Відкриття нейтрино

Я думаю про відкриття нейтрино. Воно як айсберг, який приплив від північних широт до тропіків і розтанув там в мареві випарів. І тепер не заглянеш під воду і не побачиш 9/10 брили людських пристрастей першовідкривачів, що ховалася там. І не напишеш про це, бо, за порадою М. Булгакова, треба описувати те, що знаєш, а чого не знаєш, про те писати не слід.

А замість розтанулої брили тепер просто відомо, що нейтрино – це частка, яка не має ні – електричного заряду, ні магнітного моменту, ні, мабуть, маси. І ще відомо, що існує два типи нейтрино, з яких одне при зіткненнях з іншими частинками перетворюється в електрон (електронне нейтрино), а інше — «важкий електрон», мюон (мюонне нейтрино).

І ще: потрібен потужний реактор, що дає потік в сто мільярдів нейтрино через квадратний міліметр в одну секунду, і детектор вагою п’ять тонн, щоб у 1956 році вперше експериментально зареєструвати нейтрино.

І що нейтрино так слабо взаємодіють з речовиною, що не тільки земну кулю, але навіть Сонце і зірки, де вони народжуються, перетинають, як правило, не відчуваючи зіткнень.

Але як же тоді можна було запідозрити існування такої частки майже 100 років тому, на зорі ядерної фізики? І хто були ті, хто запідозрив, і хто був проти? Ось що мені вдалося дізнатися про це.

«Ви повинні мені суперечити»

“7 січня 1925 року, коли мені було 20 років від роду і був я ще дуже недосвідчений, прибув я в мальовниче німецьке університетське містечко Тюбінген і зупинився в готелі “у Золотого Бика”… В інституті фізики мене люб’язно прийняв Ланде, помітивши, що я приїхав дуже до речі, так як на наступний день повинен був приїхати Паулі. Паулі написав йому дуже довгий і дуже цікавий лист, який Ланде дав мені прочитати… У моїх очах Паулі означав так багато, що, чекаючи зустрічі з ним, я жадібно вчитувався в лист, який Ланде показав мені”.

Так писав американський фізик Роберт Кроніг про своє перше знайомство з Вольфгангом Паулі. Увечері того ж дня він під впливом прочитаного листа розробив уявлення про обертовий електрон. Кроніг припустив, що електрон безперервно обертається навколо своєї осі, як дзига, і внаслідок цього володіє обертальним моментом. Зв’язок цієї моделі з листом Паулі полягав в тому, що, за припущенням Кроніга, вектор обертального моменту електрона, або спіна, як його тепер називають, міг бути направлений тільки по осі обертання, а його проекція на вісь повинна становити ±nh, де h — постійна Планка, а число n = 1/2.

В листі ж, який Паулі надіслав Ланде, деякі особливості атомних спектрів, що спостерігалися в лабораторії Ланде, пояснювалися саме тим, що електрон несе на собі заряд ще деякого квантового числа n, яке може приймати два значення: +1/2 і -1/2. Однак на відміну від Кроніга Паулі не надавав цьому числу фізичного сенсу, а вважав його просто «двозначністю, що не піддається класичному опису».

Наступного ранку кілька університетських фізиків, серед яких був і Кроніг, вирушили на вокзал зустрічати Паулі. Кроніг був дуже схвильований майбутньою зустріччю. Ім’я Паулі було широко відомо по ряду глибоких теоретичних досліджень, і перш за все по оглядовій статті про теорію відносності, опубліковану в енциклопедії математичних наук, вона представляла собою перший великий і послідовний виклад цього мало кому в той час зрозумілого вчення.

Кроніг очікував побачити маститого вченого, чомусь обов’язково з бородою. Але на перон не виходив ніхто, хоч скільки-небудь схожий на створений ним образ. І дещо повний і дуже молодий чоловік в короткому пальто і капелюсі, який раптом виринув з вагона і попрямував до їх групи, аж ніяк не міг бути Вольфгангом Паулі. Але це був саме він, і Кроніг, потискуючи йому руку, невиразно вимовляючи перші, нічого не значущі фрази, все ще не міг усвідомити, що перед ним той самий Паулі.

