Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Мы охотились, удили рыбу, гуляли и разбивали палатки в лесу там, где хотели. Мы строили в дедушкиной мастерской разные штуки (например, миниатюрные пушки, из которых потом стреляли друг в друга), клеили модели и связывали ножки мухам… Это была идиллия.

Все это развило у Джона страсть к путешествиям, любовь к работе руками и интерес к блужданиям в незнакомом мире – а все это вместе очень похоже на стиль жизни физиков, изучающих космические лучи.

Годы Лёрнда в Бруклинском техническом университете оказались не менее полезными. Он изучил печатное дело, изготовление моделей, возился с разными железками и познакомился с основами литейного производства. В годы учебы в Колумбийском университете он специализировался на физике, а затем несколько лет работал в областях космонавтики и аэрокосмической техники, сначала на востоке в компании General Dynamics, а затем на Boeing в Сиэтле. Через несколько лет, когда руководители Boeing начали уговаривать Лёрнда сосредоточиться на менеджменте, он ушел, потому что ему больше нравилась техническая сторона процесса. И зря: позднее оказалось, что опыт менеджмента ему совсем бы не помешал.

Впервые Джон услышал про этот странный спорт – охоту за нейтрино – на первой же лекции в Вашингтонском университете. А в конце концов сделал это темой своей докторской диссертации и попросил стать своим наставником профессора Говарда Дэвиса:

Это было просто великолепно. По сути дела, я работал в полном одиночестве. Я собрал детектор, отвез его на озеро Челан в Каскадных горах. У меня были там плот и лодка. Я погрузил детектор в воду и занялся расчетами космических лучей как функции глубины и так далее. Там было много интересного. Хотя с точки зрения науки в этом не было ничего особенного, но… У всего на свете есть своя история, послушайте мою.

Как-то раз я был на пристани, грузил вещи на свою маленькую баржу, и вдруг ко мне подходит этот старик и спрашивает с сильным немецким акцентом: «Тшем фы занимаетесь?», ну и всякое такое. Я ему рассказал, а он говорит: «О, а мы делали то же самое на озере Констанц в тысяча девятьсот тридцать… третьем, что ли, году или что-то вроде того – короче, еще до Второй мировой войны».

Оказалось, что фамилия этого старика – Регенер, и он действительно проводил свои опыты в том озере много лет назад. Не помню, что именно он использовал для этого… Вроде бы он погружал в воду счетчики Гейгера или что-то подобное… Но это был по-настоящему забавный момент [голосом старика]: «Я делал все это еще в тридцатые годы!» [Своим голосом]: «Да ладно, не может быть!»

Это была и в самом деле чудесная встреча. Эрих Регенер был одновременно и «ныряльщиком», и «пилотом бомбардировщика» той эпохи, которую Пьер Оже называл героическим периодом физики космических частиц. Он начал бросать свою «бомбу Бодензее» в одноименное озеро (Бодензее – немецкое название озера Констанц) уже в 1928 году. Он охотился не на мюоны; к тому времени они еще не были открыты. Регенер пытался ответить на главный вопрос тех дней: представляют ли собой космические лучи частицы или электромагнитные волны – иными словами, свет. Судя по тому, что Регенер дал своему исследовательскому кораблику латинское имя Undula («маленькая волна», «волнишка»)

, сам он явно склонялся ко второй гипотезе. Кроме того, Регенер с помощью аэрозондов измерял зависимость интенсивности космических лучей в атмосфере от высоты, однако не был большим любителем полетов. Он придумал, как присоединять автоматические записывающие устройства к своим детекторам, поэтому ему не нужно было самолично подниматься с ними в воздух, как это делал Виктор Гесс, открывший космические лучи 16 годами ранее.

В годы учебы Лёрнд совершенно не представлял себе, как будет развиваться его карьера. Он думает, что лучшая аналогия здесь – не «карабкаться на гору» (что обычно имеет в виду вполне конкретную цель), «а изучение новых и чрезвычайно интересных территорий». Такое отношение к работе очень помогло ему как первопроходцу в области нейтринной астрономии. На озере Челан он сделал первый крошечный шаг в этой области – стал первым, кому удалось подсчитать атмосферные мюоны в открытом водоеме, а не в закрытой емкости или детекторе

.

