Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

С практической точки зрения этот принцип напоминает бухгалтерский баланс: любая физическая система, вовлеченная в какую-то «операцию», то есть претерпевающая какие-либо изменения, должна после завершения операции содержать тот же объем энергии, что и до ее начала. Энергия может оказаться в каком-то другом месте, но не может исчезнуть из мира без следа.

Частным примером бета-распада может служить радиоактивный распад углерода?14 и его превращение в азот?14. Именно этот процесс лежит в основе определения возраста радиоуглеродным методом. Этот метод позволяет определить возраст некогда живых объектов, таких как ствол древнего дерева или ископаемые кости, и широко используется в археологии и геологии. Углерод – шестой элемент периодической таблицы, а это значит, что его ядро содержит шесть протонов с положительным зарядом, а число 14 означает атомный вес. Согласно тому, что мы знаем, ядро углерода?14 имеет, помимо шести протонов, восемь нейтронов с нейтральным зарядом, то есть всего 14 «нуклонов».

Тот факт, что в 1930 году нейтрон еще не был открыт, серьезно усиливал неразбериху. Примитивная теория того времени утверждала, что ядро строится из протонов с положительным зарядом и электронов с отрицательным зарядом. Соответственно, в нашем примере ядро углерода?14 должно было бы состоять из 14 протонов и 8 электронов. Было известно, что величина его электрического заряда равна 6, то есть электроны должны были компенсировать соответствующую величину положительного заряда со стороны протонов.

В процессе бета-распада ядро углерода?14 превращается в ядро азота?14, изотопа седьмого элемента периодической таблицы, который, согласно принятому в то время ходу мыслей, должен был бы состоять из 14 протонов – так же как и углерод?14 – и 7 электронов, на один меньше, чем до этого. Это позволяло объяснить изменение величины электрического заряда, поскольку величина заряда у ядра азота равна 7; казалось, все сходится, поскольку после распада электрон с высокой скоростью покидает ядро.

Но все сходилось только до того момента, когда вы обращали внимание на энергию.

В 1905 году Эйнштейн продемонстрировал эквивалентность энергии (E) и массы (m) с помощью своего знаменитого уравнения E=mc

. (Буква c обозначает скорость света, постоянную величину.) Таким образом, с точки зрения энергии до распада мы имеем обычную энергию массы ядра углерода?14, а после него у нас возникают величины энергии массы ядра азота и электрона плюс так называемая кинетическая энергия, которой обладает электрон из-за своего движения. Поскольку массы ядра азота и электрона постоянны, но их совокупная масса меньше, чем масса изначального ядра углерода, то ядерная модель 1930 года утверждала, что каждый электрон, испускаемый в ходе бета-распада, должен обладать одной и той же кинетической энергией или скоростью. Эта энергия должна быть достаточной для того, чтобы компенсировать разницу в величине энергии массы между частицей, существовавшей до распада, и двумя частицами, возникшими после него.

Проблема состояла в том, что у возникавших электронов имелся целый диапазон, или спектр энергий. Если бы все электроны покидали ядро с самым высоким уровнем энергии в диапазоне, то все было бы нормально, однако на практике такое, казалось, происходило крайне редко (более того, сейчас мы уже знаем, что этого не происходит в принципе). Казалось, что небольшая доля энергии каким-то образом исчезает.

Эта проблема оставалась нерешенной более 20 лет

. Лиза Мейтнер, австрийский ученый-экспериментатор с хорошей теоретической подготовкой, и Отто Ган, знаменитый немецкий радиохимик, занялись изучением спектра бета-излучения в 1907 году. Они считали, что им вообще не удастся найти никакого спектра, и поначалу все шло именно так, как они ожидали, – и это было чрезвычайно странной ошибкой для столь профессиональной команды экспериментаторов. Вскоре они выявили некоторые недостатки своих методов, улучшили их и в 1911 году получили первые, изрядно смутившие их свидетельства того, что электроны действительно обладают определенным спектром. Мейтнер, единственный теоретик в команде, не была готова согласиться со своими собственными результатами. Она выдвинула целый ряд предположений относительно возможных проблем в технике нового эксперимента или вторичных процессов в ядре, которые могли бы как-то изменить изначально чистый поток. Однако большинство сомнений экспериментаторов рассеялось в 1914 году, когда Джеймс Чедвик, работавший под руководством великого Эрнеста Резерфорда в Кавендишской лаборатории в британском Кембридже, завершил то, что ныне считается первым четким экспериментом, доказавшим существование спектра

.

