Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Глава 3. От полтергейста до частицы127

Нейтрино делают теоретиков мужественными, а экспериментаторов – настойчивыми.

– Морис Голдхабер

К началу 1950-х годов все было готово к открытию нейтрино. И решением этой задачи занялись два совершенно не похожих друг на друга человека. Одним из них был эффективный, дотошный и (как показали дальнейшие события) невероятно терпеливый ученый по имени Рэй Дэвис¹²⁸, физик-химик из Брукхейвенской национальной лаборатории, заявленная миссия которой состояла в изучении «мирного атома». В те добрые старые дни ученых активно побуждали заниматься разными экспериментами. Когда Дэвис поступил на работу и спросил главу кафедры химии, чем он должен заниматься, его попросили самого придумать себе занятие.

Он отправился в библиотеку. Почти тут же он увлекся идеей нейтрино, и интерес к этой идее остался у него на всю жизнь. Несколько лет он проработал над косвенным методом выявления частицы, а в 1951 году приступил к реализации на практике прямого радиохимического метода Понтекорво¹²⁹.

Заявленная Дэвисом цель первых экспериментов состояла в попытке выявления нейтрино, прилетающих со стороны Солнца. Он хотел понять, будет ли «реакторное» антинейтрино вести себя таким же образом, что и его солнечный собрат¹³⁰. Суть радиохимического метода состоит в извлечении небольшого числа атомов аргона из большой емкости со специальной жидкостью после того, как нейтрино вступит с ними во взаимодействие. Понятно, что этот метод не позволял определять направление движения прилетающих нейтрино.

Инструменты Дэвиса нельзя было считать телескопами. Тем не менее, направив их на Солнце, он тем самым произвел первый эксперимент в области нейтринной астрономии.

Дэвис решил использовать в качестве специальной жидкости обычное жидкое моющее средство – перхлорэтилен, содержащий четыре атома хлора. Он выстроил два детектора, сравнительно больших для того времени. В одном работало около 200 литров жидкости, а во втором – 3900. Воспользовавшись в качестве источника антинейтрино высокопоточным реактором в Брукхейвене, Дэвис смог уловить с помощью большего по размеру инструмента вполне заметный сигнал, но посчитал, что его источником служат не нейтрино, а поток протонов из реактора. Затем он закопал емкость на глубине около пяти с половиной метров, на значительном расстоянии от реактора. Таким образом он рассчитывал экранировать емкость от влияния космических лучей, и сигнал исчез. Совершенно случайно этот шаг привел к формированию традиции, дожившей до наших дней, – детекторы нейтрино и телескопы располагаются в угольных шахтах и туннелях, а также в других необычных и удаленных от цивилизации местах, например в горах.

Затем Дэвис в рамках уже этой традиции дождался августа и перевез свой инструмент меньшего размера на вершину четырехкилометровой горы Эванс в штате Колорадо. Там он смог измерить еще один ложный сигнал и посчитал, что его источником также служат космические лучи. Как я уже говорил, Дэвис был очень дотошным и аккуратным человеком. Когда он наконец опубликовал свои результаты в 1955 году¹³¹, он не стал заявлять, что ему удалось найти нейтрино (в какой-либо форме). С другой стороны, он использовал свой нулевой результат и очевидно низкую чувствительность своего инструмента для расчета верхней границы нейтринной яркости Солнца. (Ограничения, как мы еще убедимся, очень важны в физике: если вы чего-то не видите, но точно знаете, насколько чувствителен ваш инструмент, то вы можете сказать, что, какой бы источник вы сейчас ни изучали, он недостаточно яркий для того, чтобы вы увидели его сигнал, а это уже говорит вам что-то о физике этого источника.)

Позднее Дэвис рассказывал, что одного из рецензентов научного журнала совершенно не впечатлили соображения Дэвиса о верхней границе, поскольку эксперимент, по мнению рецензента, был слишком грубым для того, чтобы он вообще позволял сделать какие-либо заключения о существовании нейтрино¹³². Рецензент проиллюстрировал свою точку зрения замечанием о том, что «ученый не вправе выдавать за научную работу описание эксперимента, который заключается в том, что экспериментатор стоит на вершине горы, пытается дотянуться до Луны, а потом приходит к заключению, что расстояние до Луны больше, чем несколько метров». Чуть позже результаты других экспериментов самого Дэвиса показывали, что его изначальная граница была завышена примерно в 15 000 раз – или, если говорить простым языком, что его инструмент был в 15 000 раз менее чувствительным, чем требуется для выявления солнечных нейтрино. Дэвис вновь вернулся к чертежной доске.

