Читать книгу Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия - Марк Боуэн - Страница 4

Сольвеевская конференция 1933 года позволила обрести «полную ясность» и Энрико Ферми. Вернувшись в Рим, он погрузился в создание квантовой теории бета-распада и завершил работу над ней в декабре, менее чем через два месяца после конференции.

Ферми подвергал проверке всё новые и новые идеи. Так, он предположил, что электрон и нейтрино могут возникать одновременно, что протоны и нейтроны способны обмениваться своими идентичностями, а также согласился с Паули в том, что все известные нам законы сохранения энергии работают и в новых условиях. Воспользовавшись подсказкой Гейзенберга, который заявил в Брюсселе (ошибочно, как выяснилось позднее), что протон и нейтрон могут представлять собой различные состояния одной и той же фундаментальной частицы, Ферми предположил, что электрон и нейтрино тоже должны быть как-то с этим связаны, – и этот вывод скоро начал завоевывать все больше сторонников⁸⁸.

Хотя сам Ферми ничего не говорил на эту тему, но предложенная им модель бета-распада оказалась первой рудиментарной теорией слабого ядерного взаимодействия. Иными словами, можно считать, что он открыл третью фундаментальную силу природы после гравитации и электромагнетизма (в наши дни известны четыре такие силы – вскоре после описываемых событий было открыто сильное ядерное взаимодействие). Кое-кто считает модель Ферми первым примером современной теории поля⁸⁹, а Фрэнсис Халзен, вдохновитель IceCube, отмечает, что ее также можно считать стартовой точкой для стандартной модели физики элементарных частиц, которая была сформулирована лишь через 40–50 лет.

Теория с блеском выдержала самую главную проверку – тест на прогностическую ценность. Ферми использовал теорию, чтобы получить на основе базовых принципов кривую, которая терзала и теоретиков, и экспериментаторов на протяжении 20 с лишним лет, – форму спектра энергии электрона при бета-распаде. Хотя к тому моменту еще никому не удалось увидеть нейтрино, важная роль этой частицы в теории и ее соответствие данным последующих экспериментов сделали факт существования нейтрино почти неопровержимым – хотя многие физики все равно продолжали упорствовать. Когда Ферми представил свою теорию в журнал Nature – ведущее мировое научное издание, журнал отказал в публикации, поскольку статья «содержит слишком отвлеченные и нереалистичные рассуждения, которые вряд ли заинтересуют читателя» (пятью годами позже редакторы журнала признали, что это было, пожалуй, их самым серьезным профессиональным промахом за всю карьеру⁹⁰). Тогда Ферми опубликовал свою статью в трех более специализированных – и менее известных – физических журналах⁹¹.

Использовав свою теорию для расчета массы нейтрино, Ферми продемонстрировал, что эта масса должна быть «либо равной нулю, либо слишком малой по сравнению с массой электрона»⁹². Это предположение впоследствии также подтвердилось и, в типичной для этой странной частицы логике, сделало нейтрино еще более неуловимым.

Теория содержала в себе и несколько предположений о возможных методах выявления нейтрино – и тем самым она заложила основы нейтринной астрономии. Теория показала, что бета-распад может идти в обратном порядке: невидимое нейтрино, свободно перемещающееся сквозь пространство и время, может пройти достаточно близко к нейтрону или протону, чтобы вступить с ними во взаимодействие, изменить их сущность на обратную и в конце концов создать свободный электрон или позитрон, который затем можно будет выявить. Именно этот процесс стал теоретической основой работы телескопа IceCube.

К сожалению, всего через три месяца после публикации выводов Ферми Рудольф Пайерлс и другой выдающийся немецкий теоретик Ханс Бете продемонстрировали, что так называемый обратный бета-распад возникает крайне редко⁹³. На основе теории Ферми они продемонстрировали, что нейтрино как тип энергии, обычный для бета-распада, может пролететь в воде до тысячи световых лет – то есть в 63 миллиона раз больше расстояния от Земли до Солнца – без какого-либо взаимодействия с другими частицами. Исходя из этого, они пришли к выводу о «практической невозможности наблюдения» за частицей.

