Текст книги "Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия"

Я с большим удивлением услышал, что Фрэнсис считает технически более простым делом постройку столь необычного устройства на Южном полюсе, чем в теплых тропических водах. Простой аргумент: лед как минимум позволяет вам ходить по вашей собственной экспериментальной площадке. Основной проблемой инструментов, использующих воду в качестве рабочей среды, была и остается сложность глубоководной инженерии. Как писал один из первопроходцев DUMAND в 1992 году, через 12 лет от начала проекта им так и не удалось разместить на дне океана хотя бы временную конструкцию:

Моряки уже давно знают то, что нам пришлось познать на собственном болезненном опыте, – море никому ничего не прощает¹¹.

С другой стороны, несмотря на мороз и полярную ночь, не позволяющую работать на полюсе более четырех месяцев в году, первые детекторы AMANDA были размещены во льду со второй попытки, всего через два года после запуска проекта. А вполне работоспособный прототип был построен за пять лет.

Под конец нашего разговора Фрэнсис в привычной для него манере посоветовал мне проигнорировать рекомендации Стива Барвика и просто явиться в зал заседаний на следующее утро. Я так и сделал, однако Стив быстренько выставил меня оттуда.

Следующие несколько дней внезапно выдались свободными. Я хорошенько выспался и вдоволь побегал вдоль пляжа Хантингтон-Бич. Кроме того, я постоянно общался с «амандроидами» (так называли себя участники собрания) во время кофе-брейков и перерывов на обед, а также – это оказалось самым полезным – выпивал с ними после ужина. Я старался проводить как можно больше времени с Брюсом Коси, который в стерильной Южной Калифорнии выглядел точно так же, как на вершине горы в Боливии. Каждое утро он являлся на собрание в обтягивающих джинсах и поношенных кроссовках, мешковатой замшевой рубахе навыпуск и со старым заслуженным рюкзаком, с которым провел немало дней в горах. Никогда за все годы своего знакомства с Брюсом я не видел, чтобы он хоть раз причесался.

По экологическим мотивам Брюс настоял на том, что будет ходить из гостиницы к месту конференции и обратно пешком. Несколько дней по утрам шел дождь, и тогда он накидывал поверх мятой рубашки ветровку, которая когда-то была голубой, но стала почти белой из-за многомесячного (если не многолетнего) воздействия солнца, ветра и дождя. Одним утром Брюса даже задержала полиция кампуса, приняв его за обычного бездомного в поисках пристанища.

В основном Брюс появлялся на этих собраниях ради того, чтобы быть в курсе последних научных новостей, которые помогли бы ему правильно настроиться на предстоящие суровые будни бурения. Он был одним из тех редких инженеров, которые понимают, что не надо следовать детальным спецификациям, если в результате построенная тобой машина не сможет делать того, что нужно ученым. Более того, как правило, ни сами инженеры, ни ученые понятия не имели, как именно должны были бы выглядеть такие спецификации. Как-то раз он описал свои отношения с Лонни Томпсоном как «один из самых долгих дружеских союзов науки и инженерного дела в истории».

Брюс представлял собой одну из сторон интересного контраста, который я сразу заметил в ходе семинара после собрания участников проекта. Другую сторону воплощали теоретики, в том числе вдохновлявший всех Джон Бакал. Он познакомил нас с несколькими волнующими идеями относительно космических ускорителей, которые со временем сможет наблюдать IceCube. И если Бакал в своих рассуждениях, похоже, прочно стоял обеими ногами на твердой земле, то остальные теоретики подчас высказывали слишком пылкие, почти бессвязные идеи. Предлагаемые ими модели были похожи на вспышки сорвавшегося с цепи воображения – словно они бросали дротики во время игры в дартс в надежде на то, что через десять или двадцать лет, когда IceCube наконец начнет приносить результаты, один из этих дротиков вдруг пришпилит к мишени достаточно убедительное экспериментальное подтверждение. И тогда везунчик-победитель сможет заявить, что это именно он когда-то сделал достаточно точный прогноз, – совершенно не упоминая того обстоятельства, что одновременно он сделал и множество других, которые так и не сбылись.