Вторым человеком, посвятившим себя этой загадке, был физик по имени Фред Рейнес, на год моложе Дэвиса¹³³. Изначально Рейнес был теоретиком. Он получил свою докторскую степень в 1944-м, защитив диссертацию под названием «Жидкокапельная модель ядерного деления». С учетом высокой актуальности этой темы (публикация диссертации была отложена на послевоенное время), его тут же пригласили в «Манхэттенский проект» в Лос-Аламосе. Однако он пришел туда слишком поздно, чтобы внести какой-то существенный вклад в создание бомб, использовавшихся в ходе войны. Рейнес остался в Лос-Аламосе, участвовал в испытании многих ядерных устройств в южной части Тихого океана и со временем получил должность руководителя испытаний с кодовым названием «Операция „Парник“» на атолле Эниветок. Испытания были частью программы создания водородной и термоядерной бомбы.

В 1951 году, устав от прикладных задач и желая заняться чем-то более фундаментальным, Рейнес попросился у своего начальника – также человека открытого и готового обсуждать необычные предложения – в отпуск, во время которого он мог бы «поразмышлять». Позднее, вспоминал Рейнес, он

переехал в пустой кабинет и там в течение нескольких месяцев таращился в чистый блокнот в поисках осмысленной темы, которая могла бы стать достойным делом всей жизни. Это было очень сложное время. Шли месяцы, а все, что мне удалось извлечь из подсознания, – это идея возможного использования бомбы для прямого обнаружения нейтрино¹³⁴.

Случилось так, что тем летом в Лос-Аламос приехал Энрико Ферми, поэтому Рейнес

прошел по коридору, тихо постучал в дверь и сказал: «Я бы хотел поговорить с вами пару минут о возможных методах выявления нейтрино». Ферми был ко мне расположен и спросил: «Расскажите, что вы об этом думаете?» На это я ответил: «Что касается источника, то думаю, что лучший – это бомба». После короткого раздумья Ферми произнес: «Да, бомба – это лучший источник».

Это было хорошее начало, и я продолжил: «Но для этого нужен очень большой детектор, а я не знаю, как его сделать». Ферми немного подумал и признался, что тоже этого не знает. Я вернулся от Мастера совершенно уничтоженным.

Рейнес вновь обратился к своему чистому блокноту. Несколько месяцев спустя он и его коллега из Лос-Аламоса по имени Клайд Кован летели по делам на восток, у их самолета возникли неполадки с двигателем, и они были вынуждены приземлиться в Канзас-Сити. У Рейнеса и Кована было несколько свободных часов, пока чинили двигатель, и они принялись обсуждать разные идеи. В конце концов оба согласились, что надо бы «поработать над нейтрино». Кован «знал о нейтрино не больше моего», писал Рейнес, «но он был хорошим экспериментатором и отчаянно храбрым человеком. Мы обменялись рукопожатием и приступили к исследованиям нейтрино»¹³⁵.

Им удалось сконструировать детектор, который можно было бы использовать вместе с бомбой. Они задумали закрепить его на весу в подземной вертикальной шахте, из которой был откачан воздух; шахта была расположена примерно в 60 метрах от башни, на которой была размещена бомба. Ученые планировали освободить детектор в момент детонации бомбы: он начал бы падать в вакууме, и его не смогла бы разрушить ударная волна. После того как детектор наконец приземлялся на подушку из пуха и пенорезины на дне шахты, он мог начать регистрировать множество антинейтрино, излучаемых многочисленными побочными продуктами деления в результате взрыва. Через несколько дней, когда степень радиоактивности на поверхности упала бы до приемлемых значений, детектор можно было поднять из шахты и прочитать результаты, записанные на устройстве.

Впрочем, эта смелая концепция так и не была реализована. Когда ученые представили ее на семинаре в Лос-Аламосе, один из их коллег предложил заменить бомбу реактором. Рейнес и Кован оперативно создали новую концепцию и вновь обратились к Ферми, на этот раз в письме. Теперь мастер был более оптимистичен:

Очевидно, что ваш новый метод намного проще с точки зрения реализации и обладает серьезным преимуществом – вы можете повторять измерения любое количество раз… Я не вижу ни одной причины, по которой эта идея не сработала бы¹³⁶.

Метод Рейнеса и Кована в корне отличался от того, что предлагал Понтекорво. У нового метода имелось и еще одно преимущество – детектор можно было настроить на улавливание антинейтрино, которые, как ожидалось, будут исходить из реакторов.

Детектор напоминал по форме сэндвич с ветчиной: у него было два слоя «ветчины» и три слоя «хлеба», один из которых располагался в центре, между «ветчинными» слоями, а еще два – сверху и снизу. «Ветчинные» слои представляли собой емкости с водным раствором хлорида кадмия, а «хлебные» – емкости с жидким сцинтиллятором, состояние которого контролировали оптические детекторы (сцинтилляторы – это материалы, которые отдают свет при прохождении через них заряженных частиц или гамма-лучей).