Паулі зрозумів Кроніга з півслова, ще на шляху в готель, зрозумів і різко заперечував. Ідея про обертовий, як дзига, електрон здалася Паулі занадто класичною, навіть примітивною. Ні, квантове число – це все ж “двозначність, що не піддається класичному опису”. Збентежений Кроніг покинув Тюбінген на наступний день.

Пройшов всього рік, протягом якого ідея про обертовий електрон згасала і відроджувалася знову в інших містах і у інших людей. Великий Бор змінював своє ставлення до обертового електрону, починаючи вірити в нього, а Паулі кидався в дорогу, щоб перехопити Бора на вокзалі в Берліні і за час короткої стоянки поїзда висловити обурення «новою єрессю» у фізиці.

Істина встановилася на початку наступного, 1926 року, і вона пролягла між думками Кроніга і Паулі. Праві були обидва: електрон мав обертальний момент – спін, але своїм походженням спін був зобов’язаний не простому обертанню електрона як абсолютно твердої кульки навколо своєї осі, а якійсь внутрішній його будові і був в тому сенсі «двозначністю, що не піддається класичному опису». Природним чином поняття спіна як внутрішнього обертального моменту поширилося і на іншу відому тоді елементарну частинку — протон, а також на атомні ядра. Користуючись тонкими спектроскопічними вимірами, теоретики навчилися обчислювати величину спіна ядра, завжди рівну nh, де на відміну від електрона n могло бути будь-яким цілим або напівцілим числом.

В кінці 1927 року Кроніг несподівано отримав лист від Паулі, який в той час завідував кафедрою теоретичної фізики вищої технічної школи в Цюріху. Він містив запрошення приїхати до Цюріха для роботи в якості асистента. «Навряд чи це, — писав Паулі, — накладе на Вас важкі обов’язки; Ваше завдання буде полягати в тому, щоб кожен раз, коли я що-небудь скажу, суперечити мені, ретельно все обґрунтовуючи». Робота на кафедрі носила не надто формальний характер, і обговорення часто переносили у кондитерську Шпрюнглі, на пляж Цюріхського озера або прямо у воду, де Паулі як прекрасний плавець мав додаткову перевагу.

Незабаром Кроніг показав Паулі свої обчислення, засновані на недавніх вимірах спектру атома азоту, які доводили, що спін ядра азоту дорівнює одиниці. Результат цей вразив обох. Ядро азоту, побудоване, як вважали, з протонів і електронів, було в 14 разів важче протона, а значить, повинно було містити 14 протонів. Але заряд його дорівнював +7, і це визначало кількість негативно заряджених електронів в ядрі (7). 14 протонів і 7 електронів, кожен з яких має спін 1/2. Яким же чином все ядро може мати цілочисельний спін?

А між тим ядерна фізика тих років зіткнулася ще з однією грізною проблемою, яка ставила під сумнів закон збереження енергії. Цією проблемою був бета-розпад. Так називали перетворення ядер, що супроводжуються випромінюванням швидких електронів (бета-променів, по термінології тих років). Тепер відомо, що всі різноманітні випадки бета-розпаду ядер – не що інше, як один процес — перетворення нейтрона всередині ядра в протон з одночасним народженням електрона. Але тоді, в 1930 році, таке розуміння було ще справою майбутнього, а нейтрон тільки належало відкрити. І все ж, не вникаючи в істинний механізм бета-розпаду, фізики кінця двадцятих років ясно бачили там щось недобре. Дійсно, якщо кілька абсолютно однакових ядер, викидаючи електрони, перетворюються в інші, теж однакові ядра, то закон збереження енергії вимагає, щоб всі випущені при цьому електрони мали однакову енергію. А на ділі спостерігалося зовсім інше: електрони вилітали з ядер з найрізноманітнішими енергіями; говорячи мовою фізики, спектр електронів виявився безперервним.

