Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Наука в этот период активно двигалась вперед. В феврале 1932 года, примерно в то же время, когда Паули начал посещать психотерапевта, Джеймс Чедвик открыл нейтрон59. 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 Ферми60.

Начался взрывной рост физики элементарных частиц. В августе 1932 года Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института открыл позитрон в потоке космических лучей, падающих на Землю61.

* * *

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 планеты62. 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»63. 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»]!64

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»65). Кроме того, открытие позитрона позволило ответить на вопрос, поднятый в так называемом уравнении Дирака66 (о котором молодой Поль Дирак думал зимой 1927–1928 годов и которое многие считают самым красивым уравнением во всей физике67).

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 зарядом68, 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»69. Теперь, в классическом виде, свет должен был представлять собой волну в электромагнитном поле; однако в начале столетия Эйнштейн уже указал, что он порой может вести себя как частица, то есть как фотон. Демонстрируя в своей новой теории, что фотон может спонтанно появляться и исчезать в пустоте, Дирак дал понять, что то же самое могут делать и другие элементарные частицы. А когда нейтрону Чедвика удалось, по сути дела, «изгнать» электрон из ядра, некоторые ученые начали подозревать, что электрон, излучаемый в ходе бета-распада, может возникать спонтанным образом70. Те из них, кто отнесся к идее нейтрино серьезно, начали подозревать, что и оно способно на это. Позднее Паули вспоминал, что «ясность в целом» пришла к нему и другим на седьмой Сольвеевской конференции, которая прошла в Брюсселе в октябре 1933 года71.

Поскольку новые открытия следовали одно за другим, организаторам конференции пришлось несколько раз на ходу менять повестку дня. На конференции присутствовали многие важные действующие лица эпической саги о бета-лучах – такие как Эрнест Резерфорд, Лиза Мейтнер, Джеймс Чедвик и Чарльз Драммонд Эллис72. Бор и Паули приехали в сопровождении своих коллег-теоретиков – Шрёдингера, Гейзенберга и Дирака, – и к ним присоединились две восходящие звезды, Энрико Ферми и Рудольф Пайерлс (в свое время Пайерлс учился вместе с Паули).

Здесь же была и Мари Кюри – «королева радиоактивности» (в следующем году она умерла от лейкемии, вызванной облучением), а также ее дочь и зять, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, – оба супруга к тому времени уже сделали собственную успешную научную карьеру. Им удалось обнаружить нейтрон и позитрон в своих лабораториях еще до открытия этих частиц Чедвиком и Андерсоном, однако они так и не поняли, что именно им удалось открыть.

Удача начала поворачиваться лицом к Жолио-Кюри в Брюсселе, когда они представили первые проблески одного из самых примечательных открытий XX века – явления ядерного распада, «расщепления атома», которое через 13 лет обеспечит начинкой атомную бомбу. Они начали бомбардировать тонкие листы алюминия и бора альфа-частицами, иными словами – ядрами атома гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов. В результате им удалось создать первые искусственные радиоактивные субстанции: нестабильные изотопы фосфора и углерода. Однако, как и во многих других случаях, супруги Жолио-Кюри к моменту конференции еще не до конца осознали, что им удалось создать эти изотопы, – и как раз обсуждения в Брюсселе позволили им прийти к полноценному открытию примерно тремя месяцами позже. Однако они представили свидетельства, крайне важные для открытия нейтрино: новую форму бета-распада, создававшую позитрон вместо электрона73. И теперь, когда Чедвик нашел для нейтрона четкое место в ядре, появилась возможность понять суть двух форм бета-распада, напоминающих две стороны одной и той же монеты.

Фосфор располагается на две позиции правее алюминия в периодической таблице элементов: в его ядре на два протона больше. Жолио-Кюри удалось заставить ядро атома алюминия принять оба протона из альфа-частицы. Созданный ими искусственный фосфор затем выпустил один позитрон и превратился в кремний, располагающийся в таблице между алюминием и фосфором. Теперь мы уже знаем, что при такой форме бета-распада протон заменяется нейтроном и, таким образом, в результате распада возникает элемент, находящийся на предыдущем месте в периодической таблице, – в прежнем процессе нейтрон менялся на протон и появлялся следующий элемент. Электрический заряд сохраняется в каждом из этих случаев, поскольку возникновение позитрона компенсирует исчезновение протона в процессе, использованном Жолио-Кюри, в то время как в изначальном процессе возникновение электрона компенсировало появление протона.