Метод был основан на процессе обратного бета-распада с участием позитрона (этот процесс был описан Жолио-Кюри). Антинейтрино из реактора сталкивается со свободным протоном в воде целевого слоя, в результате чего превращается в нейтрон и выбрасывает позитрон. Это приводит к появлению двух вспышек света. Первая возникает почти сразу же после того, как позитрон находит ближайший электрон, и они подвергаются взаимной аннигиляции, отправляя два фотона в противоположных направлениях. Именно поэтому между целевыми, «ветчинными» слоями располагаются «хлебные» слои, предназначенные для выявления нейтрино: аннигиляция одновременно осветит соседние емкости со сцинтиллятором. Затем новорожденный нейтрон задерживается в жидкости «ветчинной» емкости в течение примерно пяти миллионных секунды, после чего его захватывает одно из ядер растворенного кадмия. Возникающая при этом секундная вспышка гамма-луча освещает две емкости, наполненные сцинтиллятором. Задержка в пять микросекунд служит признаком нейтринного взаимодействия, позволяющим отделить его от шума, создаваемого заряженными частицами в составе космических лучей, которые будут неминуемо просачиваться сквозь детектор и рассеивать нейтроны и протоны из реактора.

Кован и Рейнес провели первый этап своих экспериментов в начале весны 1953 года на реакторе в Хэнфорде, штат Вашингтон (этот реактор в свое время использовался для создания оружейного плутония для бомбы, которая затем будет сброшена на Нагасаки¹³⁷). Несмотря на высокий уровень шума от космических лучей, ученые заметили усиление сигнала при активизации работы реактора и после нескольких месяцев убедились в том, что это усиление объективно происходит. В ноябре они заявили, что, «возможно», обнаружили свободное нейтрино. Заявление было несколько поспешным, и можно предположить, что на нем настоял именно Рейнес: он был намного более агрессивным, чем Кован – скромный и глубоко верующий католик. Рейнес несколько затмевал Кована в течение всего их сотрудничества – так же, впрочем, он поступал в отношении большинства своих коллег. Позднее Кован писал, что это их «свидетельство не выдержало бы испытания в суде» и что «правдивость» этого свидетельства стала ясной лишь в ретроспективе¹³⁸.

Тем не менее это была серьезная новость, и вскоре она перелетела Атлантический океан и дошла до человека, который придумал эту частицу двумя десятилетиями ранее. Молодой постдокторант Уильям Баркер, работавший в то время с Паули, пишет, что, когда новость дошла до Цюриха, несколько друзей и преданных соратников великого ученого устроили для него праздничный ужин на холме Утлиберг неподалеку от города:

На обратном пути вниз мы с Конрадом Блейлером заметили, что Паули слегка пошатывается от красного вина, которое мы пили за ужином (как вежливый человек, он не пропускал ни одного тоста своих коллег). Блейлер сказал мне: «Возьми его под левую руку, а я возьму под правую – теперь мы не можем позволить себе его потерять»¹³⁹.

Праздник был несколько преждевременным, поскольку эксперимент Рейнеса и Кована нельзя было назвать полностью совершенным, но, откровенно говоря, Паули был рад любому поводу для хорошей вечеринки.

Кован и Рейнес отправились обратно в Лос-Аламос, чтобы заняться усовершенствованием своего детектора, и вскоре узнали от теоретика Джона Арчибальда Уилера, что на территории полигона радиоактивных отходов Саванна-Ривер в Эйкене, штат Южная Каролина, завершается строительство самого мощного реактора в мире¹⁴⁰. Осенью 1955 года Кован и Рейнес, захватив с собой семьи, отправились на другой конец страны, чтобы провести на этом реакторе вторую серию экспериментов. Все это напоминало атмосферу какого-то летнего скаутского лагеря: они рассказали о своем методе Рэю Дэвису, и тот тоже запустил второй этап своих экспериментов бок о бок с ними. Дэвис снова ничего не нашел, однако Кован и Рейнес нащупали золотую жилу.

Новый реактор создавал намного больше нейтрино, а ряд усовершенствований в конструкции позволил ученым снизить уровень фонового шума. К началу июня 1956 года они получили вполне конкретный результат. О степени «застенчивости» нейтрино может говорить то, что, согласно их расчетам, реактор излучал около 12 триллионов электронных антинейтрино сквозь каждый квадратный сантиметр детектора каждую секунду, однако при этом ученым удавалось выявлять лишь три случая обратного бета-распада в час¹⁴¹. Кован писал:

Мы сделали то, что хотели. Мы испытали совершенно незабываемые ощущения от того, что открыли для человечества новое научное знание, и до какого-то момента были единственными в мире, кто обладал этим знанием. Мы доказали, что нейтрино существует в качестве объективного и поддающегося обнаружению явления природы. Великим законам сохранения энергии удалось выстоять. И наша небольшая группа смогла внести в это свой вклад¹⁴².