Про шкоду гарного смаку

В кінці 1930 року Паулі несподівано прийшла думка, що “азотна катастрофа” і бета-розпад – це два прояви однієї загадки і що обидві ці труднощі можна знищити одним ударом. Якщо допустити, міркував він, що всередині ядра, крім протонів, знаходяться ще нейтральні частинки зі спіном 1/2, то повне число частинок в ядрі азоту може виявитися парним, і тому спін, всього ядра буде цілим числом. З іншого боку, ті ж нейтральні частинки можуть врятувати і закон збереження енергії. Для цього достатньо лише припустити, що при бета-розпаді ядра звідти одночасно з електроном вилітає ця частинка і, залишаючись непоміченою, забирає частину енергії, що виділяється при розпаді.

4 грудня 1930 року Паулі написав листа в Тюбінген, де в той час проходила конференція з питань радіоактивності. У листі він виклав міркування з приводу придуманої ним частинки і повідомив світу її ім’я – нейтрон. Звичайно, Паулі передбачав, що його нейтрон викличе заперечення експериментаторів, і знав, якого роду будуть ці заперечення: «Чому ж нейтрон не був досі помічений у дослідах з бета-розпаду?» Паулі відповів на це питання заздалегідь, припустивши, що нейтрон дуже слабо взаємодіє з речовиною.

Таке додаткове і вимушене припущення Паулі робило його гіпотезу невразливою, але сама ця невразливість ставала ахіллесовою п’ятою всієї ідеї в цілому. Адже після кожного повідомлення експериментатора про відсутність передбачуваної частинки можна стверджувати, що її проникаюча здатність ще більше, ніж очікувалося, і так продовжувати до безкінечності, до принципової неспостережливості частинки. А в таке фізики повірити не могли.

Паулі все це розумів і тому був дуже обережний. «Я поки не наважуюсь публікувати що-небудь з приводу цієї ідеї, — писав він у Тюбінгені, — і звертаюся тільки до вас, дорогі радіоактивні пані та панове, з питанням, чи можна експериментально довести існування такого нейтрона, якщо він буде володіти проникаючою здатністю приблизно такою ж, як і гамма-квант, або в 10 разів більше».

Лист Паулі написаний у відверто жартівливому тоні, і це не випадково. Паулі не претендує на відкриття, що приголомшує основи фізики, він шукає лише підступи до вирішення проблеми, він лише звертає увагу вчених на нові можливості.

Реакція тюбінгенських фізиків виявилася для Паулі несподіваною. Дуже скоро в Цюріх прийшов лист від Гейгера, який вельми зацікавився нейтроном Паулі. Після обговорення з багатьма фізиками, і головним чином з Лізою Майтнер, Гейгер прийшов до висновку, «що з експериментальної точки зору нові частинки були вельми можливі».

Але лист Гейгера не справив на Паулі очікуваного враження. У міру роздумів над властивостями пропонованої частинки скептицизм Паулі зростав все більш і більш. З цим настроєм Паулі відправився в Америку. «В доповіді на засіданні Американського фізичного товариства в Пасадені в червні 1931 року, — згадує Паулі, — я вперше публічно повідомив про свою ідею щодо нових вельми проникаючих нейтральних частинок при бета-розпаді. Я вже не вважав їх складовими частинами ядер, не називав їх нейтронами і взагалі ніяк не називав. Справа почала здаватися мені настільки сумнівною, що я вирішив не публікувати свою доповідь».

Паулі відмовився від думки, що його частинки входять до складу ядер, задовго до приїзду в Пасаден. Він прийшов до цього висновку незабаром, після листа Гейгера. Паулі зрозумів, що закони квантової механіки вимагають вибору з двох можливостей, з двох “або”. Або його нейтрон входить до складу ядра і вирішує проблему «азотної катастрофи», або рятує закон збереження енергії в бета-розпаді. Закони квантової механіки, побачив Паулі, вимагають сильного тяжіння до ядра його складової частки та її великої маси. Важкий нейтрон вирішував проблему «азотної катастрофи», але ставив під удар закон збереження енергії при бета-розпаді: адже важкі, сильно взаємодіючі з ядрами частинки не могли залишитися непоміченими!

