Чтение онлайн

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:

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:

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.