К тому моменту Рейнес и Кован уже были полностью уверены в своих результатах и осмелились обратиться к Паули напрямую. 14 июня они отправили в Цюрих телеграмму:

Мы счастливы сообщить вам, что определенно зарегистрировали нейтрино от фрагментов деления при наблюдении за обратным бета-распадом протонов. Наблюдаемые значения поперечного сечения соответствуют ожидаемому значению 6×10^–44 квадратных сантиметров.

Телеграмма была переправлена Паули, который в то время сидел на собрании в ЦЕРН – европейской лаборатории, находящейся в пригороде Женевы. Получив через 26 лет столь явное подтверждение своих мыслей о «необычном средстве», способном разрешить кризис в ситуации бета-распада, Паули прервал ход собрания, чтобы зачитать телеграмму вслух и сделать несколько спонтанных комментариев. Затем он ответил Ковану и Рейнесу ночной телеграммой (которая оплачивается по более низкому тарифу), процитировав в ней китайскую поговорку:

Спасибо за ваше сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать.

Однако эффект Паули проявился и в этом случае, поскольку телеграмма так и не дошла до адресата!¹⁴³ Рейнес получил копию телеграммы от Чарльза Энца, последнего из ассистентов Паули, лишь через 30 лет.

Теперь оставалось завершить небольшое пари на ящик шампанского, которое Паули заключил в свое время с Вальтером Бааде и о котором мы знаем со слов Фреда Хойла. На конференции, посвященной нейтрино, проходившей в лондонском Королевском обществе в 1967 году, Хойл рассказал, что Паули рассчитался за проигрыш: «Я знаю это точно, поскольку лично выпил часть этого проигрыша»¹⁴⁴. Впрочем, Паули, верный себе, также выпил немалую его часть.

* * *

Можно было бы предположить, что открытие такого масштаба должно стать безусловным успехом, однако у крошечной частицы были свои собственные планы. По словам Чарльза Энца, «несколько последующих экспериментов заставили ученых заметить некий встроенный дефект»¹⁴⁵. Возможно, Ковану и Рейнесу действительно удалось найти нейтрино, однако они слишком поторопились с публикацией четкого значения так называемого сечения. Эта величина описывает вероятность возникновения взаимодействия, связанного со столкновением или чем-то подобным, и имеет размерность площади. Для удобства понимания представьте себе окно, в которое вставлено стекло – настолько прочное, что если какой-то ребенок бросит в него жесткий бейсбольный мяч, то стекло разобьется лишь в одном случае из десяти. В данном случае сечением для соприкосновения мяча со стеклом будет считаться площадь окна, а сечение для случая, когда стекло разобьется, будет в 10 раз меньше.

Помимо публикации числа –6×10^–44 см², указанного в телеграмме в адрес Паули, Кован и Рейнес сделали следующий шаг и заявили, что это значение находится «в пределах 5 %» от теоретически предсказанного значения сечения, с величиной погрешности в пределах около 10 %. Таким образом, теоретическое значение отлично вписывалось в их экспериментальный диапазон.

Но еще до того, как они рассказали миру о своем новом открытии, два американских теоретика китайского происхождения с восточного побережья США – Ли Чжэндао из Колумбийского университета и Янг Чжэньнин из Института перспективных исследований – начали подозревать, что нейтрино (или, точнее, слабое взаимодействие) может обладать удивительным качеством, способным увеличить теоретическое значение в два раза. Узнав об этой идее, Рейнес решил настаивать на своем и принялся упрямо защищать анализ, который они провели вместе с Кованом. В течение следующих шести месяцев подозрения, выдвинутые Ли и Янгом, были подтверждены другими экспериментами, и расхождение с цифрами, полученными в Саванна-Ривер, стало сложно игнорировать. Еще раз изучив свои методы, Кован и Рейнес поняли, что они «существенно переоценили эффективность обнаружения частицы»¹⁴⁶.

В 1958 году они провели третий раунд тестов на основе улучшенных методов и получили значение, превышавшее прежнее почти в два раза и вполне соответствовавшее новой теории¹⁴⁷. Однако о проблеме уже было невозможно забыть. Изначальная позиция глухой обороны, которую занял Рейнес, вкупе с его привычкой слегка подгонять цифры под имевшиеся в то время теории привели к тому, что в ученой среде возникло (и продержалось несколько десятилетий) недоверие и даже неприятие. Кое-кто даже подозревал, что на самом деле Рейнесу и его партнеру вообще не удалось найти нейтрино. Поведение Рейнеса в последующие годы никак не помогло разрешить это напряжение¹⁴⁸. Все происходило за сорок лет до того, как за это открытие была получена половина Нобелевской премии. К моменту ее вручения Кован уже умер, поэтому Рейнес получил часть премии один. Наверное, будет справедливым сказать, что чрезмерно агрессивная защита Рейнесом своей позиции лишила его партнера шанса получить премию вовремя.

