Рэй Джаявардхана - Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей

Интересно отметить, что в этот период бурного расцвета физики теоретическая и экспериментальная наука развивались одинаково активно. Иногда эксперименты давали поразительные подтверждения теоретических прогнозов. Именно такой случай произошел в 1919 г., когда две группы астрономов, наблюдая солнечное затмение в разных точках земного шара, убедительно доказали: Солнце действительно искривляет свет, приходящий от далекой звезды, – в полном соответствии с общей теории относительности Эйнштейна. В других случаях те или иные экспериментальные данные удавалось адекватно объяснить при помощи новой теории. Например, Бор использовал концепцию квантования энергии, чтобы объяснить цвет спектральных линий атомов водорода при поглощении света этими атомами. Он предположил, что спектральные линии возникают при переходе электронов с одной орбиты атома на другую, причем эти орбиты в атомном ядре являются фиксированными. Сам Эйнштейн опирался на квантовую теорию, описывая, как свет, попадающий на определенные материалы, «высекает» из них электроны. Однако время от времени результаты экспериментов выявляли противоречия, и теоретикам ничего не оставалось, кроме как искать новые объяснения для этих природных феноменов.

На фоне столь бурных событий и были «придуманы» нейтрино. Физики буквально создали их на кончике пера, применив такую уловку, чтобы справиться с нараставшим кризисом в ядерной физике. Лишь много позже существование нейтрино было подтверждено экспериментально. Когда ученым не удалось установить, куда девается часть энергии, выделяющейся при бета-распаде, один ученый-теоретик решил, что необходимо «изобрести» новую частицу, наличие которой позволило бы устранить эту неувязку. Этим теоретиком-чародеем был дерзкий молодой гений, начинающий физик по имени Вольфганг Паули.

Паули родился в Вене в 1900 г. и вырос в атмосфере, где всегда приветствовалось обсуждение с детьми серьезных вопросов. Отец Паули был известным профессором-химиком, а мать – журналисткой, писала театральные рецензии, исторические эссе и политические статьи с социалистическим уклоном. У мальчика Вольфи было счастливое детство – он проводил время за играми с младшей сестрой, подолгу гулял в лесу, раскинувшемся неподалеку от дома, плавал в Дунае. В школе он пользовался авторитетом среди однокашников, а также с удовольствием подшучивал над учителями. Так, одного низенького учителя, который обладал способностью откуда ни возьмись очутиться прямо в компании школьников, Паули прозвал U-Boot (подводная лодка). По древнегреческому и латыни Паули успевал неважно, зато просто блистал на уроках математики и физики. Вскоре он стал скучать на школьных занятиях по естественным наукам, и отец выхлопотал Паули частные уроки, на которых молодой человек приступил к углубленному изучению физики.

Именно приглашенный отцом учитель познакомил юного Паули с общей теорией относительности Эйнштейна. Немногие физики в те годы понимали эту красивую, но революционную теорию, а тем более – ее невероятно глубокую подоплеку. Но Паули не составило труда с ней разобраться. Всего через два месяца после окончания средней школы он написал собственную научную статью на эту тему. Паули был твердо намерен сделать академическую карьеру в области физики и в 1918 г. отправился в Мюнхен учиться у Арнольда Зоммерфельда, одного из первопроходцев в нарождающейся науке – квантовой механике. Статья Паули, с которой ознакомился даже сам Эйнштейн, очень впечатлила Зоммерфельда. Он написал об этом одному коллеге, отмечая: «Я познакомился с изумительным представителем венской интеллектуальной элиты. Это молодой Паули – студент первого курса!»

Альберт Эйнштейн и Вольфганг Паули

(Pauli Archive, CERN)

За три года работы под руководством Зоммерфельда Паули защитил докторскую диссертацию в области квантовой механики. Затем по просьбе Зоммерфельда он подготовил обзорную статью по теории относительности для «Энциклопедии математических наук». Эта 240-страничная «статья» была позже опубликована как монография. Эйнштейн, прочитав шедевр Паули, восторженно отозвался о его труде: «Тот, кто будет читать эту зрелую и тщательно продуманную работу, вряд ли поверит, что ее автору всего 21 год. Не известно, чему следует удивляться больше: глубокому психологическому пониманию хода развития идей, безупречности математических выводов, глубокому проникновению в физическую сущность явлений, способности ясно и систематически излагать предмет, литературной эрудиции, полноте изложения, уверенности критика».

Вскоре Паули стал переписываться с ведущими физиками со всей Европы. Письма, которые он шутливо подписывал «Бич Божий», отличались остроумием и сарказмом, а также бескомпромиссной критикой.

Коллеги рассказывали, что Паули любил говаривать «Это не только неправильно, это даже не дотягивает до ошибочного!», развенчивая теории, которым явно не хватало строгости и проверяемых гипотез. Однажды, когда Эйнштейн выступил в Берлине с лекцией по теории относительности, маститые профессора, присутствовавшие в аудитории, несколько смутились – никто не решался первым задать вопрос. Тут поднялся Паули и беззастенчиво заявил: «То, что рассказал нам профессор Эйнштейн, не так уж и глупо, как может показаться на первый взгляд». В другой раз Паули сделал такое множество замечаний по поводу лекции, прочитанной Паулем Эренфестом (этот голландский физик был на 20 лет старше Паули), что сам Эренфест сказал ему: «Ваши статьи нравятся мне гораздо больше, чем вы сами!» Паули парировал: «Странно. Мои чувства к вам прямо противоположны!» Позже Паули и Эренфест стали друзьями, но не упускали случая обменяться колкостями. Разумеется, ершистый Паули многим не нравился, но он снискал уважение коллег не только за блестящий интеллект, но и за честность и прямоту. Ученые считали Паули «совестью физики» и часто интересовались «А что по этому поводу думает Паули?», когда знакомились с теми или иными новыми идеями.

Паули провел немало времени в Гёттингене и Копенгагене, где работал вместе с другими великими физиками, а затем стал научным сотрудником в университете Гамбурга. Работая в Гамбурге, 25-летний Паули сформулировал знаменитый принцип квантовой механики («принцип запрета»), который сегодня носит его имя. Принцип Паули критически важен не только для понимания свойств целого класса субатомных частиц, известных под общим названием «фермионы» (к которым относятся электроны, протоны и нейтроны), но также для описания внутренней организации звезд. Принцип Паули гласит, что никакие два фермиона в пределах одной квантовой системы не могут в один и тот же момент пребывать в одинаковом «квантовом состоянии» – то есть не могут обладать одинаковым спином и энергией. В субатомном мире этот принцип обусловливает структуру электронных оболочек внутри атомов: на одном и том же энергетическом уровне могут находиться не более двух электронов с одинаковым спином, поэтому другим электронам приходится заполнять новые энергетические уровни. В космическом масштабе принцип Паули объясняет, почему возникают белые карлики (сверхплотные звездные). В белый карлик превращаются такие звезды, как Солнце, когда они израсходуют все свое ядерное топливо и начинают сжиматься. Материя в белых карликах сжата настолько сильно, что на каждом энергетическом уровне уже сидит по паре электронов. После достижения такого предела сила гравитации уже не может сжать белый карлик еще сильнее (по крайней мере без радикального увеличения массы этого небесного тела), поэтому белый карлик не превращается в черную дыру. За открытие принципа запрета Паули спустя 20 лет получил Нобелевскую премию по физике, поскольку этот принцип позволяет объяснить самые разнообразные физические явления.