Другую сторону представляли экспериментаторы, обладавшие такой же настойчивостью и упорством, что и Брюс. Мне потребовалось некоторое время, чтобы понять, что к тому моменту участники проекта AMANDA уже безумно устали после неистовой четырехмесячной вахты в Антарктиде, закончившейся лишь несколькими неделями ранее. Это был успешный сезон, который, впрочем, не обошелся без разочарований и конфликтов между участниками. В конце концов, они же строили крупнейший детектор элементарных частиц в мире! Им приходилось иметь дело с невероятным количеством деталей в процессе настройки этого удивительного, почти инфернального устройства, подготовки его к работе в одном из самых негостеприимных мест на планете. В отличие от теоретиков, они не умели перескакивать с одной интересной проблемы на другую в течение одной-двух недель. IceCube ведь еще не был даже спроектирован. Работа над ним не будет завершена еще целых 12 лет.

В последнее утро конференции, когда, согласно повестке дня, должны были начаться слушания, я присоединился к завтраку «амандроидов». Завтрак-буфет, состоявший из бейглов, сока и кофе, был накрыт в холле перед переговорными комнатами. Стив Барвик подошел ко мне и сказал:

– Марк, участники проекта решили дать вам шанс рассказать, чего вы от нас хотите. Мы хотели бы, чтобы вы сделали презентацию.

– Когда?! – воскликнул я.

– Прямо сейчас.

Я начал с того, что извинился перед аудиторией за то, что не успел подготовить набор диапозитивов для проектора (эпоха PowerPoint еще не наступила). Аудитория отреагировала благожелательным смехом. Затем я объяснил, что мне понятны нужды и опасения собравшихся ученых. Я не собираюсь организовывать утечки непроверенных результатов или распространять слухи и сплетни. Я полностью уверен, что я искренне заинтересован в успехе проекта. Один профессор из Ирвайна напомнил собравшимся о книге Генри Тобса «Мечты о Нобелевке» (с подзаголовком «Власть, обман и окончательный эксперимент»)¹², в которой был дан неприглядный портрет нобелевского лауреата Карло Руббиа – друга или как минимум коллеги многих из присутствующих здесь. Я ответил, что до тех пор, пока написанное мной увидит свет, пройдет очень много времени (если бы я тогда знал, насколько много…). Меня попросили ненадолго выйти, а затем пригласили обратно и приветствовали в качестве участника проекта.

С этого момента я получил достаточно свободный доступ к информации – более того, в течение нескольких лет у меня был полный доступ: я даже посещал закрытые собрания руководителей проекта. А в конце 1999 года смог поработать с Брюсом Коси, бурившим лед на Южном полюсе. Кое-кто из участников считал, что проект AMANDA в целом интереснее, чем один только телескоп IceCube. На первых этапах работы над подобными проектами требуется больше гибкости мышления и готовности брать на себя риски, чем позже, когда проект постепенно доводится до совершенства (хотя и этот этап проекта может быть не менее вдохновляющим). Предварительная подготовка всегда имеет намного больший охват и масштаб.

В каком-то смысле работа состояла в том, чтобы делать ошибки. Во времена AMANDA на льду делалось немало безрассудных вещей: тогда никто слыхом не слыхивал о протоколах техники безопасности или стандартных операционных процедурах, а антарктическая станция «Амундсен – Скотт», как и многие другие исследовательские площадки тех дней, больше напоминала пограничный форпост на Диком Западе. Будет справедливым сказать, что AMANDA – это сердце моей истории. Фрэнсис Халзен утверждает, что именно благодаря проекту AMANDA «родилась нейтринная астрономия». Оказалось также, что я познакомился с этим сплоченным братством в самое благоприятное время. Фрэнсис был не вполне прав, когда говорил, что лучшее в этой истории уже завершилось. Следующие шесть месяцев стали, пожалуй, самым восхитительным периодом в истории проекта – даже с учетом фундаментального открытия, сделанного IceCube 15 лет спустя.

Часть I
Рождение и юность нейтрино

Глава 1
Безумное дитя

Изучать физиков намного интереснее, чем саму физику.

– Роберт Милликен

Частица, известная нам как нейтрино, впервые возникла в воображении венского физика Вольфганга Паули ближе к концу 1930 года.

