеграмму Вольфгангу Паули, Ли и Янг представили в уважаемый американский журнал Physical Review свою статью, в которой предположили, что

один из способов разрешения проблемы с тета – тау состоит в следующем: мы можем предположить, что четность не сохраняется достаточно жестким образом и, соответственно, тета и тау предоставляют собой два различных вида распада одной и той же частицы, иными словами, зеркально отображают друг друга

.

Отметив, что четность сохраняется с большой долей точности в экспериментах с сильными и электромагнитными взаимодействиями, Ли и Янг бросили вызов всему сообществу физиков-экспериментаторов, предложив несколько методов для тестирования сохранения четности при слабом взаимодействии. Подавляющее большинство физиков ожидали, что принципу сохранения четности удастся выстоять.

Первый эксперимент, нацеленный на получение максимально точного ответа, был основан на прямом бета-распаде. Его провела Ву Цзяньсюн, близкая подруга Ли и Янга, также работавшая в Колумбийском университете и выросшая в Китае еще до коммунистической революции. Ву была элегантной и привлекательной, а как ученый – признана во всем мире за свои точные и аккуратные экспериментальные работы.

Ву стала размышлять об использовании магнитного поля для поляризации спинов радиоактивных ядер кобальта?60 (представляющих собой, по сути, крошечные магниты) и наблюдении за направлением излучаемых ими бета-электронов. Если бы электроны распространялись случайным образом во всех направлениях, это свидетельствовало бы о сохранении четности. Чтобы избежать суеты на уровне атомов, возникающей при более высоких температурах и способной выбить ядро из равновесного состояния, было необходимо охладить кобальт почти до температуры абсолютного нуля, и в связи с этим Ли сотрудничала с командой из Национального бюро стандартов США в Вашингтоне.

После шести напряженных месяцев настройки аппарата Ву начала эксперимент и получила ответ уже через несколько минут: бета-электроны двигались чаще всего в направлении, обратном направлению магнитного поля. Принцип сохранения четности на ее глазах корчился в предсмертных конвульсиях.

Разумеется, Ву поддерживала постоянную связь с Ли и Янгом. В четверг 3 января 1957 года она позвонила Ли, чтобы рассказать о своих результатах. Ли завел на кафедре физики Колумбийского университета традицию собираться на обед по пятницам в одном из отличных китайских ресторанов неподалеку от кампуса. На следующий день он поделился новостями с коллегами… и погрузил в глубокую задумчивость своего коллегу-профессора Леона Ледермана. Возможно, это был самый короткий в истории науки промежуток между формулированием концепции и получением результата (для открытия такого масштаба): уже к вечеру того же дня Ледерман и его коллега Ричард Гарвин придумали новый метод для тестирования паритета слабого взаимодействия; к двум часам ночи они опробовали его на циклотроне в лаборатории Невис, подразделении Колумбийского университета, в нескольких километрах вверх по реке Гудзон; а к шести утра в следующий вторник у них уже появился вполне конкретный результат, подтвердивший выводы Ву

. Группа из Чикагского университета, также проводившая аналогичный эксперимент в течение нескольких месяцев, получила еще через несколько дней результат, совпавший с результатом Гарвина и Ледермана. Закон сохранения четности не просто умер; он аннигилировался

.

15 января, меньше чем через две недели после того, как Ву позвонила Ли, Колумбийский университет сделал необычный шаг и провел пресс-конференцию, на которой было объявлено о результатах (таким образом присвоив себе также и всю славу чикагской группы, которая вообще не была упомянута). В статье, появившейся на первой полосе газеты New York Times

, была процитирована фраза И. А. Раби, заведующего кафедрой физики Колумбийского университета:

Можно сказать, что достаточно цельная теоретическая структура оказалась потрясена до основания, и мы не уверены, сможем ли собрать ее по кусочкам заново.

Вот какие масштабные разрушения произвел в науке факт открытия нейтрино.

Чуть позже в том же году Ли и Ян получили Нобелевскую премию. Многие считают, что премию могла бы получить и Ву Цзяньсюн. В том же полном событий году элегантный эксперимент в Брукхейвене продемонстрировал, что нейтрино можно считать «левшой» – частица во время своего движения в космосе вращается против часовой стрелки

. И это заставляет нас снова вспомнить об Этторе Майоране.