Однако Лиза Мейтнер продолжала настаивать на своем. Последовали новые эксперименты, к которым присоединились другие ученые, в том числе еще один британец – Чарльз Драммонд Эллис. Битва над загадкой продолжалась еще 13 лет, до 1927 года, когда Эллис и его коллега Уильям Вустер смогли не только исключить влияние вторичных процессов, но и доказать, что какая-то энергия действительно пропадала, поскольку средняя скорость возникающих электронов была слишком низкой для того, чтобы обеспечить разницу в величине энергии массы между старым ядром (которое существовало до распада) и новыми ядром и электроном, возникшими после распада

. Разумеется, одного эксперимента было недостаточно для того, чтобы убедить все научное сообщество, и в частности Лизу Мейтнер. Поэтому только после того, как через два года, в самом конце 1929 года, она вместе со своим ассистентом Вильгельмом Ортманном подтвердила и развила результаты Эллиса и Вустера, физическое сообщество было вынуждено признать тот факт, что в процессе бета-распада происходит что-то непонятное

.

За предыдущие несколько десятилетий атом преподносил ученым так много сюрпризов, что архитекторы новой квантовой теории, в частности Нильс Бор, желали подвергнуть сомнению любые классические «истины». В рукописи, отправленной Паули в середине 1929 года, Бор предположил, что наличие недостающей энергии может служить свидетельством того, что священный закон сохранения не работает в квантовой реальности.

Это стало серьезным ударом по представлениям Паули, глубоко ощущавшего симметрию в мире физики (мало кто из простых смертных понимает, насколько сильно красота и элегантность способны мотивировать физика-теоретика и что принципы симметрии не просто красивы, а представляют собой один из самых мощных инструментов в его работе). Паули не мог понять, почему в ходе бета-распада электрический заряд должен сохраняться, а энергия – основа успешной специальной теории относительности Эйнштейна – нет

. Паули ответил своему наставнику (Паули учился у Бора в его институте в Копенгагене) с типичной для себя откровенностью:

Должен сказать, что ваша работа меня совсем не удовлетворила… В реальности мы совершенно не представляем себе, в чем дело. Этого не знаете и вы… В любом случае дайте этому вопросу хорошенько отлежаться, и да будут сиять над нами мирные звезды!

Получив этот ответ, Бор так никогда и не опубликовал свою рукопись, Паули же последовал своему собственному совету и отложил вопрос в сторону. Со временем он начал подозревать, что проблема недостающей энергии может быть связана с другой, недавно возникшей головоломкой в имевшейся ядерной модели, а именно головоломкой спина. Спин чем-то напоминает вращение планеты, с тем исключением, что спин – это естественное свойство элементарных частиц наряду с их массой или электрическим зарядом. Частицы постоянно вращаются.

В 1924 году, предложив принцип запрета, Паули фактически предположил существование спина еще до его открытия. Старая квантовая модель атома, предложенная Бором, – подлинный шедевр того времени – говорила, что на каждом уровне энергии, или орбите, окружающей ядро атома, может быть не более двух электронов. Однако это было всего лишь предложением, не имевшим под собой никакой объективной основы. Паули же создал эту основу, которая стала новым законом физики. В своей простейшей форме принцип запрета утверждает, что никакие два электрона не могут пребывать в одном и том же квантовом состоянии. А поскольку на каждой орбите Бора имелось по два электрона, Паули пришел к выводу, что электрон должен обладать каким-то еще не открытым свойством. Однако, считая, что было бы непродуктивно использовать свой классически настроенный ум для визуализации происходящего в странном мире кванта, он отказался выдвигать какие-либо идеи о том, как может выглядеть это свойство. Паули назвал его «классически не описываемой двухзначностью»

. Через год голландские физики Джордж Уленбек и Сэмюель Гаудсмит объяснили некоторые тонкости конкретного свойства эмиссионного спектра водорода, которое они и определили как спин

.