Это весьма осторожное замечание, сделанное двумя весьма умными людьми, может служить хорошим примером того, насколько это опасное дело – прогнозы. Бете и Пайерлс не могли и представить себе, что открытия в физике в течение следующих десяти лет значительно изменят сложившееся положение вещей – не говоря уже о нашем восприятии нашего места на планете в целом. Кроме того, вспоминал Пайерлс почти через 50 лет, они и рассчитывать не могли на «подобное мастерство экспериментаторов»⁹⁴.

Затем в роли повивальных бабок нейтрино выступили «парни с улицы Панисперна» – несмотря даже на то, что в течение следующего десятилетия нейтрон, открытый Чедвиком, несколько вытеснил нейтрино из фокуса научных интересов физиков, провоцируя всё новые открытия, которые буквально потрясли основы мироздания.

Примерно в то же время, когда стало известно о существовании частицы Чедвика, Ферми и несколько других проницательных ученых поняли, что нейтрон должен проникать в ядро легче, чем заряженная альфа-частица с позитивным зарядом, поскольку из-за отсутствия заряда нейтрон не будет вступать во взаимодействие с протонами ядра, имеющими позитивный заряд. Использовав некоторые догадки Жолио-Кюри, команда Ферми принялась бомбардировать нейтронами все известные науке элементы. В ходе этих экспериментов «парни с улицы Панисперна» совершенно случайно обнаружили, что «медленные», то есть обладающие низкой энергией нейтроны проникают в ядро легче, чем быстрые. В течение следующих нескольких лет им удалось успешно создать радиоактивные изотопы для каждого известного элемента, за исключением двух самых легких – водорода и гелия. За эту серию открытий Ферми получил в 1938 году Нобелевскую премию по физике.

Как вскоре выяснилось, он по чистой случайности остановился в шаге от открытия явления ядерного деления. Принято считать, что «парни с улицы Панисперна» смогли запустить первую искусственную реакцию деления атома в процессе работы с ураном – самым тяжелым из известных на тот момент элементов, – однако не поняли, что именно они сделали, поскольку неправильно определили состав побочных продуктов реакции. Эти парни разбирались в химии намного хуже, чем в физике, – и, возможно, это оказалось благом для всех: как заметил научный писатель и физик-теоретик Джереми Бернстейн,

можно только гадать, что произошло бы, если бы о явлении ядерного распада стало известно в фашистской Италии в 1934 году⁹⁵.

Ферми получил свою премию в непростое время. В том же году Муссолини заключил союз с Гитлером и в Италии был принят ряд антисемитских законов. С присущим Ферми прагматизмом он посоветовал своей жене-еврейке Лауре купить на все имевшиеся у них деньги драгоценности, меха и тому подобное. Поехав в Стокгольм на вручение премии, он взял жену и дочь с собой. Затем они отплыли в США, где использовали призовой фонд и деньги, вырученные от продажи драгоценностей, на обустройство нового семейного гнезда и начало новой жизни. Семейство Ферми никогда больше не жило в Италии.

Покинуть родину были вынуждены и многие другие ученые – герои саги о бета-лучах: Паули, Пайерлс и Лиза Мейтнер. Мейтнер, еврейка по рождению, была крещена, вполне ассимилирована и имела австрийское гражданство, то есть была защищена от расовых законов нацистской Германии, в которой она жила и работала. Однако этот тонкий слой стабильности и защиты был прорван в марте 1938 года после аншлюса – гитлеровской аннексии Австрии. Лиза Мейтнер в панике бросила свой дом в Берлине и Химический институт кайзера Вильгельма, где в течение четверти века проработала вместе с Отто Ганом, села в поезд и бежала из Германии. Нильс Бор смог найти для нее работу в Стокгольме⁹⁶. Уже из эмиграции Мейтнер продолжила сотрудничать с Ганом единственным возможным способом – путем переписки.

Эта потрясающая пара исследователей также занималась бомбардировкой различных элементов нейтронами, а Ган, возможно самый заслуженный радиохимик своего времени, увлекся изучением урана, все изотопы которого радиоактивны. За несколько дней до Рождества того же печального года, когда Мейтнер отдыхала со своими друзьями на западе Швеции, она получила письмо от Гана, в котором сообщалось, что Ган и его ассистент Фриц Штрассманн смогли обнаружить среди продуктов распада урана, подвергшегося бомбардировке нейтронами, изотоп бария.

