Если результаты вашего эксперимента говорят о нарушении законов сохранения энергии, не стоит радоваться раньше времени и искать телефон комитета Нобелевской премии. Такие «открытия» в научном мире происходят чаще, чем вы можете себе представить, и в 99,99 % случаев речь идёт о банальной ошибке. Но бывает так, что противоречие — это сигнал: обнаружено нечто неизвестное.
О ПОЛЬЗЕ ПРОБЕЛОВ В ПОЗНАНИЯХ
Связав механику и термодинамику и вооружившись постулатами теории электромагнитного поля Максвелла, учёные конца XIX века считали, что они как никогда близки к построению стройной физической картины мира. Маститый профессор Мюнхенского университета Ф Ж, преемник самого Г О, искренне посоветовал некоему студенту не связываться с физикой:
«В этой области почти всё уже открыто, и всё, что остаётся — заделать некоторые не очень важные пробелы».
По иронии судьбы, этим студентом был М П, будущий «отец» квантовой физики.
В «пробелы», пока ещё не объяснённые, попали загадочные лучи, открытые и описанные в 1895 году В Р. Открытие лучей дало толчок новым исследованиям. Настоящим прорывом стали открытие радиоактивности солей урана А Б в 1896 году и обнаружение неоднородности радиоактивного излучения Э Р в 1899 году (проще говоря, физик обнаружил альфа- и бета-лучи). По образному выражению выдающегося естествоиспытателя и математика А П, был открыт «…целый мир, о существовании которого никто не подозревал». Стройное здание классической науки, с таким трудом возводимое со времен Г и Н, трещало под напором новых открытий. Это стало возможным благодаря мощному интеллектуальному «десанту», высадившемуся на совершенно неизведанных территориях физики. Ни до, ни после такого в истории науки не было: всего за несколько лет была построена новая физика, плодами которой мы пользуемся до сих пор.
Особую роль сыграл Э Р, выходец из захолустья Новой Зеландии, искренне считавший: «Вся наука — или физика, или коллекционирование марок». Он отстаивал принцип верховенства эксперимента над теорией и добился поразительных результатов, фактически основав целое направление экспериментальной физики и дав теоретикам богатейший практический материал.При альфа-распаде ядра образуются две частицы: ядро атома гелия (α -частица) и новое дочернее ядро. При этом масса альфа-частицы многократно меньше массы нового ядра, следовательно, она поглотит большую часть энергии, которая станет её кинетической энергией. Представьте себе теннисный мяч и шар для боулинга. Какой из них легче разогнать? Эту кинетическую энергию можно заранее просчитать (отсюда её дискретный спектр распределения).
При бета-распаде, который наблюдал Чедвик, в исходном ядре нейтрон (1,0086 а.е.м) превращается в протон (1,0072 а.е.м) и выделяется электрон (0,0005 а.е.м). Обратите внимание, что протон остаётся в ядре, а электрон получает кинетическую энергию. Ситуация выглядит похожей на альфа-распад, и можно просчитать кинетическую энергию бета-частицы (следовательно, мы ожидаем увидеть схожое дискретное распределение). Но Чедвик зафиксировал, что энергия электрона меньше, то есть получалось, что часть энергии терялась. Выходило, что либо не работает закон сохранения энергии, либо система описана не полностью. Для объяснения явления позже было выдвинуто предположение, что существует некая новая частица, на которую и тратилась энергия. Даже Э спасовал перед этой проблемой, сказав Чедвику: «Я могу объяснить обе эти вещи, но не одновременно». Сам молодой физик занялся другими исследованиями, придя в конце концов к открытию нейтрона, а загадку непрерывности спектра бета-излучения оставил более авторитетным теоретикам. Но «орешек» оказался настолько твёрдым, что Н Б в отчаянии предположил, что в микромире законы сохранения могут нарушаться.
ПИСАТЕЛЯМ ОСТАЁТСЯ ЗАВИДОВАТЬ
Лишь в 1930 году знаменитый «гуру» квантовой механики В П высказал гипотезу, что в ядре могут существовать лёгкие частицы с нулевым зарядом и половинным спином. (Спин — это характеристика собственного вращения элементарной частицы, которую в самом грубом приближении можно уподобить параметрам кручения волчка.) Так как они электрически нейтральны, Паули решил назвать их нейтронами. Именно эти гипотетические частицы и уносят часть энергии, ставя в тупик выдающихся учёных. Но если в каждом акте бета-распада просуммировать энергии электрона и нейтрона, эта величина будет постоянной. Понимая умозрительность своей догадки, Паули попросил коллег подумать над способами обнаружения гипотетической частицы.
На его призыв откликнулся Э Ф, в 1933–1934 годах разработавший математическую модель бета-распада с участием частицы, предсказанной Паули. Правда, к тому времени «правильный» нейтрон уже был открыт Д Ч, и Ферми во избежание путаницы ласково назвал частичку «нейтрончиком» — по-итальянски neutrino, — попутно радикально изменив её роль. Если Паули считал, что нейтрино содержатся в атомном ядре в готовом виде, то Ферми предположил, что нейтрино — результат превращения нейтрона в протон и электрон, сопровождающегося увеличением атомного номера элемента на единицу и испусканием нейтрино и электрона. Из этого, кстати, вовсе не следует, что нейтрон состоит из протона, электрона и нейтрино — механика ядерных превращений намного сложнее и парадоксальнее.