Рейнес, умерший в 1998 году, через три года после получения премии, был «человеком значительных физических параметров», обладавшим чрезмерно сильным характером¹⁴⁹. Джон Уилер однажды описал Рейнеса следующим образом:

Талант и в области теории, и в эксперименте, большой человек, которому было дано размышлять о невероятных проблемах, и он переходил от одной проблемы к другой в своих ботинках огромного размера¹⁵⁰.

Вне всякого сомнения, Рейнес был одним из великих экспериментаторов XX столетия, а наследие его неустанной работы можно увидеть во всех основных областях нейтринной физики и нейтринной астрономии (как мы увидим чуть позже). Он очень любил поэзию, сам писал стихи и обладал красивым баритоном. В какой-то момент в молодости ему нужно было даже сделать выбор между оперой и физикой. В зрелом возрасте он пел в хоре Кливлендского симфонического оркестра под управлением композитора и легендарного дирижера Джорджа Шелла. Джон Лёрнд, один из основателей DUMAND, также не лишенный музыкального слуха, говорит, что «голос Фреда был глубоким и богатым, намного лучше, чем у большинства смертных».

Однако у Рейнеса имелись и темные стороны. Он постоянно стремился к соперничеству, даже со своими собственными учениками, которых он крайне редко поддерживал. За годы ему удалось нажить массу врагов. Лёрнд вспоминает, как Рейнес как-то сказал ему, что они с Кованом «не пытались измерить какие-либо физические параметры» в ходе своего первого эксперимента в Саванна-Ривер: они хотели «лишь показать, что им удалось найти неуловимое нейтрино». «При должном уровне скромности и открытости», добавляет Лёрнд, «всех последовавших за этим открытием проблем можно было бы избежать».

Научный писатель и физик Джереми Бернстейн называет полтора года, начавшиеся с появления у Ли и Янга новой догадки, «славной революцией»¹⁵¹ (в былые времена кое-кто даже называл этот период менее политкорректно: «китайская революция»). Идея Ли и Янга потрясла всю физику настолько, как этого не случалось со времен открытия явления деления ядра. Два теоретика поняли, что слабое взаимодействие – и, в свою очередь, нейтрино – может нарушать один из самых священных законов физики: закон зеркальной симметрии, согласно которому зеркальное отображение любой физической системы будет вести себя так же, как и сама система. На техническом языке это называется четностью.

Сомнения в сохранении четности возникли у Ли и Янга из-за поведения нового поколения частиц, которые незадолго до этого были найдены в потоках космических лучей. Они обладали ранее неизвестным качеством, которое впоследствии было названо странностью. Два из этих странных существ, тета (θ) и тау (τ), казались практически одинаковыми – у них были идентичные значения массы, спина и срока жизни, – но разница заключалась в том, что тета распадалась на два пиона, а тау – на три. «Физики были бы счастливы считать тету и тау идентичными»¹⁵², пишет Бернстайн, однако это привело бы к нарушению принципа сохранения четности, то есть закона, «который нельзя было перекраивать по своему усмотрению»¹⁵³.

Ли и Янг были очень энергичны в своей деятельности¹⁵⁴. Когда их захватывала какая-то идея, они могли обсуждать ее по-китайски целыми днями напролет – причем, по словам их коллег, делали это довольно громко. Время от времени они прерывали свою дискуссию, расходились по разным углам, и каждый погружался в свои вычисления. Затем они вновь встречались и продолжали обсуждение. Однажды, во время беседы в бродвейском ресторане на Манхэттене, напротив Колумбийского университета, они поняли, что для разрешения загадки тета- и тау-частиц им нужно изучить все когда-либо проведенные эксперименты со слабым взаимодействием и посмотреть, что говорят их результаты о сохранении четности. Занявшись этим, Ли и Янг обнаружили, что ни один из экспериментов не занимался тестированием закона как такового. Через восемь дней после того, как Кован и Рейнес отправили свою триумфальную телеграмму Вольфгангу Паули, Ли и Янг представили в уважаемый американский журнал Physical Review свою статью, в которой предположили, что

один из способов разрешения проблемы с тета – тау состоит в следующем: мы можем предположить, что четность не сохраняется достаточно жестким образом и, соответственно, тета и тау предоставляют собой два различных вида распада одной и той же частицы, иными словами, зеркально отображают друг друга¹⁵⁵.

