Открытие нейтрино

Я думаю об открытии нейтрино. Оно как айсберг, который приплыл от северных широт до тропиков и растаял там в мареве испарений. И теперь не заглянешь под воду и не увидишь 9/10 прятавшейся там глыбы человеческих страстей первооткрывателей. И не напишешь об этом, ибо, по совету М. Булгакова, описывать надо то, что знаешь, а чего не знаешь, о том писать не следует.

А вместо растаявшей глыбы теперь просто известно, что нейтрино — это частица, не имеющая ни – электрического заряда, ни магнитного момента, ни, по-видимому, массы. И еще известно, что существует два типа нейтрино, из которых одно при столкновениях с другими частицами превращается в электрон (электронное нейтрино), а другое — в «тяжелый электрон», мюон (мюонное нейтрино).

И еще: потребовался мощный реактор, дающий поток в сто миллиардов нейтрино через квадратный миллиметр в одну секунду, и детектор весом в пять тонн, чтобы в 1956 году впервые экспериментально зарегистрировать нейтрино.

И что нейтрино так слабо взаимодействуют с веществом, что не только земной шар, но даже Солнце и звезды, где они рождаются, пересекают, как правило, не испытывая столкновений.

Но как же тогда можно было заподозрить существование такой частицы почти 100 лет назад, на заре ядерной физики? И кто были те, кто заподозрил, и кто был против? Вот что мне удалось узнать об этом.

«Вы должны мне противоречить»

«7 января 1925 года, когда мне было 20 лет от роду и был я еще очень неопытен, прибыл я в живописный немецкий университетский городок Тюбинген и остановился в гостинице «У Золотого Быка»… В институте физики меня любезно принял Ланде, заметив, что я приехал очень кстати, так как на следующий день должен был приехать Паули. Паули написал ему очень длинное и очень интересное письмо, которое Ланде дал мне прочитать… В моих глазах Паули значил так много, что, ожидая встречи с ним, я жадно вчитывался в письмо, которое Ланде показал мне».

Так писал американский физик Роберт Крониг о своем первом знакомстве с Вольфгангом Паули. Вечером того же дня он под влиянием прочитанного письма разработал представление о вращающемся электроне. Крониг предположил, что электрон непрерывно вращается вокруг своей оси, как волчок, и вследствие этого обладает вращательным моментом. Связь этой модели с письмом Паули заключалась в том, что, по предположению Кронига, вектор вращательного момента электрона, или спина, как его называют теперь, мог быть направлен только по оси вращения, а его проекция на ось должна составлять ±nh, где h — постоянная – Планка, а число n = 1/2.

В письме же, которое Паули прислал Ланде, некоторые особенности атомных спектров, наблюдавшихся в лаборатории Ланде, объяснялись именно тем, что электрон несет на себе как заряд еще некоторое квантовое число n, которое может принимать два значения +1/2 и -1/2. Однако в отличие от Кронига Паули не придавал этому числу физического смысла, а считал его просто «двузначностью, не поддающейся классическому описанию».

На следующее утро несколько университетских физиков, среди которых был и Крониг, отправились на вокзал встречать Паули. Крониг был очень взволнован предстоящей встречей. Имя Паули было широко известно по ряду глубоких теоретических исследований, и прежде всего по обзорной статье о теории относительности, опубликованной в Энциклопедии математических наук и представлявшей собой первое обширное и последовательное изложение этого мало кому в то время понятного учения.

Крониг ожидал увидеть маститого ученого, почему-то обязательно с бородой. Но на перрон не выходил никто, хоть сколько-нибудь похожий на созданный им образ. И несколько полный и очень молодой человек в коротком пальто и шляпе, вдруг вынырнувший из вагона и направившийся к их группе, уж никак не мог быть Вольфгангом Паули. Но это был именно он, и Крониг, пожимая ему руку, невнятно произнося первые, ничего не значащие фразы, все еще не мог осознать, что перед ним тот самый Паули.

Паули понял Кронига с полуслова, еще на пути в гостиницу, понял и резко возражал. Идея о вращающемся, как волчок, электроне показалась Паули слишком классической, даже примитивной. Нет, квантовое число — это все же «двузначность, не поддающаяся классическому описанию». Обескураженный Крониг покинул Тюбинген на следующий день.

Прошел всего год, в течение которого идея о вращающемся электроне угасала и возрождалась вновь в других городах и у других людей. Великий Бор изменял свое отношение к вращающемуся электрону, начиная верить в него, а Паули бросался в дорогу, чтобы перехватить Бора на вокзале в Берлине и за время короткой стоянки поезда выразить возмущение «новой ересью» в физике.