Ближе к концу учебы Лёрнда в Вашингтонском университете руководитель его лаборатории, опытный специалист в области космических лучей Боб Уильямс спросил, чем Джон хочет заниматься дальше, и тот ответил, что его особенно интересовали бы три эксперимента, и рассказал о них. В те старые добрые дни получить работу можно было без лишних формальностей. Уильямс позвонил Фреду Миллзу, преподавателю из Висконсинского университета, и Миллз разрешил проведение эксперимента по изучению высокоэнергетических космических лучей эксперимента на горе Эванс в штате Колорадо – это ближайшая к Денверу вершина высотой более 4000 метров.

Там Лёрнд еще раз наткнулся на следы героической эпохи. Один из соратников Оже, нобелевский лауреат Артур Холли Комптон, организовал неподалеку от вершины горы Эванс свою лабораторию (еще в 1927 году к горе была проведена дорога). В этой лаборатории Комптон доказал, что космические лучи состоят в основном из заряженных частиц – иными словами, Регенер был неправ

. Через несколько лет итальянский физик Бруно Росси (который, помимо прочего, был научным руководителем Кеннета Грейзена, когда тот писал докторскую диссертацию) использовал данные, полученные на горе Эванс, для первых точных измерений срока жизни мюона

.

Понятно, что новая позиция и условия работы идеально подошли Джону. Столь же естественным образом он влился, сам того не до конца понимая, в работу исследовательской группы Висконсинского университета. Эта группа была известна под названием CCFMR – по первым буквам фамилий участников, профессоров Дейва Клайна, Уго Камерини, Уильяма Ф. «Джека» Фрая, Боба Марча и Дона Ридера.

В конце 1960-х и начале 1970-х годов кафедра физики Висконсинского университета в Мэдисоне оказалась точкой пересечения удивительно большого числа людей, позднее сыгравших ведущую роль в создании нейтринной астрономии – и в частности, в проектах AMANDA и IceCube. CCFMR был энергетическим центром всей этой деятельности.

Одним из многих мечтателей, прошедших через Мэдисон в то время, был Леонидас Резванис, который впоследствии стал лидером так и не реализованного проекта – километрового нейтринного телескопа на дне Средиземного моря у берегов его родной Греции. В момент нашего знакомства с Лео он с большим достоинством назвал себя «физиком висконсинского типа», имея в виду специфическую атмосферу, окружавшую работу CCFMR. Лео писал мне:

Эти парни были просто фантастическими! Очень толковые, очень творческие – и с отличным нюхом на все, связанное с физикой. Руководствуясь духом полной анархии (то есть чем-то диаметрально противоположным [sic] тому, что считает физикой Нобелевский комитет), они обращались к одному фундаментальному вопросу за другим… Возможно, вам доводилось слышать шутку: «Верблюд – это лошадь, разработанная комитетом». Этих людей направлял тот же дух, что и первопроходцев былых времен. Такого не увидишь в сегодняшних экспериментах.

Боб Морс, ставший позднее одним из главных инициаторов проекта AMANDA, тоже выпускник CCFMR. Он получил степень в Мэдисоне, работая с другой научной группой, затем в течение шести лет поработал на разных проектах в Колорадо, а затем вернулся в университет в 1975 году, чтобы стать старшим научным сотрудником в CCFMR. Когда он вспоминает те дни, на его лице появляется счастливое и вдохновенное выражение:

Элементы дисциплинированного мышления там тоже присутствовали, но в целом, пока в той или иной деятельности был смысл и она соответствовала цели, организация процесса была довольно расслабленной. Порой кто-то мог вдруг возопить: „Боже ж ты мой, у нас же тестовый запуск через три недели! Пора браться за дело!..“ Пожалуй, правильно будет сказать, что происходящее пугало нас намного меньше, чем должно было.