По душі Паулі було друге «або»: залишити «азотну катастрофу» напризволяще, але врятувати закон збереження енергії. Для цього треба було допустити, що нова нейтральна частинка народжується при бета-розпаді ядра одночасно з електроном і забирає частину енергії. Частинки цієї до розпаду не було в ядрі, тому для неї не треба винаходити потужних сил, що притягають її до ядра, і це відкриває двері для припущення колосальної проникаючої здатності частинки і про її малу масу. Таку невидимку цілком можна було не помітити в дослідах.

Вигадування частинок — заняття мало шановне. Фізик йде на це лише за крайніх обставин. Але Паулі варто було зважитися на подвійно мало шановний крок і тільки тоді він виявився б абсолютно правий. Йому треба було вигадати відразу дві нові частинки — одну для «азотної катастрофи», а іншу для бета-розпаду. Роздумуючи над рішенням, прийнятим Паулі, ясно усвідомлюєш, що воно було продиктовано тонким смаком і прагненням до витонченості побудов. Але, видно, для геніального кроку в тій ситуації потрібен був поганий смак.

Нейтральненький

Після доповіді в Пасадені частинка Паулі втратила своє ім’я нейтрон і стала безіменною. Американська аудиторія зустріла частинку холодно, але Паулі вмів йти і проти течії, коли для цього були вагомі підстави. Але тут все було не так просто. З одного боку, він не міг і думки допустити про порушення закону збереження енергії, але, з іншого боку, частинка, винайдена для його порятунку, була безтілесною, як привид.

Слово було за експериментаторами, а ідея здавалася сумнівною навіть теоретикам. У жовтні 1931 року Паулі прямо з Америки відправився в Рим, де починався міжнародний конгрес з ядерної фізики. Тут він, перш за все, розшукав Фермі і розповів йому про своє припущення. Фермі з властивою йому інтуїцією відразу ж повірив в реальність цієї частинки. І все ж він погодився з Паулі, що доповідь про неї в Римі дещо передчасна.

Але Фермі взявся за справу енергійно. На конгресі і після нього він зустрічався з багатьма фізиками і ніколи не забував обговорити можливість існування частинки Паулі. В особі Фермі ця частинка знайшла не тільки енергійного прихильника, але і другого батька: двома роками пізніше, після того як Чедвік відкрив нейтрон, Фермі придумав для частинки Паулі італійське ім’я — нейтрино. Академік Б. М. Понтекорво перекладає це слово як “нейтральненький”.

Але такі почуття по відношенню до нейтрино не могли розділятися всіма фізиками, і, вирушаючи на Римський конгрес в 1931 році, Паулі твердо знав це. Він не сумнівався, що в Римі його частинка буде прийнята різко негативно, і міг заздалегідь назвати ім’я людини, якій нейтрино виявиться так не по душі. «Нільс Бор буде проти», — передчував Паулі, і для цього передчуття у нього були безпомилкові підстави.

Ще в 1924 році Бор, Крамере і Слетер опублікували статтю, дію якої на фізиків можна було уподібнити тільки електричному шоку. Розглядаючи процеси випромінювання і поглинання світла, три копенгагенських фізика з мужністю Яна Гуса пішли на вогнище фізичних «забобонів». Вони припустили, що закон збереження енергії виконується не в кожному акті випромінювання і поглинання кванта світла, а лише в середньому — у великому числі таких актів. Але фізики не могли примиритися з думкою, що закон збереження енергії всього лише «забобон», і суперечки вирували до тих пір, поки Гейгер і Боте не довели експериментально виконання закону в кожному акті випромінювання і поглинання.