Истина установилась в начале следующего, 1926 года, и она пролегла между мнениями Кронига и Паули. Правы были оба: электрон имел вращательный момент — спин, но своим происхождением спин был обязан не простому вращению электрона как абсолютно твердого шарика вокруг своей оси, а какому-то внутреннему его строению и был в том смысле «двузначностью, не поддающейся классическому описанию». Естественным образом понятие спина как внутреннего вращательного момента распространилось и на другую известную тогда элементарную частицу — протон, а также на атомные ядра. Пользуясь тонкими спектроскопическими измерениями, теоретики научились вычислять величину спина ядра, всегда равную nh, где в отличие от электрона n могло быть любым целым или полуцелым числом.

В конце 1927 года Крониг неожиданно получил письмо от Паули, в то время заведовавшего кафедрой теоретической физики Высшей технической школы в Цюрихе. Оно содержало приглашение приехать в Цюрих для работы в качестве ассистента. «Вряд ли это, — писал Паули, — наложит на Вас тяжелые обязанности; Ваша задача будет состоять в том, чтобы каждый раз, когда я что-нибудь скажу, противоречить мне, тщательно все обосновывая». Работа на кафедре носила не слишком формальный характер, и обсуждение часто переносилось в кондитерскую Шпрюнгли, на пляж Цюрихского озера или прямо в воду, где Паули как прекрасный пловец имел дополнительное преимущество.

Вскоре Крониг показал Паули свои вычисления, основанные на недавних измерениях спектра атома азота, доказывавших, что спин ядра азота равен единице. Результат этот поразил обоих. Ядро азота, построенное, как считали, из протонов и электронов, было в 14 раз тяжелее протона, а значит, должно было содержать 14 протонов. Но заряд его равнялся +7, и это определяло количество отрицательно заряженных электронов в ядре (7). 14 протонов и 7 электронов, каждый из которых имеет спин 1/2. Каким же образом все ядро может иметь целочисленный спин?

А между тем ядерная физика тех лет столкнулась еще с одной грозной проблемой, которая ставила под сомнение закон сохранения энергии. Этой проблемой был бета-распад. Так называли превращения ядер, сопровождающиеся излучением быстрых электронов (бета- лучей, по терминологии тех лет). Теперь известно, что все разнообразные случаи бета- распада ядер – не что иное, как один процесс — превращение нейтрона внутри ядра в протон с одновременным рождением электрона. Но тогда, в 1930 году, такое понимание было еще делом будущего, а нейтрон только предстояло открыть. И все же, не вникая в истинный механизм бета-распада, физики конца двадцатых годов ясно видели там что-то неладное. Действительно, если несколько совершенно одинаковых ядер, выбрасывая электроны, превращаются в другие, тоже одинаковые ядра, то закон сохранения энергии требует, чтобы все испущенные при этом электроны имели одинаковую энергию. А на деле наблюдалось совсем иное: электроны вылетали из ядер с самыми разнообразными энергиями; говоря языком физики, спектр электронов оказался непрерывным.

О вреде хорошего вкуса

В конце 1930 года Паули неожиданно пришла на ум мысль, что «азотная катастрофа» и бета-распад — это два проявления одной загадки и что обе эти трудности можно уничтожить одним ударом. Если допустить, рассуждал он, что внутри ядра, кроме протонов, находятся еще нейтральные частицы со спином ½, то полное число частиц в ядре азота может оказаться четным, и поэтому спин, всего ядра будет целочисленным. С другой стороны, те же нейтральные частицы могут спасти и закон сохранения энергии. Для этого достаточно только предположить, что при бета-распаде ядра оттуда одновременно с электроном вылетает эта частица и, оставаясь незамеченной, уносит часть энергии, выделяющейся при распаде.

4 декабря 1930 года Паули написал письмо в Тюбинген, где в то время проходила конференция по вопросам радиоактивности. В письме он изложил соображения по поводу придуманной им частицы и сообщил миру ее имя — нейтрон. Конечно, Паули предвидел, что его нейтрон вызовет возражения экспериментаторов, и знал, какого рода будут эти возражения: «Почему же нейтрон не был до сих пор замечен в опытах по бета-распаду?» Паули ответил на этот вопрос заранее, предположив, что нейтрон очень слабо взаимодействует с веществом.

Такое дополнительное и вынужденное предположение Паули делало его гипотезу неуязвимой, но сама эта неуязвимость становилась ахиллесовой пятой всей идеи в целом. Ведь после каждого сообщения экспериментатора об отсутствии предполагаемой частицы можно утверждать, что ее проникающая способность еще больше, чем ожидалась, и так продолжать до бесконечности, до принципиальной ненаблюдаемости частицы. А в такое физики поверить не могли.