Джон Лёрнд пишет в типичной для себя непосредственной манере:

Стиль: быстрый, толковый, интуитивный, непочтительный. Желание испытать много новых техник и идей, чтобы получить ответы… изо всех сил заниматься физикой, а в остальное время веселиться до упаду. Все, за исключением Фрая и Ридера, были не прочь за кем-то приударить… неформальная эмблема университета – летающий красный член с причиндалами, точно такой же, как был нарисован на нашем исследовательском трейлере в Аргонне…

Сильный контраст с другими скучными и правильными физиками из университета, которые издевались над нашим имиджем, но с завистью смотрели, как мы умеем веселиться. Но в конечном итоге, несмотря на то что мы были разными, нам всем удавалось успешно заниматься физикой.

Джек Фрай, формальный лидер группы, умел опережать события. Уже в 1952 году он решительно отказался от изучения космических лучей и занялся ускорителем – еще за несколько лет до того, как ускоритель смог создавать энергию, достаточную для использования в физике элементарных частиц

. Фрай, большой поклонник итальянской культуры, был известен за пределами физики частиц как автор работы, посвященной акустике инструментов Страдивари. Он сам построил несколько скрипок и посвятил этому вопросу ряд исследований.

По мнению Лёрнда, «реальным центром действий» был Уго Камерини, и Лёрнд порой даже называет CCFMR «группой Камерини». Камерини, сын миланского еврея, успевшего переправить семью в Бразилию, чтобы спастись от Муссолини, имел большой опыт и блестящую репутацию в физике космических лучей. Завершив свою магистерскую работу в Сан-Паулу, он снова пустился в путь через Атлантику, чтобы присоединиться к знаменитой группе Пауэлла в Бристольском университете, и принимал участие в поисках пиона в Пиренеях. Позднее Сесил Пауэлл получил за это открытие Нобелевскую премию. Сам Камерини так и не удосужился получить диплом доктора, поскольку поленился возиться с надлежащим оформлением диссертации, которую следовало представить на рассмотрение ученого совета. Вместо этого он поторопился приступить к своему следующему проекту – строительству самой высокогорной в мире станции по изучению космических лучей, расположенной на высоте примерно пяти километров на вершине Чакалтая в Боливии. В 1947 году именно там было подтверждено открытие пиона

.

«Уго никогда ничего не доводит до конца; этим приходится заниматься его ученикам, – смеется Морс. – Уго может беспечно разбрасывать свои сверкающие идеи в расчете на то, что их подхватит кто-то еще, а сам он в это время уже увлечен чем-то другим». Лёрнд добавляет, что от Уго «прямо искры сыпались».

Боб Марч учился в Чикагском университете у Ферми. Рассказывают, что ФБР однажды рекомендовало Ферми исключить Марча за то, что тот не стал доносить на своих родителей, членов Коммунистической партии штата Иллинойс, но Ферми благородно отказался. Как и большинство участников группы CCFMR (если не все они), Марч выступал против Вьетнамской войны – в те времена, когда, по словам Лёрнда, «на кафедре произошел политический раскол – на леваков (которые все занимались физикой высоких энергий) и сторонников ультраконсервативного Общества Джона Берча (занимавшихся физикой низких температур). То есть раскол прошел по всему спектру энергий, изучаемых физикой!» Иными словами, чем выше была энергия, которой занимался член группы, тем более левыми были его политические взгляды.

Лёрнд описывает Марча как «невероятно интересную личность, одного из самых ярких людей, которых мне доводилось знать». Марч был знаменитым преподавателем и популяризатором физики – в течение многих лет он вел собственную радиопередачу в Мэдисоне. Марч много сделал для повышения общего культурного уровня в научном мире – к примеру, он боролся за увеличение числа женщин среди аспирантов и ученых

. В 1970 году он написал книгу с названием «Физика для поэтов» (Physics for Poets), а затем разработал на ее основе целый научный курс в Мэдисоне. Идея прижилась; сегодня аналогичные курсы читают практически во всех колледжах США, а за физиками последовали и представители других специальностей.

