Текст книги "Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей"

Нейтрино играют ведущую роль во множестве событий, которые сегодня разворачиваются в физике, космологии, астрономии. Неудивительно, что ученые не покладая рук охотятся за этими крошечными частицами. За последние 20 лет в разных уголках земного шара были поставлены нетривиальные эксперименты, связанные с изучением нейтрино. Охота на нейтрино разыгрывалась и в глубокой никелевой шахте в провинции Онтарио, и в туннеле, насквозь пронизывающем горный массив в центральной Италии, и на свалке ядерных отходов в штате Нью-Мексико, и в бухте Южно-Китайского моря.

Самой неординарной ловушкой для нейтрино остается комплекс «Ледяной куб» – крупнейший в мире нейтринный телескоп, на строительство которого было потрачено около $270 млн. Запуск обсерватории воплотил мечты, которые всю жизнь лелеял талантливый ученый Френсис Хальцен, вставший во главе этого проекта.

Хальцен вырос в Бельгии и в молодости мечтал стать школьным учителем. Однако в университете он всерьез увлекся физикой и полностью посвятил себя науке. Проработав несколько лет в CERN, Хальцен перебрался в Висконсинский университет Мэдисона, где около 40 лет занимал должность профессора. Занимаясь теоретической физикой, Хальцен сначала исследовал некоторые проблемы квантовой механики, но в середине 1980-х заинтересовался нейтрино. О том, что в Антарктике все активнее ведутся исследования, связанные с нейтрино, Хальцену поведали коллеги из Канзасского университета, когда он выступал там с лекцией. Хальцен узнал, что советские ученые, работающие на одной из полярных станций, пытаются фиксировать электрические вспышки, возникающие в результате столкновения космических нейтрино с полярным льдом; для чего используют радиоантенны. Хальцен счел подобный эксперимент очень интересным и, заручившись помощью двоих сотрудников, взялся рассчитать, насколько сильными могут быть такие сигналы. Результаты оказались неутешительными: выяснилось, что радиоимпульсы от большинства таких «толчков» слишком слабы, чтобы их зафиксировать. Группа Хальцена пришла к выводу, что советские эксперименты обречены на провал. Они решили, что скорее имеет смысл фиксировать вспышки света во льду, свидетельствующие о пролете нейтрино. Сам же Хальцен был убежден, что если разместить систему светочувствительных датчиков в толще антарктического льда, то такая установка будет отлично улавливать нейтрино, прилетающие из глубин космоса.

Хальцен загорелся идеей соорудить в Антарктиде совершенно новый нейтринный телескоп. Он связался по электронной почте с несколькими коллегами-физиками и поинтересовался, что они думают о подобном проекте. Среди тех, кто получил письмо Хальцена, был и Джон Лирнид, сотрудник Гавайского университета. Лирнид происходит из старинного новоанглийского рода, среди его предков был, в частности, один из генералов, участвовавших в Войне за независимость США. Детство Лирнида прошло на острове Статен-Айленд близ Нью-Йорка, лето он проводил на севере штата Нью-Йорк, у бабушки и дедушки. Как вспоминает сам Лирнид, ему нравилось чувствовать себя чужаком в обоих этих мирах: «В деревне меня считали городским, в городе – деревенским». В старших классах Джон трудился в школьной газете, а также работал на метеорологической станции, установленной прямо на крыше школы. Лирнид вспоминает, как однажды вызвался организовать передвижную естественно-научную выставку, «потому что это была отличная отмазка, чтобы не сидеть в классе». Позже, будучи студентом Бруклинской средней технической школы, Лирнид посещал множество практических курсов, которые помогли ему поднатореть в экспериментальной физике. Он продолжил обучение в аспирантуре Вашингтонского университета, где исследовал перспективы изучения в подводных установках космических лучей и составляющих их частиц. Лирнид сконструировал баркас, поставил его на якорь посреди озера Челан и погрузил детекторы частиц в глубокую чистую воду.

Окончив аспирантуру, он стал работать на исследовательской станции Эхо-Лейк в Скалистых горах, на территории штата Колорадо. Там он жил в деревянной хижине с женой и двумя детьми. Именно в этот период Лирнид серьезно заинтересовался нейтрино, а позже перебрался на Гавайи – там ученый надеялся развернуть огромную решетку подводных нейтринных ловушек прямо в тихоокеанских водах. Гавайские острова имеют вулканическое происхождение, поэтому океан здесь очень глубокий. Учитывая интересы и опыт Лирнида, неудивительно, что Хальцен решил проконсультироваться с ним насчет установки нейтринных датчиков в толще вековых антарктических ледников.

Коллеги обсудили достоинства хэлзеновского проекта. «Лирнид сразу же оценил потенциальные преимущества антарктического нейтринного телескопа», – свидетельствует Хальцен. Судите сами: полярный лед чистый, стабильный, стерильный, не пропускает свет, в нем не живут биолюминесцентные организмы, которые могли бы испортить эксперимент своими «световыми помехами». Наконец, во льду нет морской соли, а значит – и элементов, испускающих радиоактивное излучение в процессе распада (эти лучи легко спутать со следами нейтрино). Не менее важен был тот факт, что Национальный научный фонд США (NSF) уже имел исследовательскую базу в районе Южного полюса, поэтому мог оказать необходимую логистическую поддержку. Хальцен, воодушевившись энтузиазмом Лирнида и его помощью в моделировании детекторов, объявил об их общем проекте на конференции, состоявшейся в Польше, а также подробно описал будущую лабораторию в статье, вышедшей в 1987 г. Правда, на этом он и остановился, так как, будучи теоретиком, не имел опыта реализации таких масштабных экспериментов и не решался браться за столь титаническую задачу.