Отметив, что четность сохраняется с большой долей точности в экспериментах с сильными и электромагнитными взаимодействиями, Ли и Янг бросили вызов всему сообществу физиков-экспериментаторов, предложив несколько методов для тестирования сохранения четности при слабом взаимодействии. Подавляющее большинство физиков ожидали, что принципу сохранения четности удастся выстоять.

Первый эксперимент, нацеленный на получение максимально точного ответа, был основан на прямом бета-распаде. Его провела Ву Цзяньсюн, близкая подруга Ли и Янга, также работавшая в Колумбийском университете и выросшая в Китае еще до коммунистической революции. Ву была элегантной и привлекательной, а как ученый – признана во всем мире за свои точные и аккуратные экспериментальные работы.

Ву стала размышлять об использовании магнитного поля для поляризации спинов радиоактивных ядер кобальта‑60 (представляющих собой, по сути, крошечные магниты) и наблюдении за направлением излучаемых ими бета-электронов. Если бы электроны распространялись случайным образом во всех направлениях, это свидетельствовало бы о сохранении четности. Чтобы избежать суеты на уровне атомов, возникающей при более высоких температурах и способной выбить ядро из равновесного состояния, было необходимо охладить кобальт почти до температуры абсолютного нуля, и в связи с этим Ли сотрудничала с командой из Национального бюро стандартов США в Вашингтоне.

После шести напряженных месяцев настройки аппарата Ву начала эксперимент и получила ответ уже через несколько минут: бета-электроны двигались чаще всего в направлении, обратном направлению магнитного поля. Принцип сохранения четности на ее глазах корчился в предсмертных конвульсиях.

Разумеется, Ву поддерживала постоянную связь с Ли и Янгом. В четверг 3 января 1957 года она позвонила Ли, чтобы рассказать о своих результатах. Ли завел на кафедре физики Колумбийского университета традицию собираться на обед по пятницам в одном из отличных китайских ресторанов неподалеку от кампуса. На следующий день он поделился новостями с коллегами… и погрузил в глубокую задумчивость своего коллегу-профессора Леона Ледермана. Возможно, это был самый короткий в истории науки промежуток между формулированием концепции и получением результата (для открытия такого масштаба): уже к вечеру того же дня Ледерман и его коллега Ричард Гарвин придумали новый метод для тестирования паритета слабого взаимодействия; к двум часам ночи они опробовали его на циклотроне в лаборатории Невис, подразделении Колумбийского университета, в нескольких километрах вверх по реке Гудзон; а к шести утра в следующий вторник у них уже появился вполне конкретный результат, подтвердивший выводы Ву¹⁵⁶. Группа из Чикагского университета, также проводившая аналогичный эксперимент в течение нескольких месяцев, получила еще через несколько дней результат, совпавший с результатом Гарвина и Ледермана. Закон сохранения четности не просто умер; он аннигилировался¹⁵⁷.

15 января, меньше чем через две недели после того, как Ву позвонила Ли, Колумбийский университет сделал необычный шаг и провел пресс-конференцию, на которой было объявлено о результатах (таким образом присвоив себе также и всю славу чикагской группы, которая вообще не была упомянута). В статье, появившейся на первой полосе газеты New York Times¹⁵⁸, была процитирована фраза И. А. Раби, заведующего кафедрой физики Колумбийского университета:

Можно сказать, что достаточно цельная теоретическая структура оказалась потрясена до основания, и мы не уверены, сможем ли собрать ее по кусочкам заново.

Вот какие масштабные разрушения произвел в науке факт открытия нейтрино.

Чуть позже в том же году Ли и Ян получили Нобелевскую премию. Многие считают, что премию могла бы получить и Ву Цзяньсюн. В том же полном событий году элегантный эксперимент в Брукхейвене продемонстрировал, что нейтрино можно считать «левшой» – частица во время своего движения в космосе вращается против часовой стрелки¹⁵⁹. И это заставляет нас снова вспомнить об Этторе Майоране.

Из нулевого результата Рэя Дэвиса при работе с «реакторными» нейтрино и доказанного Кованом и Рейнесом факта того, что нейтрино и его античастица отличаются друг от друга, можно сделать вывод о том, что нейтрино действительно имеет античастицу. Однако оказывается, что это не всегда так. Теория утверждает, что реакция превращения хлора в аргон, лежащая в основе метода Дэвиса, зависит не от различий между частицей и античастицей, а от ориентации: инициировать реакцию может лишь частица-«левша». И даже через 80 лет после того, как Майорана предположил, что нейтрино может представлять собой свою собственную античастицу, свидетельств этому так и не было получено. Если он был прав, то Кован и Рейнес нашли не антинейтрино, а правостороннее нейтрино. В последующие десятилетия, по мере дальнейшего развития физики, гипотеза Майораны приобрела дополнительный смысл. Теперь физики понимают, что эта гипотеза имеет значение не только для нейтринной физики, но и для некоторых важнейших вопросов физики частиц и космологии, пока что остающихся без ответа¹⁶⁰.