Из нулевого результата Рэя Дэвиса при работе с «реакторными» нейтрино и доказанного Кованом и Рейнесом факта того, что нейтрино и его античастица отличаются друг от друга, можно сделать вывод о том, что нейтрино действительно имеет античастицу. Однако оказывается, что это не всегда так. Теория утверждает, что реакция превращения хлора в аргон, лежащая в основе метода Дэвиса, зависит не от различий между частицей и античастицей, а от ориентации: инициировать реакцию может лишь частица-«левша». И даже через 80 лет после того, как Майорана предположил, что нейтрино может представлять собой свою собственную античастицу, свидетельств этому так и не было получено. Если он был прав, то Кован и Рейнес нашли не антинейтрино, а правостороннее нейтрино. В последующие десятилетия, по мере дальнейшего развития физики, гипотеза Майораны приобрела дополнительный смысл. Теперь физики понимают, что эта гипотеза имеет значение не только для нейтринной физики, но и для некоторых важнейших вопросов физики частиц и космологии, пока что остающихся без ответа

.

Луи Пастер сказал как-то, что «в области наблюдений удача вознаграждает лишь подготовленные умы». И Рэй Дэвис, и Фред Рейнес достаточно хорошо подготовили свои умы, однако удача благоволила Рейнесу (учитывая, как мало было известно о нейтрино в то время, это действительно был вопрос удачи). Но Дэвис, истинный ученый и отличный провидец, не сдался. Доказав самому себе, что его метод не позволяет выявить «реакторные» нейтрино (это доказательство заняло у него еще несколько лет), он обратил свое внимание к Солнцу.

* * *

Сидя в своем теплом цюрихском уголке, Вольфганг Паули c огромным интересом наблюдал за развитием «славной революции». В конце концов, идея пространственной четности представляла собой одно из его основных наваждений; он признавался в наличии у себя «зеркального комплекса»

. За четыре года до начала революции, писал он сам позднее Карлу Юнгу, «в мире физики не происходило ничего, что могло бы заставить нас сфокусироваться на этом конкретном вопросе»

. Паули начал свое собственное исследование более глубокой формы симметрии, включавшей в себя не только пространственную четность (P), но и обращение времени (T), то есть течение времени в обратном направлении, и зарядовое сопряжение (C), представляющее собой превращение каждой частицы в системе в античастицу (в лабораторных условиях можно обратить время вспять на атомном уровне). Если система остается неизменной при зеркальном отображении всех этих трех свойств в одно и то же время – то есть при трансформации, которую Паули называл «сильным отражением», – значит, она обладает CPT-симметрией, или CPT-инвариантна.

В 1952 году Паули начал проверять, следуют ли этой симметрии фундаментальные уравнения квантовой механики и относительности, и наконец доказал истинность этого ближе к концу 1954 года

. По сей день никакие эксперименты не смогли опровергнуть CPT-теорему Паули, и она считается его третьим великим вкладом в физику – после принципа запрета и предсказания нейтрино.

С учетом крушения принципа сохранения четности, и особенно с учетом той важной роли, которую сыграло в этом крушение «его» нейтрино, Паули и его новая теорема оказались у всех на устах

. «Для многих физиков», по словам Т. Д. Ли, «CPT превратилась в краеугольную точку, вокруг которой вращалось все остальное»

.

Если вы помните, Паули поделился с Юнгом идеей о зеркальной связи между психологией и физикой. «„Зеркальное отображение“ можно считать архетипом»

– заявил он в одном интервью в 1957 году, после того как стала известна новость о нарушении четности:

Это каким-то образом связано с физикой. Физика основана на зеркальной симметрии мышления и природы… [Во время работы над теоремой CPT] у меня были очень живые, почти парапсихологические мечты о зеркалах в те моменты, пока я занимался математическими вычислениями в течение дня… Я бы назвал это синхронностью особого рода, поскольку в каждом активном занятии всегда присутствуют подсознательные мотивы.

Вскоре после завершения своей исчерпывающей работы над теоремой Паули увидел, по его словам, «очень впечатляющий сон»

:

Я нахожусь в какой-то комнате вместе с Темной Женщиной, и какие-то другие люди проводят там эксперименты с появлением отражений. Участники опытов воспринимают отражения как реальные объекты, но мы с Темной Женщиной знаем, что это всего лишь зеркальные образы. Это становится нашим общим секретом. Этот секрет наполняет нас ощущением понимания. После этого мы вдвоем с Темной Женщиной идем вниз по крутому горному склону…