Паули все это понимал и поэтому был очень осторожен. «Я пока не решаюсь публиковать что-нибудь по поводу этой идеи, — писал он в Тюбинген, — и обращаюсь только к вам, дорогие радиоактивные дамы и господа, с вопросом, можно ли экспериментально доказать существование такого нейтрона, если он будет обладать проникающей способностью примерно такой же, как и гамма-квант, или в 10 раз больше».

Письмо Паули написано в откровенно шутливом тоне, и это не случайно. Паули не претендует на потрясающее основы физики открытие, он ищет лишь подступы к решению проблемы, он лишь обращает внимание ученых на новые возможности.

Реакция тюбингенских физиков оказалась для Паули неожиданной. Очень скоро в Цюрих пришло письмо от Гейгера, весьма заинтересовавшегося нейтроном Паули. После обсуждения со многими физиками, и главным образом с Лизой Мейтнер, Гейгер пришел к выводу, «что с экспериментальной точки зрения новые частицы были весьма возможны».

Но письмо Гейгера не произвело на Паули ожидаемого впечатления. По мере размышления над свойствами предлагаемой частицы скептицизм Паули возрастал все более и более. С этим настроением Паули отправился в Америку. «В докладе на заседании Американского физического общества в Пасадене в июне 1931 года, — вспоминает Паули, — я впервые публично сообщил о своей идее насчет новых весьма проникающих нейтральных частиц при бета-распаде. Я уже не считал их составными частями ядер, не называл их нейтронами и вообще никак не называл. Дело начало казаться мне настолько сомнительным, что я решил не печатать свой доклад».

Паули отказался от мысли, что его частицы входят в состав ядер, задолго, до приезда в Пасаден. Он пришел к этому выводу вскоре, после письма Гейгера. Паули понял, что законы квантовой механики требуют выбора из двух возможностей, из двух «или». Или его нейтрон входит в состав ядра и разрешает проблему «азотной катастрофы», или спасает закон сохранения энергии в бета-распаде. Законы квантовой механики, увидел Паули, требуют сильного притяжения к ядру его составной частицы и ее большой массы. Тяжелый нейтрон решал проблему «азотной катастрофы», но ставил под удар закон сохранения энергии при бета-распаде: ведь тяжелые, сильно взаимодействующие с ядрами частицы не могли остаться незамеченными!

По душе Паули было второе «или»: оставить «азотную катастрофу» на произвол судьбы, но спасти закон сохранения энергии. Для этого надо было допустить, что новая нейтральная частица рождается при бета-распаде ядра одновременно с электроном и уносит часть энергии. Частицы этой до распада не было в ядре, поэтому для нее не надо изобретать мощных сил, притягивающих ее к ядру, и это открывает дверь для предположения колоссальной проникающей способности частицы и о ее малой массе. Такую невидимку вполне можно было не заметить в опытах.

Выдумывание частиц — занятие малопочтенное. Физик идет на это лишь при крайних обстоятельствах. Но Паули стоило решиться на вдвойне малопочтенный шаг и только тогда он оказался бы совершенно прав. Ему надо было выдумать сразу две новые частицы — одну для «азотной катастрофы», а другую для бета-распада. Раздумывая над решением, принятым Паули, ясно сознаешь, что оно было продиктовано тонким вкусом и стремлением к изящности построений. Но, видно, для гениального шага в той ситуации нужен был дурной вкус.

Нейтральненький

После доклада в Пасадене частица Паули потеряла свое имя нейтрон и стала безымянной. Американская аудитория встретила частицу холодно, но Паули умел идти и против течения, когда для этого были веские основания. Но здесь все было не так просто. С одной стороны, он не мог и мысли допустить о нарушении закона сохранения энергии, но, с другой стороны, частица, изобретенная для его спасения, была бесплотной, как привидение.

Слово было за экспериментаторами, а идея казалась сомнительной даже теоретикам. В октябре 1931 года Паули прямо из Америки отправился в Рим, где начинался международный конгресс по ядерной физике. Здесь он, прежде всего, разыскал Ферми и рассказал ему о своем предположении. Ферми со свойственной ему интуицией сразу же поверил в реальность этой частицы. И все же он согласился с Паули, что доклад о ней в Риме несколько преждевременен.

Но Ферми взялся за дело энергично. На конгрессе и после него он встречался со многими физиками и никогда не забывал обсудить возможность существования частицы Паули. В лице Ферми эта частица нашла не только энергичного сторонника, но и второго отца: двумя годами позже, после того как Чэдвик открыл нейтрон, Ферми придумал для частицы Паули итальянское имя — нейтрино. Академик Б. М. Понтекорво переводит это слово как «нейтральненький».