Хотя мало кто знает, какие интересы за пределами работы были у Дона Ридера, почти все его знакомые отзываются о нем как о серьезном физике и по-настоящему порядочном человеке. Дейв Клайн как-то признался в том, что Ридер очень помогал Фраю противостоять безумию Камерини, Марча – и особенно самого Клайна.

Дейва Клайна до сих пор вспоминают как самого примечательного участника группы, и с конца 1960-х до середины 1980-х он находился в своей лучшей форме. Не может не потрясать количество прорывных проектов по всему миру, в которых он одновременно участвовал. Он был одним из основных игроков в захватывающей драме, которую представляла собой физика частиц в последней трети XX столетия, и он оставался на переднем крае до момента своей внезапной смерти в возрасте 81 года в 2015 году. Джон Лёрнд описывает его как, «возможно, самого маниакально привязанного к физике человека» из всех известных ему. Клайн был участником и основателем одной из коллабораций ученых, открывших бозон Хиггса, а его основным интересом в последние годы жизни стала холодная темная материя.

Некоторая склонность Клайна к тому, чтобы доводить всё до крайности, может объясняться оттенком фанатизма в его воспитании: Клайн родился в Канзас-Сити, штат Канзас, в семье достойных и любящих родителей-евангелистов. «Психология религии обладает большой силой, и она зажала меня в свои тиски», – как-то сказал он мне. В молодости Клайн подумывал о том, чтобы стать философом, однако во время короткого пребывания в армии (он служил на стартовой площадке комплекса управляемых ракет неподалеку от Эль-Пасо, штат Техас) у него проснулся интерес к физике. Тогда он начал понимать, вспоминал Клайн, что философия тоже не может научить вас всему на свете. По сути дела, физика – вот единственный способ узнать все. Это – единственное, что управляет Вселенной: «Физику создал Бог, и точка!» Но при этом он добавлял, что слишком хорошо изучил астрономию, чтобы верить в Бога.

Клайн специализировался на физике и (в меньшей степени) на философии в Университете штата Канзас. Там же он получил магистерскую степень по физике, а затем отправился в Мэдисон для получения докторской степени под руководством Джека Фрая. В итоге он начал работать в рамках своего диссертационного исследования в Беркли над новым методом выявления элементарных частиц – так называемой пузырьковой камерой. Получив степень в 1965 году, Клайн вернулся в Мэдисон и принялся строить карьеру на кафедре физики невероятно быстрыми темпами, став полноценным штатным профессором всего через три года.

Это были дни, когда стандартная модель физики частиц начала привлекать широкое внимание. В центре исследований оказалась так называемая электрослабая теория, объединявшая физику электромагнитных и слабых ядерных полей (последняя тесно связана с нейтрино). Стандартная модель может использоваться для создания детальных прогнозов относительно частиц, которые еще предстоит открыть, в том числе носителей слабого взаимодействия, частиц W и Z. Поэтому Клайн, как и положено настоящему экспериментатору, тут же принялся за ее исследование.

В 1969 году, в нежном возрасте 36 лет, Клайн стал основным инициатором того, что самым первым экспериментом, проведенным в Национальной ускорительной лаборатории, стал эксперимент программы E 1A. Лаборатория в Батавии, штат Иллинойс, еще не получила тогда своего современного имени «Фермилаб», да и вообще она пока только строилась. До конца своих дней Клайн с гордостью рассказывал, что у него был пропуск посетителя «Фермилаб» с номером 1. Самая важная задача этого эксперимента заключалась в поиске W-частицы с помощью пучка высокоэнергетических нейтрино. Таким образом, «физика нейтрино была одной из главных причин для создания Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми»

. Однако Боб Морс полагает, что эксперимент E 1A имел еще более серьезные следствия:

Кое-кто даже считает, что этот эксперимент охватил все самые важные аспекты развития физики на 20 лет вперед. Предложение провести E 1A – это невероятно значительный документ, недаром же это Дейв Клайн! Это, может быть, и не сразу видно, но это золото, чистое золото!

