Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Паули провел лето 1931 года в США, читая лекции в Чикаго, Анн-Арборе и Нью-Йорке. В июне он впервые представил «свою» частицу на публике на совместном заседании Американской ассоциации содействия развитию науки и Американского физического общества, проходившем в калифорнийской Пасадене

. Статья в New York Times следующим образом описывала происходившее:

Физики неохотно признают третью частицу. Что касается протонов и электронов, они позволили сузить описание атома до очень простых понятий. Третья частица добавляет усложнения, которые физики так не любят. Кроме того, нет никаких экспериментальных свидетельств существования нейтронов. Они чем-то напоминают среднего человека из мира статистиков – исключительно математическое творение

.

В самом деле, многие уважаемые физики на протяжении ряда следующих десятилетий воспринимали идею нейтрино как всего лишь полезный для работы математический трюк.

* * *

Ментальное состояние Паули тем временем продолжало ухудшаться. Сухой закон в США, судя по всему, не был для него проблемой. К примеру, ничего не стоило контрабандой доставить виски в Анн-Арбор, находившийся неподалеку от границы с Канадой. Как-то на званом обеде в этом городе Паули так напился, что скатился по лестнице с самого верха пролета и сломал руку. Ему пришлось совершить долгий переезд в Пасадену с загипсованной рукой, «вытянутой вверх, как у дорожного регулировщика», а позднее он шутил, что это был единственный раз в его жизни, когда он поднимал руку в нацистском приветствии.

В конце октября Паули отправился через Атлантический океан в Рим, чтобы посетить конференцию, которую организовал новый влиятельный игрок в мире физики – Энрико Ферми. Сэмюель Гаудсмит, один из первооткрывателей спина, который также присутствовал на конференции, позднее описывал ее как «первую встречу, посвященную теме ядерной физики». А прибытие Паули через день или два после начала послужило отличным примером уже ставшего к тому времени легендарным «эффекта Паули». Гаудсмит вспоминал, что «он вошел в зал в тот самый момент, когда я произнес его имя! Это было настоящим волшебством! Когда я сказал об этом, вся аудитория разразилась смехом»

.

Всю жизнь Паули преследовали странные совпадения. Казалось, что в его присутствии все ломается и вечно происходят несчастные случаи, причем все эти бедствия никогда не приносили никаких неудобств самому Паули

. Один из его учеников Маркус Фирц пишет, что

даже достаточно прагматично настроенные физики-экспериментаторы были убеждены, что Паули вызывает какие-то странные эффекты. В частности, они верили, что один факт его присутствия в лаборатории может привести к всевозможным сбоям в ходе экспериментов… По этой причине его друг [со времен работы в Гамбурге, лауреат Нобелевской премии] Отто Штерн, мастер работы с молекулярными пучками, никогда не позволял Паули входить в свою лабораторию…

Сам Паули так же искренне верил, что с ним действительно связан какой-то эффект. Как-то раз он рассказал мне, что заранее почувствовал приближение какой-то неприятности, а когда она наконец произошла – одна в череде многих! – он испытал странное чувство освобождения и просветления

.

Возможно, самый знаменитый подобный пример – случай, когда у нобелевского лауреата Джеймса Франка, работавшего в немецком Геттингене, без каких-либо видимых причин отказал один из элементов оборудования. Франк полагал, что Паули в этот момент находился в Швейцарии, и в письме ему высказал ироническое предположение, что в данном случае Паули уж точно никак не мог повлиять на случившееся. Однако Паули ответил, что как раз в названный день ехал в Копенгаген и его поезд сделал короткую остановку в Геттингене именно в момент поломки!

На одном приеме, устроенном в честь Паули, его друзья решили его разыграть. Они подвесили люстру на веревке и хотели отпустить ее в тот момент, когда Паули войдет в комнату. Однако в самый последний момент веревка запуталась в шкиве, и розыгрыш не получился

.

Энрико Ферми был на год моложе Паули. Впервые они встретились в Геттингене в 1923 году, когда оба учились у Макса Борна. К 1930 году Ферми собрал вокруг себя группу молодых воодушевленных ученых, получившую название «Парни с улицы Панисперна» (I ragazzi di Via Panisperna) – в честь улицы в Риме, где располагался их институт. Ферми обладал практическим складом ума (в отличие от Паули) и умел глубоко вникать в детали. Ферми был одним из немногих великих теоретиков, который также занимался прорывными экспериментами и был открыт для новых идей.

Он пригласил Паули рассказать о «его» новой частице на конференции, однако Паули «все еще сохранял осторожность и не выступал публично в Риме… ограничиваясь лишь частными беседами» («Ужасная ситуация, – жаловался он. – Мне пришлось пожимать руку Муссолини!»

). Несколько раз он плодотворно пообщался с Ферми, который «сразу же проявил живой интерес к моей идее и очень позитивно отнесся к моим новым нейтральным частицам». Кроме того, он поучаствовал в неизбежном споре с Бором, который, «напротив, упорно защищал свою идею о том, что в ходе бета-распада энергия сохраняется лишь в статистическом смысле»

. Бор был известен как отъявленный спорщик.

Вернувшись домой в Цюрих, Паули достиг нового дна в ночных приключениях, выпивке, вечеринках и драках. Он стал настолько сварливым в отношениях со своими коллегами, что ему пригрозили увольнением из ETH

. В отчаянии он последовал совету презираемого им отца и обратился за помощью к психологу и психиатру Карлу Юнгу, который впоследствии следующим образом вспоминал их первую встречу:

Что можно сказать об упорном ученом-рационалисте, создававшем в своем воображении и фантазиях одну мандалу за другой? Ему было необходимо проконсультироваться с психиатром. Он был на грани потери рассудка из-за того, что его вдруг начали атаковать самые удивительные мечты и видения… Придя ко мне на первую консультацию, он находился в настолько паническом состоянии, что не только он сам, но и я почувствовал дуновение ветерка из психиатрической лечебницы

.