Это время можно считать серединой одного из самых интересных периодов в истории науки, когда в течение восьми лет великие мыслители – Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер, Макс Борн, Поль Дирак, Альберт Эйнштейн (постоянно выступавший с возражениями) и сам Паули – изучали поразительные загадки атома и создавали современную теорию квантовой механики¹³. В 1930 году основное внимание сместилось со структуры атома на более глубокий уровень – на уровень его ядра.

В том году Паули исполнилось 30 лет. Он родился в 1900-м – в силу совпадения, в том самом году, когда Макс Планк сформулировал идею гранулярности энергии, переносимой излучением определенного типа, так называемого кванта действия. Тем самым Планк открыл своего рода ящик Пандоры в мире ядерных исследований (как мы увидим чуть ниже, Паули далеко не всегда верил в совпадения).

Паули, необыкновенные способности которого в математике и физике были отмечены еще в детстве, впервые произвел серьезное впечатление на научный мир сразу же после окончания средней школы, когда он написал три работы на тему сложной в математическом отношении общей теории относительности Эйнштейна, которую великий ученый сформулировал всего тремя годами ранее. Затем Паули направился в Мюнхенский университет и начал учиться у Арнольда Зоммерфельда – возможно, ведущего авторитета в области «старой» квантовой теории Бора – Зоммерфельда, предложенной Бором в 1913 году. Паули получил свой диплом с отличием за минимально допустимое время – три года. Его научная работа была посвящена молекулярному водороду и представляла собой в высшей степени смелое развитие теории Бора – Зоммерфельда. При этом ему каким-то образом удалось тогда же найти время для публикации магистерской работы, 237-страничного трактата на тему относительности¹⁴. Этот трактат удостоился похвалы от самого Эйнштейна:

Никто из тех, кто изучил этот зрелый, величественно продуманный труд, не мог поверить, что автору всего 21 год от роду. Интересно, чем следует восхищаться больше всего: психологическим пониманием развития идей, уверенностью математической дедукции, глубоким физическим прозрением, способностью к ясному систематическому изложению, полной трактовкой предмета или достоверностью критических оценок¹⁵.

В 1924 году молодой человек выдвинул идею, известную в наши дни под названием «принцип запрета Паули» и позволяющую объяснить, каким образом электроны в атоме сортируются по орбитам, соответствующим рядам периодической таблицы элементов. Из нескольких его работ, вполне заслуживающих Нобелевской премии, именно эта позволила ученому получить премию через пару десятилетий, в 1945 году. Паули, имевший еврейские корни, в то время находился в Принстоне, штат Нью-Джерси, – он принял приглашение на работу в Институте перспективных исследований, позволившее ему избежать преследований со стороны нацистов. Эйнштейн, номинировавший его на премию, также работал в то время в Принстоне, поскольку Институт перспективных исследований и был, в сущности, создан, чтобы обеспечить Эйнштейну место работы за пределами Германии¹⁶.

Поскольку у Паули не было действующего паспорта, он не мог приехать в Стокгольм на церемонию вручения, поэтому для него был устроен шикарный банкет в Принстоне. В какой-то момент во время банкета Эйнштейн, к всеобщему удивлению, встал и произнес импровизированный тост, в котором назвал Паули своим интеллектуальным и духовным наследником. «Я никогда не забуду эту речь, – писал Паули Максу Борну десятью годами позже. – Она была похожа на отречение короля, назначавшего меня своим избранным „сыном“ – преемником»¹⁷.

Борн был не единственным, кто считал, что гений Паули вполне сопоставим с гением Эйнштейна и что Паули, возможно, даже более великий ученый (хотя и не столь же великий человек)¹⁸. Паули совершенно не интересовался практическими аспектами применения научных знаний. Он не читал газет. К примеру, когда ему предложили постоянную должность в Институте перспективных исследований, он отказался и вернулся на позицию в Швейцарской высшей технической школе (ETH) в Цюрихе, которую занимал до войны, поскольку, по его мнению, исследования в области ядерного оружия плохо сказываются на репутации американской физики в целом.