Атомное число бария равно 56, а урана – 92. Случившееся представляло собой трансмутацию совершенно иного порядка, чем ранее выявленные небольшие движения по периодической таблице: ядро урана разделилось почти пополам.

Незадолго до сочельника 1938 года, гуляя по заснеженному лесу со своим племянником, физиком Отто Фришем, Мейтнер поняла, что если в самом деле удастся сформировать два таких фрагмента, то при их разделении произойдет «выброс огромной энергии»⁹⁷. Суммарная масса продуктов распада настолько меньше массы изначального ядра урана, что в ходе реакции высвобождается невероятный объем энергии-массы Эйнштейна. Позднее Фриш рассчитал, что «энергии каждого распадающегося ядра урана будет достаточно для того, чтобы заставить подпрыгнуть кучку песка». А поскольку в одном грамме урана содержится около 10²¹, то есть миллиард триллионов ядер⁹⁸, взрыв в результате будет чудовищно сильным. В середине января Фриш назвал процесс делением, по аналогии с бинарным делением бактерий⁹⁹.

Дело не ограничивается тем, что каждое отдельно взятое деление ядра создает невероятный всплеск энергии. Задолго до того, как Ган, Штрассманн и Мейтнер совершили свое открытие, несколько прозорливых ученых поняли, что расщепление ядра должно привести к так называемой цепной реакции. Когда один нейтрон расщепляет одно ядро одного изотопа урана, продукты деления проходят через бета-распад и создают новые нейтроны, скорости или энергии которых достаточно для расщепления очередного ядра, продукты распада которого создают еще больше нейтронов, те расщепляют еще больше ядер и так далее.

Второго декабря 1942 года в урановом котле (сердце современного ядерного реактора), управлявшемся Энрико Ферми, произошла первая искусственная и устойчивая ядерная цепная реакция. Реактор, получивший название Pile («поленница»), располагался на площадке для игры в сквош под трибунами заброшенного футбольного стадиона Чикагского университета. Вскоре после этого Ферми стал одним из основных архитекторов атомной бомбы, которая через два с половиной года поможет завершить Вторую мировую войну.

Но как все это связано с нейтрино? Дело в том, что каждый случай бета-распада в ходе цепной реакции приводит к созданию как минимум одной призрачной частицы. Таким образом, ядерный взрыв или контролируемый процесс в ядерном реакторе порождает так много нейтрино, что их количество сложно описать каким-либо конкретным числом (для таких случаев больше подходит слово «мириады»). Появление столь мощных источников нейтрино послужило основой для разработки методов выявления частицы.

В годы войны происходили и другие события, которые ускоряли эти процессы и двигали их вперед. Первое такое событие было связано с теорией, предложенной одним из самых загадочных персонажей в истории физики – худощавым, состоятельным, всегда полным пессимизма человеком по имени Этторе Майорана¹⁰⁰, одним из «парней с улицы Панисперна». Эта группа – шутливо, но почти всерьез – считала себя едва ли не религиозным орденом, в котором непогрешимый Ферми играл роль папы, а Майорана занимал должность великого инквизитора. Как и Вольфганг Паули, Майорана критиковал любые проявления неряшливости мышления. Ему не приходилось зарабатывать себе на хлеб, поэтому он часто просто слонялся по коридорам института со скучающим видом, а весь его научный вклад – небольшой по объему, но оказавший огромное влияние на развитие науки – был создан менее чем за десять лет. Сказать, что Майорана был незаурядным человеком, – значит ничего не сказать. Он уже при жизни славился нестандартностью своего мышления, а в 1938 году проделал трюк, который превратил его в культурную икону и любимого героя итальянских конспирологов: он сел на корабль, имея при себе паспорт и большую сумму наличных денег, – и исчез. Кое-кто считает, что он покончил с собой, другие – что он уединился в каком-то католическом монастыре, а не так давно появилась версия о том, что Майорана решил начать новую жизнь под вымышленным именем где-то в Южной Америке.

Основной вклад Майораны в нейтринную физику связан с тем, что он сформулировал загадку, остававшуюся без ответа более 80 лет. В работе, опубликованной в 1937 году¹⁰¹, за год до своего исчезновения, он представил вариацию уравнения Дирака, согласно которой нейтрино должно одновременно являться и своей собственной античастицей. Эта гипотеза может показаться несколько путанной, но, как мы скоро увидим, она оказала вполне реальное влияние на поиск крохотной частицы.

