Журнал Наука и жизнь, 2000 № 02

Письмо заканчивалось так:

«Не рисковать — не победить. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного β-спектра становится особенно яркой после слов проф. Дебая, сказанных мне с сожалением: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Следовательно, необходимо серьезно обсудить каждый(подчеркнуто мной. — В. Н .) путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, подвергните это испытанию и судите».

Может быть, приведенный здесь текст письма и недостаточно точен из-за двойного (немецко-англо-русского) перевода. Но за шутливым словесным нарядом мы безошибочно различаем тревожный звук, ощущаем какую-то драму: «… и судите». Казалось бы, найдена прекрасная идея. Впору на весь ученый мир победно повторить знаменитое архимедово — «Эврика!» Но Паули чувствует, что, оберегая один важнейший принцип, он нарушает другой: «Entia non sunt multiplicianda praeter necessitatem» («Сущности не следует умножать без необходимости» — эта философская максима сформулирована в XIV веке Уильямом Оккамом). Бритва Оккама — инструмент нравственного запрета, и подать пример его нарушения означало бы открыть дорогу околонаучным шакалам, которым «все дозволено».

Известно, что Паули с горечью (уже не шуточной) говорил после оглашения своей идеи: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать ничего подобного. Я предложил нечто, что никогда не будет проверено экспериментально».

Только в 1933 году Паули подвел итог своим размышлениям. 22 октября на самом представительном собрании физиков всего мира — Сольвеевском конгрессе он говорил: «…Я предложил следующую интерпретацию β-распада: законы сохранения имеют силу; эмиссия β-частицы происходит вместе с испусканием чрезвычайно проникающих нейтральных частиц, которые еще не наблюдались… Естественно, мы предполагаем не только сохранение энергии, но и сохранение импульса и углового момента… во всех элементарных процессах». (В основе мировоззрения и физической интуиции Вольфганга Паули лежит вера в безусловное действие законов сохранения в каждом элементарном акте. Для гениальной интуиции Нильса Бора — создателя квантовой механики — «роднее» оказалась возможность нарушения этих законов.)

Спасая законы сохранения, Вольфганг Паулипредположил, что недостающую энергию уносит частица, которую нельзя обнаружить в принципе, хотя и считал, что этим самым «сделал что-то ужасное».

Между 1930 и 1933 годами в науке о β-распаде произошли важнейшие события. В 1942 году Джеймс Чэдвик экспериментально открыл «настоящий» нейтрон. Почти сразу же была выдвинута (Дмитрием Иваненко), развита (Вернером Гейзенбергом) и стала общепризнанной теория протон-нейтронной структуры ядра. Теперь, следуя гипотезе Паули, процесс ядерного β-распада можно представить как распад одного из нейтронов ядра (если, конечно, масса ядра достаточна) на три частицы:

n —> р + е -+ v .

Такой распад свободного нейтрона обязан происходить и происходит, поскольку не запрещен никакими известными законами сохранения: сохраняется электрический заряд, сохраняются энергия и импульс (спектр электронов для трехчастичного распада нейтрона удивительно похож на известный из эксперимента), сохраняется и угловой момент, так как из трех векторных спинов дочерних частиц, равных 1/2, можно «сложить» 1/2 для родительского нейтрона.

Паули достаточно ясно представил коллегам и портрет неуловимого похитителя энергии. В сольвеевском докладе он говорил: «Что касается свойств этих нейтральных частиц, то, во-первых, из атомных весов мы заключаем, что массы нейтральных частиц не могут быть существенно больше массы электрона. Для того чтобы отличить их от тяжелого нейтрона, Энрико Ферми предложил имя «нейтрино» («нейтрончик». — В. Н .). Возможно, присущая нейтрино масса равна нулю, так что, подобно фотону, оно распространяется со скоростью света. Тем не менее проникающая способность нейтрино должна быть много больше проникающей способности фотона с той же энергией. Мне кажется допустимым, что нейтрино обладает спином 1/2…, хотя эксперимент и не дает прямых доказательств этой гипотезы».

В одном кубическом сантиметре вещества содержится примерно 10 23атомов. Радиус ядра около 10 12см, а площадь поперечного сечения — 10 24см 2. Суммарная площадь всех ядер, разложенных на плоскости, 0,1 см 2, 1/10 площади. А эффективное сечение взаимодействия нейтрино с веществом в миллиард (10 9) раз меньше. На рисунке эту площадь воспроизвести невозможно: для этого пришлось бы разделить каждую сторону квадратика более чем на 10 000 отрезков.

Паули представил внушительную папку с косвенными доказательствами для трехчастичной версии сценария β-распада с участием невидимого нейтрино. Энрико Ферми был настолько убежден в реальности своего «крестника», что в 1934 году опубликовал теорию β-распада — первую замечательную модель слабых взаимодействий. Эта теория позволяла вычислить вероятность взаимодействия нейтрино с протоном. Как и ожидал Паули, эта вероятность оказалась невероятно мала. Чтобы представить себе эту малость, лучше всего воспользоваться формулами.

Возьмем пучок нейтрино и направим его на большую мишень, которая обычно содержит приблизительно 10 23ядер (маленьких мишенек) в кубическом сантиметре. Ядра имеют радиус около 10 -12см и, следовательно, площадь поперечного сечения около 10 -24см 2. Общая площадь всех ядер составит около 0,1 см 2. Значит, если собрать все мишеньки на одну плоскость размером 1 см 2, они займут одну десятую часть ее площади.

Если в привычном нам мире пуля попадет в стеклянный шарик, можно не сомневаться, что от него останутся осколки. Будь налетающие на мишень нейтрино классическими пулями, а ядра-мишеньки стеклянными шариками, вероятность разбить одно из ядер (или отскочить от слишком «твердого ядра») была бы 1/10. Для взаимодействия элементарных частиц предписаны квантовые вероятностные законы: частица может «проскочить сквозь» частицу без последствий. Но физики для характеристики вероятности рассеяния или поглощения элементарных частиц приняли по аналогии со светом модель «черной» мишеньки: черная мишень свет поглощает полностью, серая — частично. Реальную серую мишень можно представить себе как прозрачную, но с черным кружком такой площади, чтобы общее поглощение пучка было таким же, как у серой. Площадь черной мишени называют эффективной площадью мишени реальной.

Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом. Только пройдя сквозь слой свинца такое же расстояние, как от Солнца до центра нашей Галактики, пучок нейтрино наверняка прореагирует целиком.