…Передчуття не обдурили Паулі: Бор зустрів ідею про нейтрино недружелюбно; в бесідах з Паулі він повернувся до своєї попередньої думки про невиконання закону збереження енергії в кожному окремому акті бета-розпаду. Дискусії тільки зміцнили Бора в його припущенні, і незабаром він висловив його в Фарадеевських лекціях: «…При сучасному стані атомної теорії можна сказати, що у нас немає ніяких аргументів, ні емпіричних, ні теоретичних, на користь дотримання закону збереження енергії в разі бета-розпаду, і при спробі задовольнити цьому закону ми лише приходимо до ускладнень».

Паулі, Бор і нейтрино

Ситуація здавалася досить безнадійною. В руках фізиків був тільки один експериментальний факт: при бета-розпаді втрачається частина енергії. І цей єдиний факт, пояснювався двома ворожими одна одній гіпотезами. Що було робити? Вирішувати питання відкритим голосуванням?

Потрібні були нові експериментальні факти. На перший погляд все міг вирішити прямий пошук нейтрино, але насправді це був дуже ненадійний шлях. Негативний результат пошуку ніяк не змінював ситуацію, а на реєстрацію нейтрино була лише слабка надія, бо були слабкі джерела бета-розпаду.

Здавалося, загадка бета-розпаду залишиться в спадок наступним поколінням фізиків. І в цій ситуації Паулі запропонував дуже тонкий і дотепний вихід з положення, що здавалося безнадійним. Він придумав нескладний експеримент, який міг вирішити їх суперечку з Бором.

Було відомо, що при бета-розпаді ядер певного сорту лише невелике число електронів має дуже маленькі і великі енергії. Основна маса електронів вилітає з проміжними енергіями. Якщо Бор правий, міркував Паулі, то ніщо не заважає електронам хоча б зрідка вилітати з ядра з дуже великою енергією. Але якщо закон збереження енергії виконується в кожному акті бета-розпаду, то електрон і нейтрино разом несуть певну порцію енергії, і тому енергія окремого електрона ніколи не може бути більше всієї цієї порції. Говорячи словами Паулі, «вирішальним було питання, чи мають бета спектри електронів різку верхню межу або ж вони тягнуться в нескінченність».

Під час римських дискусій Паулі домовився з німецьким фізиком Еллісом, фахівцем з бета-розпаду, про експериментальне дослідження цієї проблеми. Минуло два роки. У 1932 році ідея нейтрино отримала несподівану підтримку: Чедвік відкрив нейтрон. Це психологічно зломило супротивників вигадування нових частинок. Стало ясно, що шлях винаходу важкого нейтрона, по якому Паулі пройшов було кілька кроків, намагаючись вирішити загадку “азотної катастрофи”, вів до правильного результату. Аналогія з нейтрино просто кидалася в очі. Але це був все-таки лише психологічний аргумент. Ніяких, навіть непрямих експериментальних фактів на користь нейтрино все ще не було.

У квітні 1933 року Чедвік закінчив експерименти з прямого пошуку нейтрино. Результати виявилися негативними. З дослідів Чедвіка випливало, що якщо нейтрино і існує, то його проникаюча здатність більше, ніж передбачалося. Але це не давало відповіді на основне питання, що розділяло Паулі та Бора. А тим часом нейтрино ставало проблемою в ядерній фізиці. Його більше не замовчували, його широко обговорювали у всіх країнах.

Вирішення спірних питань очікували від Сольвеевського конгресу, який відкривався в жовтні в Брюсселі. Туди повинні були приїхати Паулі, Бор, Гейзенберг, Фермі. Проблема нейтрино вперше висувалася на офіційне обговорення, а у її прихильників все ще не було вирішального доказу. І тільки перед самим відкриттям Конгресу Паулі отримав довгоочікувану звістку від Елліса: експеримент закінчений.

Тепер Паулі відкинув стриманість. Настав момент, коли стало можливим переконати самого Бора. Паулі говорив на конгресі: «Бор припускає, що закони збереження енергії і імпульсу не виконуються в ядерних процесах, в яких малі частинки відіграють істотну роль. Ця гіпотеза видається мені непереконливою і навіть неправдоподібною. Перш за все, в цих процесах зберігається електричний заряд, і я не бачу, чому збереження заряду є більш фундаментальним принципом, ніж збереження енергії та імпульсу».

