Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс

В 1930 г., примерно в то время, когда Дирак пытался смириться с возможностью того, что его античастицы на самом деле не являются протонами, была проведена серия экспериментов, снабдивших ученых именно теми данными, которые были необходимы для разрешения ядерного парадокса. Поэзия этих открытий может сравниться только с драмой, разыгравшейся в частной жизни сделавших их исследователей.

Макс Планк в свое время участвовал в осуществлении квантовой революции: он разрешил парадокс, связанный со спектрами излучения атомных систем. Поэтому вряд ли стоит удивляться тому, что Планк косвенным образом участвовал и в разрешении парадокса, связанного со строением атомного ядра. Хотя сам он в данном случае не проводил решающих исследований, Планк сумел зато распознать таланты молодого студента Вальтера Боте, изучавшего математику, физику, химию и музыку в Берлинском университете; в 1912 г. Планк принял Боте к себе в качестве докторанта и наставлял затем на протяжении всей его ученой карьеры.

Боте чрезвычайно повезло попасть под руководство Планка и, чуть позже, Ханса Гейгера, создателя знаменитого счетчика заряженных частиц. На мой взгляд, Гейгер – один из самых талантливых физиков-экспериментаторов, обойденных Нобелевской премией. Свою карьеру Гейгер начал с экспериментов (проводившихся совместно с Эрнстом Марсденом), которые Резерфорд использовал при обнаружении атомного ядра. Гейгер тогда только что вернулся из Англии, где работал с Резерфордом, и стал руководить новой лабораторией в Берлине, а одним из первых его шагов в новой должности стал прием на работу Боте в качестве ассистента. Именно в этой лаборатории Боте научился всегда сосредоточиваться на самых важных экспериментах и использовать простые подходы, дающие немедленный результат.

После «вынужденных каникул» протяженностью в пять лет, проведенных во время Первой мировой войны в Сибири в качестве военнопленного, Боте вернулся в лабораторию и наладил замечательное сотрудничество с Гейгером, сменив его в конечном итоге на посту директора лаборатории. В период совместной работы эти ученые первыми стали использовать так называемые «методы совпадений» при исследовании физики атома, а затем и ядра. Используя различные детекторы вокруг мишени и тщательный хронометраж, они научились выделять одновременные события, синхронность которых свидетельствовала о том, что их источником событий было одно и тот же событие атомного или ядерного распада.

В 1930 г. Боте вместе с помощником Гербертом Беккером наблюдал нечто совершенно новое и неожиданное. Бомбардируя ядра бериллия продуктами ядерного распада, известными как альфа-частицы (тогда уже было известно, что альфа-частицы – это ядра гелия), исследователи наблюдали испускание ядром совершенно новой формы высокоэнергетического излучения. У этого излучения было две уникальные особенности: оно обладало большей проникающей способностью, чем гамма-лучи самых высоких энергий, но, подобно гамма-лучам, состояло из электрически нейтральных частиц и потому, проходя сквозь вещество, не ионизировало его атомы.

Новость об этом удивительном открытии быстро разошлась по всем физическим лабораториям Европы. Первоначально Боте и Беккер предполагали, что обнаруженное ими излучение представляет собой какой-то новый вид гамма-лучей. В Париже дочь знаменитой исследовательницы Марии Кюри Ирен Жолио-Кюри и ее муж Фредерик воспроизвели результаты Боте и Беккера и более подробно исследовали загадочное излучение. В частности, они обнаружили, что при бомбардировке этим излучением парафиновой мишени из нее выбиваются протоны невероятно высоких энергий.

Из этого наблюдения стало ясно, что данное излучение не может быть гамма-лучами. Почему?

Ответ на этот вопрос сравнительно прост. Если бросить в подъезжающий грузовик шарик попкорна, вряд ли удастся этим его остановить или хотя бы разбить ему лобовое стекло. Причина в том, что попкорн, даже если бросать его очень и очень энергично, из-за своей малой массы несет совсем небольшой импульс. Чтобы остановить грузовик, вам нужно изменить его импульс на бо́льшую величину, потому что машина, даже если движется медленно, весьма массивна. Чтобы остановить грузовик или сбить с него тяжелый объект, вам придется бросить большой камень.

Аналогично, чтобы выбить из парафина тяжелую частицу, такую как протон, гамма-излучение, состоящее из невесомых фотонов, должно было бы нести огромную энергию (такую, чтобы импульса, переносимого отдельным фотоном, хватало для выбивания из вещества тяжелого протона), а для этого ни в одном известном процессе ядерного распада не нашлось бы достаточного количества энергии, даже по порядку величины.

Удивительно, но супругам Жолио-Кюри (они были современными людьми и оба выбрали для себя одинаковую двойную фамилию), видимо, подобно Дираку, очень не хотелось вводить новые элементарные частицы для объяснения полученных данных. Протоны, электроны и фотоны не только были хорошо знакомы, но их до того момента было вполне достаточно для объяснения всех известных данных, включая экзотические квантовые явления, связанные с атомами. Поэтому Ирен и Фредерик не стали выдвигать очевидное, как сейчас кажется, предположение о том, что в процессах распада, которые наблюдали Боте и Беккер, возникает, возможно, новая электрически нейтральная массивная частица. (Аналогичная нерешительность, увы, помешала Жолио-Кюри объявить об открытии позитрона, несмотря на то что они реально наблюдали его в своих экспериментах прежде, чем Карл Андерсон несколько позже объявил о собственном открытии.)

Дать исследованиям в этом направлении следующий толчок выпало на долю физика Джеймса Чедвика. Чедвик, очевидно, обладал великолепным физическим чутьем, но его политическое чутье оставляло желать лучшего. Окончив в 1913 г. Манчестерский университет со степенью магистра и работая затем с Резерфордом, он получил стипендию, позволявшую ему учиться где угодно. Чедвик отправился в Берлин работать с Гейгером. Он не мог бы выбрать себе лучшего наставника и вскоре уже проводил важные исследования в области радиоактивного распада. К несчастью, во время пребывания Чедвика в Германии вспыхнула Первая мировая война, и следующие четыре года молодой ученый провел в лагере для интернированных.

В конечном итоге он вернулся в Кембридж, куда к тому времени перебрался и Резерфорд, и завершил работу над докторской диссертацией под его руководством. После этого Чедвик остался в Кембридже, чтобы работать с Резерфордом и помогать ему руководить Кавендишской лабораторией. Чедвик не просто знал о результатах Боте и Беккера, он сам воспроизвел их, но лишь после того, как один из студентов сообщил ему о результатах Жолио-Кюри, Чедвик убедился на основании уже приведенного мной довода об энергии, что излучение, о котором идет речь, попросту должно состоять из неизвестных прежде нейтральных частиц с массой, сравнимой с массой протона, и что эти частицы могут «обитать» в атомном ядре (идея, которую они с Резерфордом вынашивали не один год).

Чедвик воспроизвел и расширил эксперименты Жолио-Кюри; он подвергал бомбардировке не только парафин, но и другие мишени и исследовал вылетающие протоны. Чедвик подтвердил не только тот факт, что с учетом энергетики столкновения источником загадочного излучения просто не могут быть гамма-лучи, но и то, что сила взаимодействия этих новых частиц с ядром намного превышает ту, что можно было бы предсказать для гамма-лучей.