Частицы ведут себя по-разному в зависимости от своего спина. И, как почти всегда в мире квантовой механики, это свойство проявляется на квантовом уровне. Частицы с полуцелым спином, такие как электрон, протон и нейтрон, следуют принципу запрета. А частицы с целым спином, такие как фотон или частица света, – нет. Им нравится быть вместе. Идея спина позволила создать новую интересную форму для атомной модели Бора, поскольку электрон, обладающий полуцелым спином, может иметь лишь два спиновых состояния: направленные вверх и вниз. Спин, направленный вверх, будет выстраивать пару со спином, направленным вниз, на каждой атомной орбите, и участники этой пары не будут подпускать на свою орбиту никого другого.

Однако эта конструкция начала распадаться уже в 1929 году, когда несколько экспериментов показали, что ядро азота имеет общий спин, равный 1, и, соответственно, не следует принципу запрета

. Кроме того, возникало противоречие с принципами протонно-электронной модели ядра, согласно которым ядро азота должно содержать 14 протонов и 7 электронов – всего 21 частицу с полуцелым спином. Соответственно, не было и никакой возможности расставить нечетное количество спинов c полуцелым значением так, чтобы в итоге возникал спин с величиной, равной 1. К примеру, 10 спинов могли быть направлены вверх, а другие 10 – вниз, аннулируя, таким образом, влияние друг друга, однако последняя оставшаяся частица все равно создавала величину спина, равную половине целого значения.

Эти две головоломки не давали покоя Паули в течение пары лет, несмотря на боль, которую он испытывал после смерти матери, и на переживания из-за рухнувшего брака. Возможно, что отчасти понимание пришло к нему именно благодаря разводу – всего через восемь дней после этого события Паули написал остроумное «Открытое письмо группе радиоактивных участников конференции в Тюбингене», в котором предлагалось возможное решение для обеих задач

.

Его приглашали приехать на эту конференцию в Тюбинген, однако Паули написал, что не сможет прибыть туда лично. Причиной, по его собственным словам, был «бал, намеченный в Цюрихе в ночь с 6 на 7 декабря». Письмо на конференцию доставил один из друзей Паули. Оно было адресовано в первую очередь двум экспериментаторам, которых Паули очень уважал, – Лизе Мейтнер и Хансу Гейгеру, изобретателю счетчика частиц, названного в его честь.

Письмо начиналось обращением к «дорогим радиоактивным леди и джентльменам», затем Паули сообщал:

Мне удалось… нащупать необычное средство для спасения статистического закона чередования [принцип запрета] и закона сохранения энергии. Возможно, что в ядре могут существовать частицы с нейтральным электрическим зарядом, которые я предлагаю называть нейтронами и которые обладают спином ?, следуют принципу запрета и отличаются от квантов света тем, что не движутся со скоростью света. Масса нейтронов должна быть сопоставима с массой электронов и в любом случае не должна составлять более 0,01 массы протона.

Таким образом, мы сможем найти объяснение наличия ?-спектра при условии, что в процессе ?-распада, помимо электрона, излучается и нейтрон, причем таким образом, что сумма энергий нейтрона и электрона сохраняет свою стабильность

.

Чтобы избежать дальнейшей путаницы в терминах, сразу скажу, что частица, которую описывает Паули, в наши дни известна под названием «нейтрино». В сущности, частица Паули представляла собой довольно неуклюжую комбинацию нейтрино и другой частицы, известной нам как нейтрон (и поэтому находятся люди, считающие, что Паули открыл и то и другое

). Однако, как бы то ни было, Паули сформулировал часть уравнения, связанную с нейтрино, почти безошибочно: энергия, исчезающая в процессе бета-распада, могла забираться доселе невиданной, легкой, электрически нейтральной частицей с полуцелым спином. Пятью годами позже итальянский физик Бруно Понтекорво заметил:

Сложно найти другой пример, в котором слово «интуиция» характеризует какое-либо человеческое достижение лучше, чем в случае с идеей нейтрино, предложенной Паули

.