Луи Пастер сказал как-то, что «в области наблюдений удача вознаграждает лишь подготовленные умы». И Рэй Дэвис, и Фред Рейнес достаточно хорошо подготовили свои умы, однако удача благоволила Рейнесу (учитывая, как мало было известно о нейтрино в то время, это действительно был вопрос удачи). Но Дэвис, истинный ученый и отличный провидец, не сдался. Доказав самому себе, что его метод не позволяет выявить «реакторные» нейтрино (это доказательство заняло у него еще несколько лет), он обратил свое внимание к Солнцу.

* * *

Сидя в своем теплом цюрихском уголке, Вольфганг Паули c огромным интересом наблюдал за развитием «славной революции». В конце концов, идея пространственной четности представляла собой одно из его основных наваждений; он признавался в наличии у себя «зеркального комплекса»¹⁶¹. За четыре года до начала революции, писал он сам позднее Карлу Юнгу, «в мире физики не происходило ничего, что могло бы заставить нас сфокусироваться на этом конкретном вопросе»¹⁶². Паули начал свое собственное исследование более глубокой формы симметрии, включавшей в себя не только пространственную четность (P), но и обращение времени (T), то есть течение времени в обратном направлении, и зарядовое сопряжение (C), представляющее собой превращение каждой частицы в системе в античастицу (в лабораторных условиях можно обратить время вспять на атомном уровне). Если система остается неизменной при зеркальном отображении всех этих трех свойств в одно и то же время – то есть при трансформации, которую Паули называл «сильным отражением», – значит, она обладает CPT-симметрией, или CPT-инвариантна.

В 1952 году Паули начал проверять, следуют ли этой симметрии фундаментальные уравнения квантовой механики и относительности, и наконец доказал истинность этого ближе к концу 1954 года¹⁶³. По сей день никакие эксперименты не смогли опровергнуть CPT-теорему Паули, и она считается его третьим великим вкладом в физику – после принципа запрета и предсказания нейтрино.

С учетом крушения принципа сохранения четности, и особенно с учетом той важной роли, которую сыграло в этом крушение «его» нейтрино, Паули и его новая теорема оказались у всех на устах¹⁶⁴. «Для многих физиков», по словам Т. Д. Ли, «CPT превратилась в краеугольную точку, вокруг которой вращалось все остальное»¹⁶⁵.

Если вы помните, Паули поделился с Юнгом идеей о зеркальной связи между психологией и физикой. «„Зеркальное отображение“ можно считать архетипом»¹⁶⁶ – заявил он в одном интервью в 1957 году, после того как стала известна новость о нарушении четности:

Это каким-то образом связано с физикой. Физика основана на зеркальной симметрии мышления и природы… [Во время работы над теоремой CPT] у меня были очень живые, почти парапсихологические мечты о зеркалах в те моменты, пока я занимался математическими вычислениями в течение дня… Я бы назвал это синхронностью особого рода, поскольку в каждом активном занятии всегда присутствуют подсознательные мотивы.

Вскоре после завершения своей исчерпывающей работы над теоремой Паули увидел, по его словам, «очень впечатляющий сон»¹⁶⁷:

Я нахожусь в какой-то комнате вместе с Темной Женщиной, и какие-то другие люди проводят там эксперименты с появлением отражений. Участники опытов воспринимают отражения как реальные объекты, но мы с Темной Женщиной знаем, что это всего лишь зеркальные образы. Это становится нашим общим секретом. Этот секрет наполняет нас ощущением понимания. После этого мы вдвоем с Темной Женщиной идем вниз по крутому горному склону…

В длинном письме Юнгу, отправленном в 1957 году, Паули подробно излагает этот сон и напоминает Юнгу о «китаянке», которую постоянно видел в своих снах и считал «особым отображением – возможно, парапсихологическим – „Темной Женщины“». Юнг вспоминал, что в более ранних снах у китаянки «был ребенок, однако „люди“ отказались это признать». Паули считал, что «другие люди» в его снах представляют его собственные «привычные возражения против определенных идей – и страх перед ними». Секрет, которым он делится с Темной Женщиной и который наполняет его пониманием, – это факт «отсутствия симметрии [объектов] и отражений во сне, поскольку самое главное как раз и связано с поиском различий между ними». Иными словами, сон говорит о нарушении пространственной четности.