Но такие чувства по отношению к нейтрино не могли разделяться всеми физиками, и, отправляясь на Римский конгресс в 1931 году, Паули твердо знал это. Он не сомневался, что в Риме его частица будет принята резко отрицательно, и мог заранее назвать имя человека, которому нейтрино окажется так не по душе. «Нильс Бор будет против», — предчувствовал Паули, и для этого предчувствия у него были безошибочные основания.

Еще в 1924 году Бор, Крамере и Слетер опубликовали статью, действие которой на физиков можно было уподобить только электрическому шоку. Рассматривая процессы излучения и поглощения света, три копенгагенских физика с мужеством Яна Гуса пошли на костер физических «предрассудков». Они предположили, что закон сохранения энергии выполняется не в каждом акте излучения и поглощения кванта света, а лишь в среднем — в большом числе таких актов. Но физики не могли примириться с мыслью, что закон сохранения энергии всего лишь «предрассудок», и споры бушевали до тех пор, пока Гейгер и Боте не доказали экспериментально выполнение закона в каждом акте излучения и поглощения.

…Предчувствия не обманули Паули: Бор встретил идею о нейтрино недружелюбно; в беседах с Паули он вернулся к своей прежней мысли о невыполнении закона сохранения энергии в каждом отдельном акте бета-распада. Дискуссии только укрепили Бора в его предположении, и вскоре он высказал его в Фарадеевских лекциях: «…При современном состоянии атомной теории можно сказать, что у нас нет никаких аргументов, ни эмпирических, ни теоретических, в пользу соблюдения закона сохранения энергии в случае бета- распада, и при попытке удовлетворить этому закону мы лишь приходим к усложнениям».

Паули, бор и нейтрино

Ситуация казалась довольно безнадежной. В руках физиков был только один экспериментальный факт: при бета-распаде теряется часть энергии. И этот единственный факт, объяснялся двумя враждебными друг другу гипотезами. Что было делать? Решать вопрос открытым голосованием?

Нужны были новые экспериментальные факты. На первый взгляд все мог решить прямой поиск нейтрино, но на самом деле это был очень ненадежный путь. Отрицательный результат поиска никак не изменял ситуацию, а на регистрацию нейтрино была лишь слабая надежда, ибо слабы были источники бета-распада.

Казалось, загадка бета-распада останется в наследство следующим поколениям физиков. И в этой ситуации Паули предложил очень тонкий и остроумный выход из положения, казавшегося безнадежным. Он придумал несложный эксперимент, который мог решить их спор с Бором.

Было известно, что при бета-распаде ядер определенного сорта лишь небольшое число электронов имеет очень маленькие и большие энергии. Основная масса электронов вылетает с промежуточными энергиями. Если Бор прав, рассуждал Паули, то ничто не мешает электронам хотя бы изредка вылетать из ядра с очень большой энергией. Но если закон сохранения энергии выполняется в каждом акте бета-распада, то электрон и нейтрино вместе уносят определенную порцию энергии, и поэтому энергия отдельного электрона никогда не может быть больше всей этой порции. Говоря словами Паули, «решающим был вопрос, имеют ли бета спектры электронов резкую верхнюю границу или же они простираются в бесконечность».

Во время римских дискуссий Паули договорился с немецким физиком Эллисом, специалистом по бета-распаду, об экспериментальном исследовании этой проблемы. Прошло два года. В 1932 году идея нейтрино получила неожиданную поддержку: Чэдвик открыл нейтрон. Это психологически сломило противников выдумывания новых частиц. Стало ясно, что путь изобретения тяжелого нейтрона, по которому Паули прошел было несколько шагов, пытаясь разрешить загадку «азотной катастрофы», вел к правильному результату. Аналогия с нейтрино просто бросалась в глаза. Но это был все- таки лишь психологический довод. Никаких, даже косвенных экспериментальных фактов в пользу нейтрино все еще не было.

В апреле 1933 года Чэдвик закончил эксперименты по прямому поиску нейтрино. Результаты оказались отрицательными. Из опытов Чэдвика следовало, что если нейтрино и существует, то его проникающая способность больше, чем предполагалось. Но это не давало ответа на основной вопрос, разделявший Паули и Бора. А между тем нейтрино становилось проблемой в ядерной физике. Его больше не замалчивали, его широко обсуждали во всех странах.