Паули предполагал, что энергия каким-то образом делится между его новой, невиданной частицей и кинетической энергией электрона. Часть энергии питала электрон, отлетавший от ядра, а оставшаяся направлялась в нейтрино. Общая величина энергии оставалась постоянной, однако ее доля, распределявшаяся по нейтрино, могла случайным образом меняться от одного распада к следующему. Это позволяло обеспечить сохранение энергии для каждого отдельного бета-распада и объяснить постоянно возникавший спектр энергии. Предположив, что электрически нейтральная частица со спином, равным полуцелому значению, может «существовать в ядре» – по одной для каждого электрона, – Паули мог решить загадку нечетного количества частиц в ядре и предложить решение для азотной аномалии.

Однако его предвидение выглядело не столь четким, когда речь заходила о составляющих ядра. Нейтрон, который, как мы знаем, «существует в ядре», имеет два таких же свойства, что и нейтрино, – электрическая нейтральность и полуцелое значение спина, – однако он весит почти столько же, как протон, и не излучается в ходе бета-распада. Для решения двух головоломок нужны были две частицы, несколько теоретических открытий и серия экспериментов, которые и были произведены в следующие несколько лет.

Паули был достаточно проницателен, чтобы понимать, что он блуждает в темноте:

Я допускаю, что мой прием может на первый взгляд показаться довольно невероятным, потому что, если бы нейтрон существовал, он давно был бы открыт. Тем не менее кто не рискует, тот не выигрывает. И тяжесть ситуации в отношении непрерывного ?-спектра подтверждается высказыванием уважаемого предшественника на моей позиции, господина Дебая [Петера Дебая, получившего Нобелевскую премию по химии в 1936 году], который не так давно сказал мне в Брюсселе: об этом лучше вообще не думать, так же как о новых налогах. Поэтому мы должны серьезным образом обсуждать любой путь к спасению.

Итак, дорогие радиоактивные коллеги, прошу вас подвергнуть мою идею тестированию и обсуждению.

Под «радиоактивными коллегами» Паули имел в виду прежде всего Лизу Мейтнер и Гейгера. Они благосклонно (насколько это было в их силах) отнеслись к новой идее. С одной стороны, им не было известно ни одно экспериментальное свидетельство, которое противоречило бы идее Паули, однако с другой – они не знали и ни одного ее подтверждения. И такое положение вещей сохранялось еще в течение следующих 26 лет.

Ву Цзяньсюн, американский физик-экспериментатор китайского происхождения, с которой мы еще встретимся в этой книге, как-то заметила, что

будущие поколения, знающие о триумфальном успехе гипотезы о нейтрино, возможно, так никогда и не смогут в полной мере оценить те смелость и прозрение, которые потребовались [в 1930 году], чтобы выдвинуть столь странную идею, как существование неуловимой частицы

.

Поразительно, что подобное странное и призрачное создание возникло в мыслях человека, находившегося в самом разгаре глубокого эмоционального кризиса. Несмотря на то что нейтрино была первой из выявленных учеными субатомных частиц, она до сих ставит множество вопросов перед физиками. Даже сейчас, спустя столетие после прозрения Паули, крошечные частицы продолжают указывать путь новой физике, располагающейся за пределами стандартной модели. В письме, написанном в 1958 году, за два месяца до смерти, он описывал нейтрино как

безумное дитя, порождение кризиса в моей жизни (1930–1931), которое и само вело себя безумным образом

.

Всегда осторожный, создатель «нейтрона» Паули в течение следующей пары лет говорил о нем довольно неохотно: он боялся, что построил всего лишь некий воздушный замок. Британский астроном Фред Хойл однажды рассказал историю, услышанную им от астронома Вальтера Бааде, который познакомился с Паули в Гамбурге, а затем стал одним из его друзей на всю жизнь. Как-то вечером в 1930 или 1931 году (возможно, в тот самый день, когда Паули написал свое знаменитое письмо) Бааде зашел домой к Паули в Цюрихе, и тот заявил гостю: «Сегодня я совершил нечто ужасное, нечто, чего никогда не следует делать физику-теоретику: я выдвинул предложение, которое никогда не будет возможно проверить экспериментальным путем»

. По словам Хойла, «Бааде тут же побился с приятелем об заклад на ящик шампанского – любимого напитка Паули – на то, что нейтрино рано или поздно все же будет обнаружено экспериментально».