Следующий элемент ясности в идею Паули добавил Чарльз Драммонд Эллис. Можно сказать, что он забил последний гвоздь в гроб альтернативной гипотезы бета-распада, предложенной Нильсом Бором. Как мы помним, Бор предположил, что принцип сохранения энергии может не выдерживаться в отдельных случаях распада, однако работает в процессе в целом. Это предполагало, что высокие значения в спектре энергии бета-электронов будут встречаться редко, однако у спектра не будет четкой верхней границы. В ходе конференции Эллис и его ученик У. Дж. Хендерсон представили результаты, согласно которым спектр энергии все же имел верхнюю границу, причем именно там, где она ожидалась по итогам обсуждений энергии массы74. Это значило, что средняя энергия электронов должна была быть ниже этой границы, то есть энергия терялась даже в среднем — если только в процессе не участвовала хотя бы одна другая частица. Кое-кто утверждает даже, что в ходе этого эксперимента Эллис и Хендерсон открыли нейтрино, и по сегодняшним стандартам научного открытия с этим можно было бы согласиться. Однако Бор по-прежнему демонстрировал необычайное упорство и не сдавался еще три года75.

Сложив все эти новые открытия в одну картину, Паули понял, что обе формы бета-распада представляют собой еще одну проблему с точки зрения сохранения энергии. Он подумал о спине, который требовал излучения нейтрино: если вы помните, каждая частица, вовлеченная в любую из форм бета-распада, обладает полуцелым спином. К примеру, если в процессе Жолио-Кюри протон в нестабильном ядре атома фосфора меняется на нейтрон и происходит излучение одного лишь позитрона, возникает еще один полуцелый спин: два полуцелых спина могут вместе создать значение, равное 1 или 0, но не изначальное полуцелое значение.

Однако в случае, когда происходит также выброс нейтрино со значением спина, равным 1/2, спин сохраняется. Через много лет Паули писал76:

С учетом этой новой ситуации мое желание отложить публикацию представляется излишним… я отказался от своих идей в отношении нейтрино (как эта частица называется теперь) в ходе дискуссии на конференции77.

Крошечная частица еще не окончательно родилась, однако по прошествии трех лет можно было сказать, что она хотя бы была зачата. К тому времени и сознание ее первооткрывателя вновь обрело ясность.

* * *

Психотерапевтические сеансы Паули у молодой женщины-врача продолжались пять месяцев, «а затем в течение еще трех месяцев он работал над собой самостоятельно», пишет Юнг, «пунктуально отслеживая собственное бессознательное. В этом деле он был очень талантлив»78. В середине 1933 года, за несколько месяцев до Сольвеевской конференции, Паули приступил к терапии с самим Юнгом.

Через шесть месяцев после конференции Паули вступил во второй, более успешный брак, который сохранился до конца его жизни. Еще через несколько месяцев завершилась и его терапия, однако они с Юнгом сохранили дружеские отношения. По просьбе психолога Паули продолжал записывать свои яркие и примечательные сны – всего таких записей было сделано больше тысячи («они содержали совершенно сказочные серии архетипических образов», сообщает Юнг79). Эти сны легли в основу нескольких важнейших лекций и научных работ Юнга; при этом личность Паули не раскрывалась и пациент в этих рассказах Юнга всегда оставался анонимным80. То, что этим пациентом Юнга был именно Паули, стало известно лишь через пару десятилетий после смерти их обоих.

Они переписывались до конца жизни Паули и часто встречались вечерами для бесед в доме Юнга на берегу Цюрихского озера. Психологическое выздоровление (на юнгианском языке – индивидуация) Паули и его идеи о нейтрино привели к серьезному перевороту в его научной деятельности. Разумеется, Паули, как и прежде, вносил большой вклад в чистую физику, однако при этом он начинал постепенно превращаться в натурфилософа в традициях Ньютона, Кеплера и средневековых алхимиков, чрезвычайно интересовавших Юнга.