Разрешения спорных вопросов ожидали от Сольвеевского конгресса, который открывался в октябре в Брюсселе. Туда должны были приехать Паули, Бор, Гейзенберг, Ферми. Проблема нейтрино впервые выдвигалась на официальное обсуждение, а у ее сторонников все еще не было решающего доказательства. И только перед самым открытием конгресса Паули получил долгожданное известие от Эллиса: эксперимент закончен.

Теперь Паули отбросил сдержанность. Наступил момент, когда стало возможным переубедить самого Бора. Паули говорил на конгрессе: «Бор предполагает, что законы сохранения энергии и импульса не выполняются в ядерных процессах, в которых малые частицы играют существенную роль. Эта гипотеза представляется мне неубедительной и даже неправдоподобной. Прежде всего, в этих процессах сохраняется электрический заряд, и я не вижу, почему сохранение заряда является более фундаментальным принципом, чем сохранение энергии или импульса».

И вслед за этими словами Паули наносит решающий удар по концепции Бора. Острие этого удара — в результате эксперимента, доложенного Эллисом только что, перед выступлением Паули: «Более того, именно энергетические соотношения определяют неновые характерные черты бета-спектров (существование верхней границы и связь с гамма-спектрами, критерий устойчивости Гейзенберга). Если законы сохранения не выполняются, то из этих соотношений следует заключить, что бета-распад всегда происходит с потерей энергии и никогда — с выигрышем. Но этот вывод влечет за собой необратимость таких процессов во времени, что кажется мне вообще неприемлемым». Этот отрывок из выступления Паули требует некоторых пояснений.

Основной довод Паули (существование верхней границы бета-спектра) был тем долгожданным результатом, о котором стало известно перед самым началом конгресса и после обсуждения которого Паули выступал. Ученик Эллиса, молодой физик Гендерсон, доказал на опыте, что электроны при бета-распаде действительно не имеют энергию выше некоторого максимального значения, а это как раз и предсказывал Паули.

Паули опирался в приведенной цитате еще и на два других аргумента, но мы не будем разбирать их. Здесь важно подчеркнуть другое. Паули был предельно честен и корректен. Он ясно видел, что все его доводы, утверждая закон сохранения энергии, бьют лишь по неверной концепции Бора, но не свидетельствуют прямо о существовании нейтрино. Дело выглядело несколько иначе: после признания закона сохранения энергии нейтрино оказывалось самым простым и естественным объяснением пропажи энергии в бета-распаде.

Но удалось ли Паули переубедить Бора? И в чем была причина его заблуждения? Еще в 1930 году в Фарадеевской лекции Бор, подытоживая свои соображения в пользу нарушения закона сохранения энергии, сказал: «Я наметил эти рассуждения здесь, в основном, с целью подчеркнуть, что в атомной теории, несмотря на недавний прогресс, мы должны быть готовы к новым сюрпризам». Это были поистине пророческие слова, и, как оказалось позже, они имели к нейтрино самое прямое отношение. Но Бор и ошибся: этим сюрпризом не был закон сохранения энергии. Бор протестовал против бездумного перенесения законов, открытых для больших тел, в мир атомных явлений, и он был прав; но в своем протесте он зашел слишком далеко.

С Сольвеевского конгресса Бор уехал не слишком убежденным в правоте сторонников нейтринной гипотезы. В 1957 году Паули вспоминал: «Возражения Бора по сравнению с его Фарадеевской лекцией стали намного слабее. Проявив чрезвычайную осторожность в вопросе о нарушении закона сохранения энергии, он ограничился своим более общим высказыванием, что никому не известно, какие еще сюрпризы могут встретиться в этой области. Впрочем, справедливость закона сохранения энергии при бета-распаде и существование нейтрино он признал полностью лишь в 1936 году, когда была успешно развита теория Ферми».

И последний штрих

В истории рождения нейтрино был человек, роль которого в формировании новой гипотезы чрезвычайно важна. Этот человек — Нильс Бор. Удары его возражений проверяли прочность каждого звена в логической цепи нейтринной гипотезы. И, что еще важнее, Бор, начав борьбу против частицы Паули, не отдал ее в руки самого опасного врага любой гипотезы — насмешливого равнодушия. Нейтрино получило признание в столкновении противоположных мнений, и для участников дискуссий каждое сильное возражение было много ценнее некритического поддакивания. Бор сказал в 1960 году: «Мы всегда извлекали пользу из замечаний Паули, даже когда временно были с ним не согласны; если же он чувствовал необходимость изменить свои взгляды, он признавал это весьма откровенно, а если новые идеи встречали его одобрение, то мы в этом чувствовали большую поддержку».

В этих словах Бора — атмосфера дискуссий тех лет, определившая традиции новой физики.

Автор: В. Березинский.