Он не обращал особого внимания на беспощадную конкуренцию в научном мире; единственное, к чему он страстно стремился, была ясность. Он также не заботился о признании; обычно он находил популярность утомительной, хотя при каждой возможности воздавал должное другим ученым. Паули сделал множество важных открытий, с которыми в наши дни связываются имена совсем других людей (причем сделал независимо от них и зачастую раньше, чем они), однако редко говорил об этом. Кроме того, он не был скован узкими рамками подхода «непременно публикуйся или будешь забыт», который исповедует большинство ученых. Список опубликованных работ Паули не так уж велик. Однако в своих многолетних поисках четкого видения он написал тысячи писем многим гигантам мира физики того времени – а также экспертам в других областях, особенно философии, психологии и истории искусства. В совокупности его научная корреспонденция насчитывает более 7000 листов. Многие из самых важных идей Паули сначала были сформулированы именно в этих письмах, притом что в научных работах он их так и не опубликовал. Письма копировались, передавались из рук в руки и изучались коллегами, словно послания, доставленные на Землю прямо с небес¹⁹.

Хотя имя Паули обычно не ассоциируется с изобретением квантовой теории в той же мере, что имена Бора, Гейзенберга или Шрёдингера, эти письма демонстрируют, что он был глубоко вовлечен в процесс. Никто не видел картину в целом так же хорошо, как Паули, и коллеги уважали его не только за это, но и за его точность и глубокое внимание к классическим традициям физики. Не кто иной, как Нильс Бор как-то описал роль Паули в революционные годы с 1925-го по 1933-й, в период зарождения квантовой теории, как «совесть всего сообщества физиков-теоретиков» и «нерушимую скалу в бушующем море»²⁰.

Чарльз Энц, биограф и последний ассистент Паули, пишет, что именно он «был критическим и аналитическим разумом», стоявшим за развитием теории: «И Бор, и Гейзенберг считали его главным арбитром»²¹. Они обращались к нему со своими идеями как к идеальному слушателю – и всегда были готовы услышать его ядовитые комментарии. Паули был первым человеком, с которым Гейзенберг поделился идеей своего знаменитого принципа неопределенности в 14-страничном письме, заканчивавшемся словами:

Я понимаю, что эта тема пока что полна неясностей, однако должен написать вам, чтобы добиться хоть какой-то ясности. А теперь я жду вашей безжалостной критики²².

Они с Паули уже встречались в Мюнхене, вместе учились у Зоммерфельда и на всю жизнь остались друзьями. Их переписка в особенно важный период между 1925 и 1927 годами, когда Гейзенберг изобретал квантовую механику, демонстрирует, что его работа была во многом вдохновлена прозрениями и предложениями со стороны Паули²³.

Несмотря на свой легендарно язвительный язык, Паули мог быть приятным и даже очаровательным, а огромный круг друзей, который он накопил за свою короткую жизнь, показывает, что они вполне могли увидеть за всеми его «колючками» доброе и щедрое сердце. После смерти Паули Бор посвятил своему более молодому коллеге трогательные слова в некрологе:

Комментарии Паули всегда помогали нам, даже в случаях, когда мы время от времени не хотели с ними соглашаться. Если он чувствовал, что ему стоит изменить свою точку зрения, он это признавал с присущим ему благородством. Со своей стороны, нам было очень приятно, когда развитие наших идей вызывало его одобрение²⁴.

«Безжалостная критика» со стороны Паули была неизменно направлена на расплывчатое или вульгарное мышление. Его друг и коллега-физик Пауль Эренфест дал Паули кличку «бич божий»²⁵. Широко известна его реплика после прочтения работы, которую он посчитал особенно глупой: «Это не только неправильно, это даже не ошибочно!»

Можно сказать, что в 1930-м – в том же году, когда идея таинственной новой частицы впервые начала формироваться в мыслях Паули, – он процветал в профессиональном плане. Он получил признание в мировых физических кругах и занимал постоянную должность профессора в ETH.

Однако его эмоциональная жизнь двигалась в совершенно ином направлении. Он переехал в Цюрих из Гамбурга, где занимал сразу несколько позиций в нескольких научных учреждениях и, по своему обыкновению, завел несколько друзей на всю жизнь. Пять лет, прожитых Паули в Гамбурге, были для него наиболее продуктивными – именно тогда он сформулировал принцип запрета, – однако именно в эти же годы он начал все чаще срываться с цепи.