И психолог Юнг, и физик Паули считали традиционный научный подход к познанию природы неполным. Они принялись искать пути для его развития81. Помимо прочего, они вместе начали исследовать область, которую Юнг однажды назвал «нейтральной территорией между Физикой и Психологией Непознанного… самым увлекательным, но и самым таинственным полем для охоты в наше время82».

Возможно, самая революционная особенность квантовой механики – это знаменитая «неотделимость наблюдателя от наблюдаемого объекта», поскольку она предполагает отсутствие так называемой объективной реальности (Эйнштейн считал это следствие теории особенно неприятным). То, что именно человек наблюдает, зависит от того, как именно он это делает, и сам факт наблюдения неминуемо меняет состояние наблюдаемой системы. Однако в области квантовой механики наблюдатель все еще отчужден от объекта: неотделимость носит лишь физический характер и связана лишь с вещами типа того, как настроен аппарат измерения.

Паули подозревал, что теория в этом направлении продвинулась недостаточно далеко и что «наблюдатель в физике наших дней все еще полностью отчужден»83. Паули и Юнг верили, что мышление и материя представляют собой зеркальное отражение друг друга, «дополняющие друг друга аспекты одной и той же реальности… управляемые одними и теми же принципами»84. Этими принципами были архетипы Юнга. Выше я уже упоминал о глубоком значении и красоте симметрии в законах физики. Паули был буквально одержим симметрией во всех ее видах, и в частности зеркальной симметрией.

В 1952 году Паули и Юнг стали соавторами книги «Интерпретация природы и психе» (The Interpretation of Nature and Psyche)85, состоявшей из двух монографий. Юнг написал знаменитую (возможно, печально знаменитую) работу «Синхроничность: акаузальный связующий принцип», в которой описал механизм, лежащий в основе осмысленного совпадения и определенных паранормальных явлений типа телепатии. Разумеется, у Паули имелся свой личный интерес к акаузальным связям, отчасти связанный с эффектом, названным его именем. Паули подозревал, что этот эффект представляет собой «синхронистическое выражение глубокого конфликта между его рациональной и иррациональной» сторонами86. Ему не составило особого труда убедить Юнга пуститься в исследование этой опасной реальности, и он сам внес большой вклад в работу последнего.

Собственная монография Паули под названием «Влияние архетипических представлений на формирование естественнонаучных теорий у Кеплера»87 была посвящена изучению роли бессознательного в процессе научного открытия. Конечно, нам стоит быть осторожными, когда мы пытаемся кратко изложить необычайно точный и строгий ход мысли Паули. Однако я думаю, что будет правильным дать следующее резюме: Паули верил в то, что новые открытия становятся возможны лишь тогда, когда коллективный разум общества уже способен представить их себе или воспринять их; движущей силой этого параллельного развития, идущего, как я уже говорил, скачкообразно, от теории к эксперименту, выступают именно архетипы.

Готовя свою концепцию к печати и обретая свою индивидуацию, Паули несколько отвлекся от дальнейшего развития идеи нейтрино. Однако его безумное дитя готовило Паули еще один большой удар.

Глава 2

Детство и юность

Сольвеевская конференция 1933 года позволила обрести «полную ясность» и Энрико Ферми. Вернувшись в Рим, он погрузился в создание квантовой теории бета-распада и завершил работу над ней в декабре, менее чем через два месяца после конференции.

Ферми подвергал проверке всё новые и новые идеи. Так, он предположил, что электрон и нейтрино могут возникать одновременно, что протоны и нейтроны способны обмениваться своими идентичностями, а также согласился с Паули в том, что все известные нам законы сохранения энергии работают и в новых условиях. Воспользовавшись подсказкой Гейзенберга, который заявил в Брюсселе (ошибочно, как выяснилось позднее), что протон и нейтрон могут представлять собой различные состояния одной и той же фундаментальной частицы, Ферми предположил, что электрон и нейтрино тоже должны быть как-то с этим связаны, – и этот вывод скоро начал завоевывать все больше сторонников88.