Этот впечатляющий сон приснился Паули примерно за полтора года до того, как Ли и Янг поставили под сомнение закон сохранения пространственной четности, и за два года до того, как еще одна китаянка доказала, что закон в самом деле неверен. Паули встречался с мадам Ву в Беркли в 1941-м и «был очень впечатлен ею – и как физиком-экспериментатором, и как умной и красивой молодой китайской дамой¹⁶⁸». В своих исследованиях Паули не удосужился изучить фундаментальную природу самой пространственной четности, поскольку в то время был уверен в универсальности принципа ее сохранения. Он придерживался этой точки зрения и после начала «славной революции». И даже когда Ли и Янг призвали к проведению экспериментов для тестирования пространственной четности, Паули был твердо убежден в том, что принципу сохранения четности удастся выжить.

Через шесть месяцев появились результаты, и всего через несколько дней они уже пересекли Атлантический океан. 17 января 1957 года, в тот же день, когда газета New York Times на первой полосе объявила о крушении принципа сохранения четности, Паули чуть не заключил новое пари с почти гарантированным проигрышем: «Я не верю в то, что Бог плохо играет левой рукой, – писал он своему ученику Виктору Вайсскопфу, – и готов поставить очень крупную сумму на то, что эксперименты продемонстрируют симметричные результаты»¹⁶⁹.

День расплаты наступил всего через четыре дня, с утренней почтой. В ней Паули обнаружил копию статьи из Times, которую ему, вместе с двумя теоретическими статьями Ли и Янга, посвященными последствиям нарушения сохранения четности, отправил еще один бывший ученик¹⁷⁰. Ближе к вечеру Паули получил письмо с детальным описанием всех трех экспериментов от Валентина Телегди, лидера чикагской группы. По очередному «совпадению» Паули тем же вечером должен был читать лекцию об истории нейтрино в Цюрихском обществе естественных наук. По словам очевидцев, это была прекрасная лекция, а сам Паули был очень воодушевлен¹⁷¹. В конце выступления он поделился новостями о нарушении сохранения четности и своими «размышлениями» об этой проблеме и ее важности.

Несмотря на его очевидную браваду, смерть принципа сохранения четности стала шоком для этого человека, поскольку симметрия имела для него чуть ли не мистическую важность. В день, когда до него дошли новости, он нашел время, чтобы написать мадам Ву:

Я поздравляю вас (но не себя самого)¹⁷². Эта частица, нейтрино, к существованию которой я приложил руку, до сих пор наказывает меня.

А в своем письме Юнгу, написанном в 1957 году, он говорил, что был «очень расстроен» после получения новостей и «некоторое время вел себя нерациональным образом»¹⁷³. Через шесть дней после своего поражения он писал Вайсскопфу:

Теперь, после того как прошел первый шок, я начинаю вновь собираться с силами. Хорошо, что я не заключил пари. Я потерял бы много денег (а я не могу себе этого позволить); однако я все же выставил себя дураком (и думаю, что это я очень хорошо умею)… Я потрясен скорее не тем фактом, что Господь предпочитает ту или иную руку, а тем, что, когда он выражает себя сильным образом, левосторонняя симметрия все же сохраняется. Короче говоря, главный вопрос теперь выглядит так: почему сильные взаимодействия все же сохраняют и левую, и правую симметрию?¹⁷⁴

В уравнениях физики нет ничего, способного объяснить, почему слабое взаимодействие должно нарушать четность. Сильное взаимодействие, равно как и электромагнитная сила или гравитация, продолжают следовать этому принципу. Со временем Паули успокоился на том, что идея сильного отражения, или CPT-симметрии, сохранила свою актуальность, и это спокойствие наглядно проявлялось в его размышлениях. Последним научным трудом Вольфганга Паули было эссе на тему истории нейтрино, основанное на его же лекции, прочитанной в тот странный вечер в Цюрихе¹⁷⁵. Паули было приятно не только то, что Кован и Рейнес смогли доказать истинность его давнего прозрения, но и то, какую шумиху и какой сильный импульс к дальнейшему развитию физики породила его крошечная частица. Завершив работу над эссе в сентябре 1958 года, он отправил копию Лизе Мейтнер в качестве подарка к 80-летию¹⁷⁶.

Паули умер внезапно, 15 декабря, за несколько месяцев до своего 59-летия, через несколько дней после того, как у него был диагностирован рак поджелудочной железы. До самого момента смерти этого блестящего и незаурядного человека преследовали странные совпадения. Еще одно из его наваждений было связано с тем, что он, как и многие другие, очень серьезно относился к так называемой постоянной тонкой структуры – соотношению фундаментальных физических констант, которое выражается простым числом со значением, примерно равным 1/137¹⁷⁷.

Как-то Паули написал, что «теоретическая интерпретация этого численного значения представляет собой одну из важнейших нерешенных проблем атомной физики»¹⁷⁸. Чарльз Энц добавляет, что «число 137 имело иррациональное, магическое значение для Паули»¹⁷⁹.

Паули умер в больнице Красного Креста в Цюрихе, в палате № 137.