І слідом за цими словами Паулі завдає вирішального удару по концепції Бору. Вістря цього удару — в результаті експерименту, докладеного Еллісом тільки що, перед виступом Паулі: «Більше того, саме енергетичні співвідношення визначають ненові характерні риси бета-спектрів (існування верхньої межі і зв’язок з гамма-спектрами, критерій стійкості Гейзенберга). Якщо закони збереження не виконуються, то з цих співвідношень слід укласти, що бета-розпад завжди відбувається з втратою енергії і ніколи — з виграшем. Але цей висновок тягне за собою незворотність таких процесів у часі, що здається мені взагалі неприйнятним». Цей уривок з виступу Паулі вимагає деяких пояснень.

Основна теза Паулі (існування верхньої межі бета-спектру) була тим довгоочікуваним результатом, про який стало відомо перед самим початком конгресу і після обговорення якого Паулі виступав. Учень Елліса, молодий фізик Гендерсон, довів на досліді, що електрони при бета-розпаді дійсно не мають енергії вище деякого максимального значення, а це якраз і передбачав Паулі.

Паулі спирався в наведеній цитаті ще й на два інших аргументи, але ми не будемо розбирати їх. Тут важливо підкреслити інше. Паулі був гранично чесний і коректний. Він ясно бачив, що всі його доводи, стверджуючи закон збереження енергії, б’ють лише по невірній концепції Бора, але не свідчать прямо про існування нейтрино. Справа виглядала дещо інакше: після визнання закону збереження енергії нейтрино виявлялося найпростішим і природним поясненням зникнення енергії в бета-розпаді.

Але чи вдалося Паулі переконати Бора? І в чому була причина його помилки? Ще в 1930 році в Фарадеевській лекції Бор, підсумовуючи свої міркування на користь порушення закону збереження енергії, сказав: «Я намітив ці міркування тут, в основному, з метою підкреслити, що в теорії атома, незважаючи на недавній прогрес, ми повинні бути готові до нових сюрпризів». Це були воістину пророчі слова, і, як виявилося пізніше, вони мали до нейтрино саме пряме відношення. Але Бор і помилився: цим сюрпризом не був закон збереження енергії. Бор протестував проти бездумного перенесення законів, відкритих для великих тіл, в світ атомних явищ, і він був правий; але в своєму протесті він зайшов занадто далеко.

З Сольвеевського Конгресу Бор поїхав не надто переконаним в правоті прихильників нейтринної гіпотези. У 1957 році Паулі згадував: «заперечення Бора в порівнянні з його Фарадеевською лекцією стали набагато слабкіше. Проявивши надзвичайну обережність у питанні про порушення закону збереження енергії, він обмежився своїм більш загальним висловом, що нікому не відомо, які ще сюрпризи можуть зустрітися в цій області. Втім, справедливість закону збереження енергії при бета-розпаді та існування нейтрино він визнав повністю лише в 1936 році, коли була успішно розвинена теорія Фермі».

І останній штрих

В історії народження нейтрино була людина, роль якої у формуванні нової гіпотези надзвичайно важлива. Ця людина — Нільс Бор. Удари його заперечень перевіряли міцність кожної ланки в логічному ланцюзі нейтринної гіпотези. І, що ще важливіше, Бор, почавши боротьбу проти частинки Паулі, не віддав її в руки самого небезпечного ворога будь-якої гіпотези — глузливої байдужості. Нейтрино отримало визнання в зіткненні протилежних думок, і для учасників дискусій кожне сильне заперечення було багато цінніше некритичного піддакування. Бор сказав у 1960 році: «Ми завжди витягали користь з зауважень Паулі, навіть коли тимчасово були з ним не згодні; якщо ж він відчував необхідність змінити свої погляди, він визнавав це досить відверто, а якщо нові ідеї зустрічали його схвалення, то ми в цьому відчували велику підтримку».

У цих словах Бора – атмосфера дискусій тих років, що визначила традиції нової фізики.

Автор: В. Березинський.