«ЛЕЧУ, НИКОГО НЕ ТРОГАЮ!»
Главное свойство нейтрино — чрезвычайно слабое взаимодействие с веществом. Действительно, нулевые заряд и, следовательно, магнитный момент позволяют частице беспрепятственно пролетать вплотную к ядрам атомов, а очень малая масса практически сводит на нет гравитационное воздействие. По расчётам, проделанным сотрудниками Манчестерского университета Х Б и Р П, быстрые нейтрино с энергией в несколько мегаэлектрон-вольт (МэВ) могут без помех пролететь сквозь слой жидкого водорода толщиной, превышающей расстояние до Ригеля (β Ориона) — одной из самых мощных звёзд в нашей Галактике, удалённой от нас на 900 световых лет! В П, познакомившись с расчётами, заявил в сердцах, что «совершил страшное для физики дело — предсказал существование частицы, которую невозможно обнаружить». Но на этом сюрпризы, преподнесённые ещё не открытой частицей, не закончились. В 1928 году 26-летний П Д, уже успевший стать непререкаемым авторитетом в теоретической физике, вывел уравнение движения электрона, объединив в нём постулаты теории относительности и закономерности бурно развивающейся квантовой механики. Решения уравнения, названного позже его именем, удивили самого автора: в соответствии с законами сохранения у электрона должен быть антипод… с отрицательной энергией! Говоря другими словами, среди состояний электрона могут быть такие, при которых его масса отрицательна.
Камера Вильсона — один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Названа в честь изобретателя — шотландского физика Ч В. В камере создаётся перенасыщенный пар, через который пропускают поток заряженных частиц. Они оставляют за собой ионы, на которых конденсируется пар. Оператор фотографирует конденсат, образующийся вдоль траектории частицы.
Cлед траектории позитрона в камере Вильсона в эксперименте Андерсона 1932 года. Частица теряет часть энергии, проходя через свинцовую пластинку, и закручивается в магнитном поле.
С классической точки зрения — явная нелепость, но квантовая механика способна и не на такие фокусы! На практике это решение означало, что электрон имеет двойника — частицу с такой же массой и спином, но с положительным зарядом. И в 1932 году американский физик К А, исследуя космическое излучение, сфотографировал треки частиц, зеркально похожие на траектории электронов в магнитном поле, что свидетельствовало об их положительном заряде. Более подробное изучение показало, что учёный имеет дело с парным эффектом: на фото присутствовали и треки обычных электронов, а источником были γ-кванты вторичного космического излучения. Андерсон, знакомый с трудами Дирака, понял, что обнаружил античастицу электрона, и назвал её позитроном. Теория бета-распада Ферми обрела ещё одно измерение. С учётом вновь сформулированного закона сохранения лептонного числа (+1 у нормальных частиц и –1 у античастиц) распад нейтрона приводит к появлению протона, электрона и антинейтрино. Позже выяснилось, что существует ещё один вид бета-распада: «плюс», когда излучаются позитрон и простое нейтрино. И это ещё не всё! Теория предсказала, что в специфических условиях (при очень высоких плотностях вещества с преобладанием протонов) возможен обратный процесс, названный нейтронизацией — антинейтрино сталкивается с протоном и порождает позитрон и нейтрон. Это так называемый обратный бета-распад. Он и помог «поймать» неуловимое!
В 1928 году британец Поль Дирак, один из величайших физиков в истории, решая волновое уравнение Шрёдингера, предсказал: у электрона должен быть двойник, аналогичный ему по массе, но противоположный по заряду.
КАК ДИРАК ПРИШЁЛ К ОТКРЫТИЮ АНТИМИРА
Рассмотрим упрощённое релятивистское уравнение Дирака для электрона.
Это уравнение относительно энергии имеет два решения: отрицательное и положительное. Причём отрицательное значение отбрасывалось как невозможное, поскольку энергия меняется непрерывно и не может поменять знак. Но Дирак взялся объяснить и интерпретировать физический смысл отрицательной энергии. В квантовой теории, в отличие от классической, изменение энергии происходит скачкообразно. Дирак предположил, что отрицательные энергетические уровни уже заполнены некими невидимыми частицами (их называют Морем Дирака). Допустим, одной из этих частиц мы передали энергию.
Согласно нашим ожиданиям, она должна перейти на более высокий энергетический уровень — в положительную область, где мы увидим её как электрон. На месте частицы в отрицательной зоне образовалась «дырка». Так как раньше здесь была отрицательная частица (электрон), то дырка должна приобрести положительный заряд, в точности равный заряду электрона. Ведь до того как мы передали энергию невидимой частице, она имела нейтральный заряд (иначе была бы видимой). Почему эту дырку не может занять другая невидимая частица? Из-за фундаментального квантового принципа Паули, согласно которому в одном состоянии не может одновременно находиться более одного электрона, то есть каждой дырке соответствует один электрон. Далее Дирак предположил, что, скорее всего, это не просто фрагмент пустоты, а положительный электрон, то есть позитрон. Модель Дирака объясняет, почему частицы появляются парами (частица-античастица), а при их аннигиляции выделяется энергия. Теория эта была воспринята скептически. Доказать её могли только экспериментаторы. Они должны были либо найти эту частицу, либо опровергнуть предсказание.