Хотя сам Ферми ничего не говорил на эту тему, но предложенная им модель бета-распада оказалась первой рудиментарной теорией слабого ядерного взаимодействия. Иными словами, можно считать, что он открыл третью фундаментальную силу природы после гравитации и электромагнетизма (в наши дни известны четыре такие силы – вскоре после описываемых событий было открыто сильное ядерное взаимодействие). Кое-кто считает модель Ферми первым примером современной теории поля89, а Фрэнсис Халзен, вдохновитель IceCube, отмечает, что ее также можно считать стартовой точкой для стандартной модели физики элементарных частиц, которая была сформулирована лишь через 40–50 лет.

Теория с блеском выдержала самую главную проверку – тест на прогностическую ценность. Ферми использовал теорию, чтобы получить на основе базовых принципов кривую, которая терзала и теоретиков, и экспериментаторов на протяжении 20 с лишним лет, – форму спектра энергии электрона при бета-распаде. Хотя к тому моменту еще никому не удалось увидеть нейтрино, важная роль этой частицы в теории и ее соответствие данным последующих экспериментов сделали факт существования нейтрино почти неопровержимым – хотя многие физики все равно продолжали упорствовать. Когда Ферми представил свою теорию в журнал Nature – ведущее мировое научное издание, журнал отказал в публикации, поскольку статья «содержит слишком отвлеченные и нереалистичные рассуждения, которые вряд ли заинтересуют читателя» (пятью годами позже редакторы журнала признали, что это было, пожалуй, их самым серьезным профессиональным промахом за всю карьеру90). Тогда Ферми опубликовал свою статью в трех более специализированных – и менее известных – физических журналах91.

Использовав свою теорию для расчета массы нейтрино, Ферми продемонстрировал, что эта масса должна быть «либо равной нулю, либо слишком малой по сравнению с массой электрона»92. Это предположение впоследствии также подтвердилось и, в типичной для этой странной частицы логике, сделало нейтрино еще более неуловимым.

Теория содержала в себе и несколько предположений о возможных методах выявления нейтрино – и тем самым она заложила основы нейтринной астрономии. Теория показала, что бета-распад может идти в обратном порядке: невидимое нейтрино, свободно перемещающееся сквозь пространство и время, может пройти достаточно близко к нейтрону или протону, чтобы вступить с ними во взаимодействие, изменить их сущность на обратную и в конце концов создать свободный электрон или позитрон, который затем можно будет выявить. Именно этот процесс стал теоретической основой работы телескопа IceCube.

К сожалению, всего через три месяца после публикации выводов Ферми Рудольф Пайерлс и другой выдающийся немецкий теоретик Ханс Бете продемонстрировали, что так называемый обратный бета-распад возникает крайне редко93. На основе теории Ферми они продемонстрировали, что нейтрино как тип энергии, обычный для бета-распада, может пролететь в воде до тысячи световых лет – то есть в 63 миллиона раз больше расстояния от Земли до Солнца – без какого-либо взаимодействия с другими частицами. Исходя из этого, они пришли к выводу о «практической невозможности наблюдения» за частицей.

Это весьма осторожное замечание, сделанное двумя весьма умными людьми, может служить хорошим примером того, насколько это опасное дело – прогнозы. Бете и Пайерлс не могли и представить себе, что открытия в физике в течение следующих десяти лет значительно изменят сложившееся положение вещей – не говоря уже о нашем восприятии нашего места на планете в целом. Кроме того, вспоминал Пайерлс почти через 50 лет, они и рассчитывать не могли на «подобное мастерство экспериментаторов»94.

Затем в роли повивальных бабок нейтрино выступили «парни с улицы Панисперна» – несмотря даже на то, что в течение следующего десятилетия нейтрон, открытый Чедвиком, несколько вытеснил нейтрино из фокуса научных интересов физиков, провоцируя всё новые открытия, которые буквально потрясли основы мироздания.