Гамбург был широко известен своей ночной жизнью, и Паули часто наслаждался ей в компании своих друзей («После второй бутылки вина или шампанского, – писал он в одном письме, – я обычно становлюсь хорошим собеседником (чего никогда не случается, когда я трезв) и способен производить очень хорошее впечатление на окружающих, особенно женского пола»²⁶). Без ведома своих товарищей он часто продолжал свои вечеринки даже после того, как они расходились по домам, и перемещался в печально известный район «красных фонарей». Район носил название Санкт-Паули, и хотите верьте, хотите нет, но это было еще одной кличкой, которой наградил Паули Эренфест. Он курил и пил в сомнительных заведениях, дрался, знакомился с женщинами – степенный профессор днем и отчаянный гуляка ночью, доктор Джекил и мистер Хайд²⁷.

Переехав в Цюрих, Паули стал более осмотрительным. Он принимал активное участие в бурлящей интеллектуальной жизни города и в элегантных светских развлечениях, общался с Джеймсом Джойсом, Томасом Манном и художниками Максом Эрнстом и Германом Галлером. При этом он продолжал удовлетворять свои темные желания во время периодических наездов в Гамбург и Берлин.

Паули вырос в убеждении, что он от рождения христианин, католик. Но в детстве ему не сказали о том, что его отец, всемирно известный врач и профессор химии, в молодые годы сменил фамилию и перешел из иудаизма в католичество ради карьеры в антисемитском мире австрийской науки²⁸. Мать Паули также была католичкой еврейского происхождения, и при этом оба родителя вдобавок перешли в протестантизм, когда сыну было около 11 лет. Мать Паули была особенно религиозной. Не вполне ясно, когда Паули узнал о своем еврейском происхождении – возможно, это произошло в подростковые годы или когда ему уже исполнилось 20 лет, – однако он чувствовал, что ему недостает ясности в этом вопросе, который очень смущал его все те годы, когда формировалась его личность²⁹.

В последний год жизни Паули в Гамбурге его отец, заядлый ловелас, бросил его мать и ушел к молодой скульпторше – ровеснице своего сына, а в ноябре 1927 года мать Паули покончила с собой. В тот же месяц он получил предложение о работе из ETH.

Через полтора года после смерти матери Паули отказался от христианства и объявил о возвращении к своим еврейским корням. Еще через шесть месяцев он женился на немке-танцовщице из кабаре, и эта история была настоящим бедствием с самого начала: еще до свадьбы невеста заявила, что любит другого, и со временем бросила Паули и ушла к этому мужчине. Их союз прожил меньше года, а развод был оформлен 26 ноября 1930 года.

Итак, в начале декабря у 30-летнего ученого, приступившего к размышлениям о составе ядра, забот было выше головы.

Первая загадка была связана с хорошо известным явлением радиоактивного бета-распада, при котором ядро одного элемента спонтанным образом превращается в ядро другого и испускает электрон (этот феномен называется бета-излучением). Суть загадки состояла в том, что бета-распад, казалось ученым, нарушает один из самых священных законов физики – принцип сохранения энергии.

С практической точки зрения этот принцип напоминает бухгалтерский баланс: любая физическая система, вовлеченная в какую-то «операцию», то есть претерпевающая какие-либо изменения, должна после завершения операции содержать тот же объем энергии, что и до ее начала. Энергия может оказаться в каком-то другом месте, но не может исчезнуть из мира без следа.

Частным примером бета-распада может служить радиоактивный распад углерода‑14 и его превращение в азот‑14. Именно этот процесс лежит в основе определения возраста радиоуглеродным методом. Этот метод позволяет определить возраст некогда живых объектов, таких как ствол древнего дерева или ископаемые кости, и широко используется в археологии и геологии. Углерод – шестой элемент периодической таблицы, а это значит, что его ядро содержит шесть протонов с положительным зарядом, а число 14 означает атомный вес. Согласно тому, что мы знаем, ядро углерода‑14 имеет, помимо шести протонов, восемь нейтронов с нейтральным зарядом, то есть всего 14 «нуклонов».

Тот факт, что в 1930 году нейтрон еще не был открыт, серьезно усиливал неразбериху. Примитивная теория того времени утверждала, что ядро строится из протонов с положительным зарядом и электронов с отрицательным зарядом. Соответственно, в нашем примере ядро углерода‑14 должно было бы состоять из 14 протонов и 8 электронов. Было известно, что величина его электрического заряда равна 6, то есть электроны должны были компенсировать соответствующую величину положительного заряда со стороны протонов.