ОПЕРАЦИЯ «ПОЛТЕРГЕЙСТ»
Конечно же, «поймать» — всего лишь эффектная, но избитая метафора. В реальности речь идёт о регистрации эффекта, связанного с крайне редким взаимодействием нейтрино с частицами вещества. А для этого надо обеспечить выполнение двух важных условий: обеспечить стабильный поток нейтрино (или антинейтрино, это не столь важно) высокой плотности и обеспечить их надёжную однозначную регистрацию. Первое условие удалось выполнить благодаря атомному буму и массовому строительству реакторов. В этих устройствах происходит управляемое деление ядер урана, обстреливаемых нейтронами. Один из продуктов реакции — появление бета-радиоактивных ядер, в которых нейтроны по уже знакомой схеме превращаются в триплет из протона, электрона и антинейтрино. Доля энергии, уносимой неуловимыми частицами, достигает нескольких процентов, что при большой мощности реактора может составить десятки киловатт. Теоретически зафиксировать такой поток довольно просто, если бы дело не касалось нейтрино! Оценки показали, что для надёжных калориметрических измерений, призванных зафиксировать нейтринный нагрев, масса теплопоглотителя должна на порядки превысить массу Солнечной системы. Так что идея из голливудского блокбастера «2012» о перегреве земного ядра из-за воздействия перерождённых солнечных нейтрино не имеет никакого физического смысла. Если бы нейтрино обрели способность активно взаимодействовать с веществом, то выживать в глобальной катастрофе было бы просто некому…
ОБРАТНЫЙ БЕТА-РАСПАД НЕЙТРОНА
Райнес (слева) и Коэн у контрольной группы эксперимента в Хэнфорде, штат Вашингтон, где они получили предварительные доказательства существования нейтрино
ГОСПОДИН ГЛАЗ
Участники проекта прозвали детектор нейтрино в Хэнфорде «Herr Auge» (в переводе с немецкого «господин Глаз»). Устройство представляло собой цилиндр объёмом 283 литра, по кругу которого было установлено 90 светочувствительных фототрубок в два чередующихся массива. Фототрубка генерировала электрический импульс в ответ на световой сигнал в детекторе. Импульсы, полученные с каждого массива, сравнивались: если они регистрировались одновременно, следовательно, в детекторе была вспышка. Так учёные боролись с паразитными импульсами.
ОПЕРАЦИЯ «ПОЛТЕРГЕЙСТ»
Команда физиков в Хэнфордском комплексе с плакатом «Проект Полтергейст». Название было выбрано не случайно, так называют мистические и паранормальные явления. Нейтрино было призраком, который был описан только теоретически.
Радиограмма Райнеса и Коэна Вольфгангу Паули об обнаружении нейтрино
Экспериментаторы выбрали другой способ регистрации, взяв за основу уже упоминавшийся обратный бета-распад, инициируемый искомыми частицами: антинейтрино, сталкиваясь с протоном, порождает нейтрон и позитрон. Последний немедленно аннигилирует (благо вокруг полно «нормальных» электронов), излучая пару высокоэнергетичных гамма-квантов, которые и регистрируются детектором в виде «вспышек». При секундной плотности потока в 10 триллионов частиц на 1 см² таких взаимодействий должно произойти около сотни в час.
Местом для «ловли» нейтрино стал реактор в Хэнфордском комплексе (штат Вашингтон) — первом в мире заводе по производству оружейного плутония. Рядом с реактором была установлена 300-литровая цистерна, заполненная водным раствором соединений кадмия — хлорида и пропионата. За вспышками следили 90 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), разделённые на две независимые группы. По расчётам, они должны были регистрировать вспышку каждые 5 минут. И… первый блин вышел комом: ФЭУ срабатывали в 2–3 раза чаще! Оказалось, что виноваты космические лучи. Поэтому ко второй серии экспериментов учёные подошли с усовершенствованной установкой, заодно сменив место — теперь эксперимент проводился в Южной Каролине, на новейшем реакторе «P» ядерного комплекса Savannah River. Установка была смонтирована в специальном бункере на 12-метровой глубине.
Позаботившись об отсечке космических лучей и защите от не относящихся к делу реакторных частиц, учёные Ф Р и К К приступили ко второй серии экспериментов проекта «Полтергейст». За 100 дней они зарегистрировали 567 событий, вызванных взаимодействием антинейтрино с протоном, и получили частоту 3 вспышки в час. После многократной проверки полученных данных физики сочли возможным в июне 1956 года обнародовать результаты эксперимента и сообщить об этом В П. В ответной телеграмме фантазёр и великий физик, вдохновитель самого перспективного направления научного поиска, написал: «Спасибо. Всё приходит к тому, кто умеет ждать. Паули».
