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

К сожалению, Пьер и Мария даже не подозревали, каким пагубным является длительное воздействие радиации на организм. Мария Кюри часами работала с радиоактивными веществами в тесном сарае, носила в карманах пробирки с радиоактивными образцами. Она вспоминала: «Мы любили поздним вечером еще раз заглянуть в лабораторию, чтобы побаловать себя фантастическим зрелищем. Повсюду виднелись слабо светящиеся очертания пробирок и мешочков, в которых находились наши препараты. Вид и впрямь был великолепный, всякий раз он казался нам новым. Тлеющие трубки походили на волшебные огоньки». Мария совершенно не подозревала, насколько губительна подобная забава. Вероятно, именно из-за поражения радиацией Мария Кюри умерла, не дожив до 67 лет.

Опираясь на исследования Пьера и Марии Кюри, Резерфорд и его коллеги пришли к выводу, что альфа-лучи состоят из сравнительно тяжелых положительно заряженных частиц. Позже выяснилось, что альфа-частицы действительно являются осколками крупных атомных ядер и каждая такая частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, тесно связанных между собой. Иными словами, альфа-частица – это фактически ядро гелия, очень легкого газа, стоящего в таблице Менделеева под номером 2 – сразу после водорода. Таким образом, физики установили, что, когда нестабильное ядро тяжелого элемента, например урана, испускает альфа-частицу, оно в результате превращается в ядро уже другого, чуть более легкого элемента. Опыты супругов Кюри показали, что бета-лучи, в свою очередь, заряжены отрицательно. Анри Беккерель и немецкий физик Вальтер Кауфман выяснили, что бета-лучи состоят из электронов. Спустя еще несколько лет физики открыли, что гамма-лучи – самый проникающий вид радиоактивного излучения – это особые электромагнитные лучи, напоминающие рентгеновские и несравнимо более высокоэнергетические, чем видимый свет.

Сегодня физики уже знают, что радиоактивность как таковая отлично иллюстрирует справедливость самого знаменитого уравнения, красующегося даже на футболках и кофейных кружках: E = mc2. Это уравнение, выведенное Эйнштейном, означает: масса (m) может превращаться в энергию (E) и наоборот, причем активность такого преобразования зависит от скорости света (c). Когда при радиоактивном распаде ядро элемента претерпевает изменения, часть заключенной в нем энергии выделяется в виде гамма-лучей, альфа– или бета-частиц. Согласно закону сохранения энергии сумма масс и энергий у конечных продуктов должна быть такой же, как и у исходного ядра.

При исследовании альфа-распада и гамма-излучения у физиков без проблем сходился баланс энергий. Однако с бета-распадом такого не получалось. Претерпевая бета-распад, ядро, очевидно, теряло всего одну частицу – электрон. Сложность заключалась в том, что энергия электрона при этом всякий раз получалась разной – это несоответствие в 1914 г. обнаружил британский физик Джеймс Чедвик. Иногда электрон обладал очень малой энергией, в других случаях – значительной. Более того, лабораторные измерения Чедвика, позже подтвержденные другими физиками, свидетельствовали, что показатели энергии электрона, покидающего атом, образуют непрерывный спектр с четко прослеживаемым максимальным значением. Что бы это значило? Согласно закону сохранения энергии при каждом акте бета-распада свободный электрон должен был обладать строго определенной энергией. Некоторые ученые задумывались, соответствует ли максимальный показатель из вышеупомянутого спектра истинному значению энергии, высвобождаемой при бета-распаде, поскольку ничтожная доля этой энергии куда-то исчезала. Очевидно, наука столкнулась с каким-то неизвестным явлением.

Проблема, касающаяся бета-распада, оказалась такой неподатливой и трудноразрешимой, что сам Нильс Бор, патриарх квантовой физики, предлагал вообще отбросить священный для науки закон сохранения энергии. В качестве довольно неуклюжего выхода из сложившегося кризиса Бор в 1930 г. предположил, что закон сохранения энергии может давать сбои в субатомном мире, но лишь в некотором усредненном, статистическом смысле. На одной из лекций, прочитанных в Лондоне, Бор сказал: «Можно утверждать, что мы не обладаем никакими аргументами, как теоретическими, так и эмпирическими, в пользу соблюдения закона сохранения энергии и в случае бета-распада; более того, попытки трактовать бета-распад в контексте этого закона вызывают многочисленные осложнения». Бор, разумеется, признавал, что «решительный отказ от принципа сохранения энергии может повлечь самые невероятные последствия», но настаивал, что «несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последнее время в теории атомного ядра, мы по-прежнему должны быть готовы к новым неожиданностям».

Паули и многие другие физики скептически воспринимали предложение Бора, не желая «браковать» закон сохранения энергии. «Вы и дальше собираетесь третировать несчастный закон сохранения энергии?» – подначивал Паули Бора в одном из писем. Конечно, Паули не был бы собой, если бы ограничился только лишь этим, так что не преминул поддеть Бора и в другой раз: «Допустим, кто-то одолжил у вас большую сумму денег и обещал отдать долг частями. Если бы после этого вы неоднократно договаривались об уплате очередной суммы в счет долга, а должник не являлся бы на встречу – вы бы решили, что это статистическая ошибка или что тут что-то нечисто?»

Действительно, даже под грузом личных неурядиц Паули долго и напряженно размышлял о том, как выйти из затруднительного положения, в которое попали физики, изучая бета-распад. Наконец, он нашел оригинальное решение. Паули предположил, что ученые в самом деле что-то упускают. Возможно, речь шла о какой-то неуловимой частице, убегающей с места бета-распада и уносящей с собой «недостающую» долю энергии. Паули вычислил, что гипотетическая частица, которая позволяла бы сбалансировать исходный и конечный электрические заряды, наблюдаемые при бета-распаде, должна быть нейтральной и весить меньше электрона. Воодушевившись этой идеей, Паули задумал поделиться ею с ведущими европейскими физиками и решил, что это будет удобно сделать на конференции, которая должна была состояться в немецком городе Тюбинген в начале декабря 1930 г. Правда, сам Паули не хотел пропускать цюрихский зимний бал, поэтому предпочел написать письмо коллегам в Тюбинген.

Паули написал это письмо, которое впоследствии стало знаменитым, всего через восемь дней после оформления развода. Он обратился к читателям так: «Уважаемые радиоактивные дамы и господа!»[11] В этом письме Паули объявил, что «предпринял отчаянную попытку спасти… закон сохранения энергии». Он писал: «Имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть нейтронами», на основании чего сделал следующий вывод: «Непрерывный бета-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается еще и нейтрон таким образом, что сумма энергий нейтрона и электрона остается постоянной».

Гипотеза Паули без всякого преувеличения была исключительно дерзкой, и он сознавал, насколько отчаянный поступок совершает. В те годы физикам было известно всего о трех элементарных частицах: протоне, электроне и фотоне. Попытка выдумать совершенно новую частицу, якобы «пока еще не обнаруженную», для решения нетривиальной научной проблемы могла показаться коллегам глупой отговоркой. Далее в письме говорилось следующее: «Пока я не решаюсь публиковать что-нибудь по поводу этой идеи. Полагаю, мое объяснение на первый взгляд может показаться маловероятным, поскольку если бы нейтроны действительно существовали, то кто-нибудь их бы, наверное, заметил. Но кто не рискует – тот не побеждает. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного бета-спектра становится особенно яркой после слов профессора Дебая, сказанных мне с сожалением во время нашей беседы в Брюсселе: “Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах”. Следовательно, необходимо серьезно обсудить любой путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, рассматривайте и судите сами».