Тем не менее, понимая, что он имеет дело с экстраординарной личностью, мышление которой наполнено «архаическим материалом», Юнг решил «провести интересный эксперимент и получить совершенно чистый материал, без какого-либо влияния с моей стороны»

. У Юнга были подозрения о том, что у Паули имеются проблемы в отношениях с противоположным полом, и поэтому он попросил коллегу – молодую и не слишком опытную женщину-психотерапевта – стать лечащим врачом Паули, а сам следил за ходом терапии со стороны (молодая женщина произвела на пациента довольно тревожное первое впечатление: во время первого сеанса Паули был настолько переполнен эмоциями, что, рассказывая свои истории, он принимался время от времени кататься по полу

).

Наука в этот период активно двигалась вперед. В феврале 1932 года, примерно в то же время, когда Паули начал посещать психотерапевта, Джеймс Чедвик открыл нейтрон

. Частице Паули теперь требовалось новое имя, и она получила его благодаря «парням с улицы Панисперна»: по словам современного итальянского физика Луизы Бонолис,

слово «нейтрино», забавное и грамматически неверное сокращение итальянского слова neutronino («крошечный нейтрон»), вошло в международный словарь благодаря Ферми

.

Начался взрывной рост физики элементарных частиц. В августе 1932 года Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института открыл позитрон в потоке космических лучей, падающих на Землю

.

* * *

Физика космических лучей – это огромная и чрезвычайно уважаемая область науки, которая тесно связана не только с физикой частиц, но и с ядерной и квантовой физикой. Кроме того, физика космических лучей обеспечивает надежное жизненное пространство для развития нейтринной астрономии. До середины 1950-х годов, когда на сцену вышли ускорители элементарных частиц, физика космических лучей служила своего рода питательным бульоном для множества прорывов в ядерной физике и физике частиц. Отличными примерами могут служить сделанное Андерсоном открытие позитрона, оказавшее самое серьезное влияние на нейтринную физику, а также принадлежащее ему же открытие мюона, тесно связанное с изучением нейтрино.

Физика космических лучей родилась в 1912 году, когда австрийский физик Виктор Гесс произвел с помощью водородного аэростата первые измерения на высоте около пяти километров. Эти измерения доказали повсеместное присутствие «ионизирующего излучения», которое постоянно проникает из космоса в атмосферу, а через нее и в наши тела и в глубь планеты

. Как нам известно сегодня, эти «лучи» состоят в основном из протонов и более крупных атомных ядер – а после того как мы научились выявлять нейтрино, то поняли, что в лучах присутствуют и они. Создать астрономию, основанную на космических лучах из заряженных частиц, невозможно, поскольку межзвездные магнитные поля искривляют траекторию частицы при движении в космосе и ее текущее направление не позволяет понять, откуда именно она пришла. С другой стороны, поскольку нейтрино не имеет заряда, то оно движется по прямой, как свет, и поэтому может использоваться для целей астрономии.

Возможно, величайшим физиком, изучавшим космические лучи, можно считать француза Пьера Оже, который как-то назвал ранних первопроходцев науки «альпинистами, шахтерами, ныряльщиками и воздушными гонщиками»

. Он писал:

Невозможно даже перечислить все места, в которых могут проводиться измерения. Как-то я услышал великолепную историю, которую рассказал один русский физик, читавший лекцию по-французски: «Я замерял излучение в море и в горах; я измерял его на дне озер и в верхних слоях атмосферы, в соляных и угольных шахтах, в самых глубоких пещерах. И, наконец, я смог измерить его en fer [франц. «в аду»]». Разумеется, он желал сказать: dans le fer [франц. «в железе»]!

Полевые исследователи и в наши дни работают в удаленных и труднодоступных местах. Один серьезный эксперимент проводится сейчас на Тибетском нагорье, а другой – на высоте четырех километров на склонах мексиканского вулкана. Обсерватория имени Пьера Оже, названная в честь легендарного ученого-первопроходца, располагается на площади, примерно равной размеру штата Род-Айленд, на обширном высокогорном плато Пампа-Амарилья на западе Аргентины.

* * *

Позитрон Андерсона был первой так называемой античастицей (в данном случае «анти» по отношению к электрону. Позитрон имеет ту же массу и спин, но при этом положительный электрический заряд). (Антиматерия не так уж экзотична, как может показаться. Абрахам Пайс указывает, что «это такая же материя, ничуть не в меньшей степени, чем известная нам»

). Кроме того, открытие позитрона позволило ответить на вопрос, поднятый в так называемом уравнении Дирака

(о котором молодой Поль Дирак думал зимой 1927–1928 годов и которое многие считают самым красивым уравнением во всей физике

.

Поначалу Дирак не очень понимал, как именно интерпретировать свое творение, поскольку оно содержало абсурдное предсказание о том, что электрон может обладать отрицательной энергией. Однако эта математика вполне подходила для случая, когда обсуждаемая частица обладает позитивным электрическим зарядом и может обладать положительной энергией. После размышлений, продолжавшихся несколько дней, Дирак в 1931 году выдвинул предположение о существовании «антиэлектрона» с позитивным зарядом

, а менее чем через год позитрон оставил свой первый след в диффузионной камере. Андерсон и Виктор Гесс разделили в 1936 году Нобелевскую премию в области физики.

В 1927 году Дирак внес еще один теоретический вклад, позволивший развить идею нейтрино. Он применил новую квантовую теорию к случаю взаимодействия атома с электромагнитным полем, предложив, таким образом, первую теорию «квантовой электродинамики»