В процессе бета-распада ядро углерода‑14 превращается в ядро азота‑14, изотопа седьмого элемента периодической таблицы, который, согласно принятому в то время ходу мыслей, должен был бы состоять из 14 протонов – так же как и углерод‑14 – и 7 электронов, на один меньше, чем до этого. Это позволяло объяснить изменение величины электрического заряда, поскольку величина заряда у ядра азота равна 7; казалось, все сходится, поскольку после распада электрон с высокой скоростью покидает ядро.

Но все сходилось только до того момента, когда вы обращали внимание на энергию.

В 1905 году Эйнштейн продемонстрировал эквивалентность энергии (E) и массы (m) с помощью своего знаменитого уравнения E=mc². (Буква c обозначает скорость света, постоянную величину.) Таким образом, с точки зрения энергии до распада мы имеем обычную энергию массы ядра углерода‑14, а после него у нас возникают величины энергии массы ядра азота и электрона плюс так называемая кинетическая энергия, которой обладает электрон из-за своего движения. Поскольку массы ядра азота и электрона постоянны, но их совокупная масса меньше, чем масса изначального ядра углерода, то ядерная модель 1930 года утверждала, что каждый электрон, испускаемый в ходе бета-распада, должен обладать одной и той же кинетической энергией или скоростью. Эта энергия должна быть достаточной для того, чтобы компенсировать разницу в величине энергии массы между частицей, существовавшей до распада, и двумя частицами, возникшими после него.

Проблема состояла в том, что у возникавших электронов имелся целый диапазон, или спектр энергий. Если бы все электроны покидали ядро с самым высоким уровнем энергии в диапазоне, то все было бы нормально, однако на практике такое, казалось, происходило крайне редко (более того, сейчас мы уже знаем, что этого не происходит в принципе). Казалось, что небольшая доля энергии каким-то образом исчезает.

Эта проблема оставалась нерешенной более 20 лет³⁰. Лиза Мейтнер, австрийский ученый-экспериментатор с хорошей теоретической подготовкой, и Отто Ган, знаменитый немецкий радиохимик, занялись изучением спектра бета-излучения в 1907 году. Они считали, что им вообще не удастся найти никакого спектра, и поначалу все шло именно так, как они ожидали, – и это было чрезвычайно странной ошибкой для столь профессиональной команды экспериментаторов. Вскоре они выявили некоторые недостатки своих методов, улучшили их и в 1911 году получили первые, изрядно смутившие их свидетельства того, что электроны действительно обладают определенным спектром. Мейтнер, единственный теоретик в команде, не была готова согласиться со своими собственными результатами. Она выдвинула целый ряд предположений относительно возможных проблем в технике нового эксперимента или вторичных процессов в ядре, которые могли бы как-то изменить изначально чистый поток. Однако большинство сомнений экспериментаторов рассеялось в 1914 году, когда Джеймс Чедвик, работавший под руководством великого Эрнеста Резерфорда в Кавендишской лаборатории в британском Кембридже, завершил то, что ныне считается первым четким экспериментом, доказавшим существование спектра³¹.

Однако Лиза Мейтнер продолжала настаивать на своем. Последовали новые эксперименты, к которым присоединились другие ученые, в том числе еще один британец – Чарльз Драммонд Эллис. Битва над загадкой продолжалась еще 13 лет, до 1927 года, когда Эллис и его коллега Уильям Вустер смогли не только исключить влияние вторичных процессов, но и доказать, что какая-то энергия действительно пропадала, поскольку средняя скорость возникающих электронов была слишком низкой для того, чтобы обеспечить разницу в величине энергии массы между старым ядром (которое существовало до распада) и новыми ядром и электроном, возникшими после распада³². Разумеется, одного эксперимента было недостаточно для того, чтобы убедить все научное сообщество, и в частности Лизу Мейтнер. Поэтому только после того, как через два года, в самом конце 1929 года, она вместе со своим ассистентом Вильгельмом Ортманном подтвердила и развила результаты Эллиса и Вустера, физическое сообщество было вынуждено признать тот факт, что в процессе бета-распада происходит что-то непонятное³³.