Примерно в то же время, когда стало известно о существовании частицы Чедвика, Ферми и несколько других проницательных ученых поняли, что нейтрон должен проникать в ядро легче, чем заряженная альфа-частица с позитивным зарядом, поскольку из-за отсутствия заряда нейтрон не будет вступать во взаимодействие с протонами ядра, имеющими позитивный заряд. Использовав некоторые догадки Жолио-Кюри, команда Ферми принялась бомбардировать нейтронами все известные науке элементы. В ходе этих экспериментов «парни с улицы Панисперна» совершенно случайно обнаружили, что «медленные», то есть обладающие низкой энергией нейтроны проникают в ядро легче, чем быстрые. В течение следующих нескольких лет им удалось успешно создать радиоактивные изотопы для каждого известного элемента, за исключением двух самых легких – водорода и гелия. За эту серию открытий Ферми получил в 1938 году Нобелевскую премию по физике.

Как вскоре выяснилось, он по чистой случайности остановился в шаге от открытия явления ядерного деления. Принято считать, что «парни с улицы Панисперна» смогли запустить первую искусственную реакцию деления атома в процессе работы с ураном – самым тяжелым из известных на тот момент элементов, – однако не поняли, что именно они сделали, поскольку неправильно определили состав побочных продуктов реакции. Эти парни разбирались в химии намного хуже, чем в физике, – и, возможно, это оказалось благом для всех: как заметил научный писатель и физик-теоретик Джереми Бернстейн,

можно только гадать, что произошло бы, если бы о явлении ядерного распада стало известно в фашистской Италии в 1934 году95.

Ферми получил свою премию в непростое время. В том же году Муссолини заключил союз с Гитлером и в Италии был принят ряд антисемитских законов. С присущим Ферми прагматизмом он посоветовал своей жене-еврейке Лауре купить на все имевшиеся у них деньги драгоценности, меха и тому подобное. Поехав в Стокгольм на вручение премии, он взял жену и дочь с собой. Затем они отплыли в США, где использовали призовой фонд и деньги, вырученные от продажи драгоценностей, на обустройство нового семейного гнезда и начало новой жизни. Семейство Ферми никогда больше не жило в Италии.

Покинуть родину были вынуждены и многие другие ученые – герои саги о бета-лучах: Паули, Пайерлс и Лиза Мейтнер. Мейтнер, еврейка по рождению, была крещена, вполне ассимилирована и имела австрийское гражданство, то есть была защищена от расовых законов нацистской Германии, в которой она жила и работала. Однако этот тонкий слой стабильности и защиты был прорван в марте 1938 года после аншлюса – гитлеровской аннексии Австрии. Лиза Мейтнер в панике бросила свой дом в Берлине и Химический институт кайзера Вильгельма, где в течение четверти века проработала вместе с Отто Ганом, села в поезд и бежала из Германии. Нильс Бор смог найти для нее работу в Стокгольме96. Уже из эмиграции Мейтнер продолжила сотрудничать с Ганом единственным возможным способом – путем переписки.

Эта потрясающая пара исследователей также занималась бомбардировкой различных элементов нейтронами, а Ган, возможно самый заслуженный радиохимик своего времени, увлекся изучением урана, все изотопы которого радиоактивны. За несколько дней до Рождества того же печального года, когда Мейтнер отдыхала со своими друзьями на западе Швеции, она получила письмо от Гана, в котором сообщалось, что Ган и его ассистент Фриц Штрассманн смогли обнаружить среди продуктов распада урана, подвергшегося бомбардировке нейтронами, изотоп бария.

Атомное число бария равно 56, а урана – 92. Случившееся представляло собой трансмутацию совершенно иного порядка, чем ранее выявленные небольшие движения по периодической таблице: ядро урана разделилось почти пополам.

Незадолго до сочельника 1938 года, гуляя по заснеженному лесу со своим племянником, физиком Отто Фришем, Мейтнер поняла, что если в самом деле удастся сформировать два таких фрагмента, то при их разделении произойдет «выброс огромной энергии»97. Суммарная масса продуктов распада настолько меньше массы изначального ядра урана, что в ходе реакции высвобождается невероятный объем энергии-массы Эйнштейна. Позднее Фриш рассчитал, что «энергии каждого распадающегося ядра урана будет достаточно для того, чтобы заставить подпрыгнуть кучку песка». А поскольку в одном грамме урана содержится около 1021, то есть миллиард триллионов ядер98, взрыв в результате будет чудовищно сильным. В середине января Фриш назвал процесс делением, по аналогии с бинарным делением бактерий99.