Второе открытие также произошло в 1937 году, и его автором стал тот же Карл Андерсон, который пять лет назад уже потряс весь мир, став первооткрывателем позитрона. Изучая вместе со своим учеником Сетом Недермайером потоки космических лучей на вершине горы Пайкс-Пик в штате Колорадо, он обнаружил частицу, ныне известную как мюон¹⁰². Это стало настоящим сюрпризом, поскольку на тот момент было совершенно непонятно, какую возможную роль могла бы играть эта частица. Услышав о ее открытии, будущий нобелевский лауреат Исаак Айзек Раби произнес ставшую знаменитой фразу: «Ну и кто это заказывал?»

Казалось, что частица, изначально получившая название «мезотрон», вполне удовлетворяет требованиям к частице, сформулированным двумя годами ранее японским теоретиком Хидэки Юкавой. Юкава выдвинул гипотезу существования некоей «полевой частицы», способной нести или передавать сильное ядерное взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны вместе в составе ядра. Аналогом этой частицы в области электромагнетизма мог бы считаться фотон, переносящий электромагнитную силу. Юкава предсказал массу частицы, а поскольку масса мезотрона Андерсона оказалась в правильном диапазоне, большинство физиков предположили, что это она и есть. Все шло хорошо, но затем три итальянца, участвовавшие в секретных экспериментах во время войны, доказали, что мезотрон не может быть полевой частицей Юкавы, поскольку на него совершенно не влияет сильное взаимодействие¹⁰³.

И в этот момент на сцене появилась третья ключевая фигура, благодаря которой исследования нейтрино поднялись на новый уровень. Это был Бруно Понтекорво, «высокий, широкоплечий и миловидный чемпион-теннисист из Пизы»¹⁰⁴. Он присоединился к «парням с улицы Панисперна» еще студентом, в 1931 году, а затем работал с семьей Жолио-Кюри в Париже в 1938-м – как раз когда Муссолини вступил в союз с Гитлером. Будучи евреем, он, как и его наставник, решил уехать с семьей в США. Это оказалось непростым приключением, в ходе которого он, к примеру, выехал из Парижа на велосипеде ровно в тот момент, когда в город входили немецкие войска, – а потом доехал на этом велосипеде до Тулузы¹⁰⁵.

Когда Понтекорво наконец прибыл в Америку, его бывший коллега Эмилио Сегре помог ему найти работу в нефтяной компании, находившейся в городе Талса, штат Оклахома. Там новый иммигрант, много знавший о нейтронном рассеянии, изобрел несколько методов поиска радиоактивных элементов, в том числе и урана. Это было очень важно с военной точки зрения, поскольку самая сложная часть работы над атомной бомбой была связана с накоплением минимально необходимой, так называемой критической массы оружейного урана или плутония. На решение этой задачи пошла львиная доля материальных ресурсов «Манхэттенского проекта».

В 1943-м Понтекорво получил место в исследовательской лаборатории в монреальском университете Макгилл (лаборатория была подразделением секретной англо-канадской ядерной программы Tube Alloys[2]), и его изобретения начали приносить практическую пользу. Британцы и канадцы были союзниками США, и программа Tube Alloys представляла собой, по сути, одно из ответвлений «Манхэттенского проекта». Во время работы в университете Макгилл Понтекорво играл ведущую роль в проектировании самого продвинутого на то время ядерного реактора – NRX (Nuclear Reactor X) в Чок-Ривер, провинция Онтарио, работавшего на тяжелой воде.

В ходе своей яркой и полной разнообразной анекдотов лекции «Детство и юность нейтринной физики», которую Понтекорво прочел в Париже в 1982 году, он вспоминал, как в середине 1940-х предполагал, что «появление мощных ядерных реакторов превратит процесс обнаружения свободных нейтрино в достаточно респектабельное занятие». В мае 1945 года, за несколько месяцев до первого ядерного испытания «Тринити» в пустыне штата Нью-Мексико, он предложил первый экспериментальный метод выявления нейтрино в техническом отчете для лаборатории Чок-Ривер¹⁰⁶¹⁰⁷. Этот отчет оставался под грифом секретности в течение четырех лет, возможно, из-за того, что в нем несколько раз использовалось слово pile