За предыдущие несколько десятилетий атом преподносил ученым так много сюрпризов, что архитекторы новой квантовой теории, в частности Нильс Бор, желали подвергнуть сомнению любые классические «истины». В рукописи, отправленной Паули в середине 1929 года, Бор предположил, что наличие недостающей энергии может служить свидетельством того, что священный закон сохранения не работает в квантовой реальности.

Это стало серьезным ударом по представлениям Паули, глубоко ощущавшего симметрию в мире физики (мало кто из простых смертных понимает, насколько сильно красота и элегантность способны мотивировать физика-теоретика и что принципы симметрии не просто красивы, а представляют собой один из самых мощных инструментов в его работе). Паули не мог понять, почему в ходе бета-распада электрический заряд должен сохраняться, а энергия – основа успешной специальной теории относительности Эйнштейна – нет³⁴. Паули ответил своему наставнику (Паули учился у Бора в его институте в Копенгагене) с типичной для себя откровенностью:

Должен сказать, что ваша работа меня совсем не удовлетворила… В реальности мы совершенно не представляем себе, в чем дело. Этого не знаете и вы… В любом случае дайте этому вопросу хорошенько отлежаться, и да будут сиять над нами мирные звезды!³⁵

Получив этот ответ, Бор так никогда и не опубликовал свою рукопись, Паули же последовал своему собственному совету и отложил вопрос в сторону. Со временем он начал подозревать, что проблема недостающей энергии может быть связана с другой, недавно возникшей головоломкой в имевшейся ядерной модели, а именно головоломкой спина. Спин чем-то напоминает вращение планеты, с тем исключением, что спин – это естественное свойство элементарных частиц наряду с их массой или электрическим зарядом. Частицы постоянно вращаются.

В 1924 году, предложив принцип запрета, Паули фактически предположил существование спина еще до его открытия. Старая квантовая модель атома, предложенная Бором, – подлинный шедевр того времени – говорила, что на каждом уровне энергии, или орбите, окружающей ядро атома, может быть не более двух электронов. Однако это было всего лишь предложением, не имевшим под собой никакой объективной основы. Паули же создал эту основу, которая стала новым законом физики. В своей простейшей форме принцип запрета утверждает, что никакие два электрона не могут пребывать в одном и том же квантовом состоянии. А поскольку на каждой орбите Бора имелось по два электрона, Паули пришел к выводу, что электрон должен обладать каким-то еще не открытым свойством. Однако, считая, что было бы непродуктивно использовать свой классически настроенный ум для визуализации происходящего в странном мире кванта, он отказался выдвигать какие-либо идеи о том, как может выглядеть это свойство. Паули назвал его «классически не описываемой двухзначностью»³⁶. Через год голландские физики Джордж Уленбек и Сэмюель Гаудсмит объяснили некоторые тонкости конкретного свойства эмиссионного спектра водорода, которое они и определили как спин³⁷.

Частицы ведут себя по-разному в зависимости от своего спина. И, как почти всегда в мире квантовой механики, это свойство проявляется на квантовом уровне. Частицы с полуцелым спином, такие как электрон, протон и нейтрон, следуют принципу запрета. А частицы с целым спином, такие как фотон или частица света, – нет. Им нравится быть вместе. Идея спина позволила создать новую интересную форму для атомной модели Бора, поскольку электрон, обладающий полуцелым спином, может иметь лишь два спиновых состояния: направленные вверх и вниз. Спин, направленный вверх, будет выстраивать пару со спином, направленным вниз, на каждой атомной орбите, и участники этой пары не будут подпускать на свою орбиту никого другого.

Однако эта конструкция начала распадаться уже в 1929 году, когда несколько экспериментов показали, что ядро азота имеет общий спин, равный 1, и, соответственно, не следует принципу запрета³⁸. Кроме того, возникало противоречие с принципами протонно-электронной модели ядра, согласно которым ядро азота должно содержать 14 протонов и 7 электронов – всего 21 частицу с полуцелым спином. Соответственно, не было и никакой возможности расставить нечетное количество спинов c полуцелым значением так, чтобы в итоге возникал спин с величиной, равной 1. К примеру, 10 спинов могли быть направлены вверх, а другие 10 – вниз, аннулируя, таким образом, влияние друг друга, однако последняя оставшаяся частица все равно создавала величину спина, равную половине целого значения.