Эксперимент E 1A был разработан Альфредом Манном – очень трезво настроенным ученым из Пенсильванского университета, – и Манна настолько впечатлили таланты Клайна, что он сразу пригласил его на работу, чтобы, как он выразился, «сделать предложение Клайна более весомым»

. Затем они уже вдвоем пригласили блестящего и увлеченного итальянского физика Карло Руббиа, занимавшего в то время пост преподавателя в Гарварде.

История эксперимента E 1A широко известна

. Хотя он и не позволил найти W-частицу, в процессе удалось открыть так называемое взаимодействие нейтральных токов, при котором нейтрино не погибает при контакте с протоном или нейтроном, как это бывает при обратном бета-распаде. Это было важным шагом вперед, однако проблема состояла в том, что ученые сначала подумали, что открыли что-то новое, потом опровергли собственные надежды, а потом действительно совершили открытие; коллеги шутили, что ученым удалось открыть «переменный ток», и Клайн после этого получил прозвище AC DC. Возможно, чрезмерная осторожность стоила ему Нобелевской премии, поскольку группа в ЦЕРН совершила то же открытие, пока он работал над деталями, и премия досталась его конкурентам.

Однако Клайн и Руббиа не любили оглядываться назад. Они начали новый эксперимент в ЦЕРН, где наконец нашли частицы W и Z в 1983 году. В следующем же году Руббиа получил за это открытие Нобелевскую премию. Не вполне понятно, что происходило в кулуарах Нобелевского комитета по физике, однако известно, что Клайн был также номинирован, причем более чем одним нобелевским лауреатом. Возможно, что свою негативную роль сыграло его американское гражданство. В то время между Европой и США шло серьезное соперничество, и эта Нобелевская премия стала первой, которую получила команда ЦЕРН.

Поскольку премия вручается каждый год, то для обычного наблюдателя это может казаться довольно скучным процессом. Однако открытие W/Z представляло собой настоящий водораздел, поскольку оно наглядно подчеркнуло истинность стандартной модели, тогда еще сравнительно молодой. За последние 30 лет было сделано, пожалуй, только одно открытие, вызвавшее столь же сильное возбуждение, – открытие бозона Хиггса. И, конечно же, Клайн приложил руку к обоим открытиям.

Семидесятые годы были пьянящим временем. Клайн со своими соратниками любил подписывать свои письма словами «да пребудет с нами сила», имея в виду одновременно и слабое взаимодействие, и только что вышедший на экраны кинофильм «Звездные войны». Пройдя через Беркли в правильное время, Дейв превратился в подлинного «радикального хиппи». В книге Nobel Dreams он описывает самого себя и Руббиа как «безумцев»

. Говорят, как-то раз он «приехал к Руббиа в Женеву в 1972 году, одетый как Баффало Билл: в белом костюме, белой ковбойской шляпе и с волосами до плеч»

. Сам Клайн реагировал на эти рассказы следующим образом: «Это было не совсем так, но такое было вполне возможно. В те дни мы пребывали в эйфории».

«Вполне возможно» такое было отчасти и потому, что Клайн очень хорошо разбирался в одежде. В 1970-е годы, живя в Мэдисоне, он вместе со своей второй женой, с которой познакомился в Беркли, управлял успешной сетью модных бутиков в Сан-Франциско и на Гавайях, откуда она была родом. Клайн не рассказывал об этом побочном занятии своим висконсинским коллегам: «Я и так казался им достаточно сумасшедшим. А это был бы очередной уровень безумия. Кстати, эта женщина была очень красива». Но чтобы вы понимали степень его увлеченности физикой, скажу, что он принял сознательное и сложное решение расторгнуть брак, чтобы сконцентрироваться на поисках W. Ему казалось, что постоянные отлучки будут несправедливыми по отношению к семье. И он сомневался в правильности этого решения до конца своих дней.