Хальцен вспоминает об одном телефонном разговоре, который состоялся примерно через год после этих событий: ему позвонил взбешенный чиновник из Национального научного центра. Клерк пожаловался, что двое молодых физиков, работавших в Калифорнийском университете города Беркли, пытались провезти в Антарктиду целую связку ФЭУ и вставить их в ледяную скважину, не имея на это официального разрешения. Чиновник спросил Хальцена, не он ли вбил парням в голову «эту безумную идею». Хальцен заверил собеседника, что слыхом не слыхивал о двоих физиках из Беркли, которые, очевидно, побывали в Польше на конференции, где Хальцен и Лирнид обсуждали свой проект.

Позже Хальцен вышел на контакт с группой коллег из Беркли, чтобы вплотную приступить к реализации идеи. Сначала ученые проверили ее осуществимость, опустив 200-метровый трос с тремя ФЭУ в скважину, пробуренную гляциологами во льду Гренландии. Затем они приступили к работе над пилотным проектом AMANDA[6]6
  AMANDA расшифровывается как «антарктический детектор мюонов и нейтрино». – Прим пер.


[Закрыть], профинансированным NSF. Работа развернулась в 1992 г., когда в Южном полушарии стояло лето. Физики позаимствовали технологию, которой пользуются при сверлении льда ученые-гляциологи: из бура, как из огромного душа, под давлением подается горячая вода, растапливающая лед и упрощающая тем самым бурение. Скважина не замерзает несколько дней; этого времени достаточно, чтобы опустить в нее кабель с датчиками.

В сочельник 1993 г. исследователи погрузили в лед первую партию ФЭУ. В этот вечер Хальцен был в Бельгии, встречал Рождество в семейном кругу. Как теоретик он не был обязан присутствовать на месте работ. Правда, и для Хальцена в этот вечер решалось очень многое; во время праздничного ужина он частенько поглядывал на экран ноутбука, проверяя, не пришло ли ему новое электронное письмо с Южного полюса. Позже Хальцен писал: «Достаточно сложно жить не отрываясь от телефона, постоянно связываясь с коллегами, работающими на другом конце света. Но если сознаешь, что ты – член большой команды, вместе с которой участвуешь в невероятном приключении, знаешь, что твои спонсоры и коллеги с нетерпением ожидают результата, а ты сам абсолютно не властен как-то повлиять на этот результат – то сложно придумать более изощренную пытку». Как только к столу подали десерт, Хальцену пришло сообщение о том, что установка успешно запущена.

Ликовать коллегам пришлось недолго, так как они почти сразу же столкнулись с неожиданными проблемами. В частности, ФЭУ регистрировали слишком много голубых вспышек от мюонов, порождаемых космическими лучами. Исследователи полагали, что под 800-метровый слой льда, где установлены датчики, не должны проникать мюоны, порождаемые космическими лучами. Те немногие мюоны, которые они рассчитывали зафиксировать на такой глубине, явно должны были высекаться нейтрино, приходящими снизу, с другой стороны Земли. На практике все оказалось иначе; по словам Хальцена, система регистрировала «какую-то бессмысленную мешанину». Но труднее всего оказалось справиться с пузырьками воздуха, заключенными в толще льда; они рассеивали нейтринные вспышки, из-за чего выявить сами частицы становилось гораздо сложнее. Оказалось, что на такой глубине пузырьков еще очень много, причем они были примерно в 50 раз крупнее, чем предполагалось в теории. Поэтому основной проект был отложен, а команда принялась продумывать необходимые доработки. Было принято решение бурить еще глубже, опуская датчики на полторы-две тысячи метров в толщу льда. На таких глубинах голубые вспышки, означающие встречу с нейтрино, должны были бы просматриваться лучше, поскольку высокое давление гарантированно вытесняло бы из этой толщи льда почти все пузырьки воздуха.

Эксперимент AMANDA продлился около 10 лет – с того момента, как была пробурена первая скважина и до окончательного закрытия. Тем временем Лирнид и коллеги после многолетних усилий отказались от проекта подводной нейтринной установки у гавайских берегов, поскольку столкнулись с серьезными техническими проблемами. Хальцен и его группа узнали много нового и о свойствах антарктического льда, и о способах обнаружения нейтрино. Опираясь на приобретенный опыт, команда приступила к созданию «Ледяного куба». Эта обсерватория должна была стать в 100 раз крупнее, чем ее предтеча – телескоп AMANDA. Строительство «Ледяного куба» началось в 2005 г.

«Ледяной куб» – чудо инженерной мысли, возведенный в экстремальных условиях. Как и AMANDA, этот антарктический проект приходилось полностью обеспечивать с Большой земли. Речь шла не только о запчастях, бурильном оборудовании, обслуживающем персонале, но и о доставке провианта и топлива. Для подвоза всего этого оснащения использовались грузовые самолеты Hercules C-130 на лыжном шасси. На последнем этапе пути – от станции Мак-Мердо на побережье Антарктики до Южного полюса (это расстояние составляет около 1500 км) – самолетами управляли пилоты ВВС США. Инженеры использовали специально изготовленный для проекта бур высокого давления. Из наконечника этого бура под напором подавалась горячая вода, такая установка должна была просверлить лед на глубину более 2 км. Потребовалось два дня непрерывной эксплуатации и более 18 000 л бензина, чтобы пробурить одну скважину, растопив почти 760 000 л льда. Когда ледяная шахта была готова, в нее аккуратно опустили стальной кабель с датчиками. Так, скважина за скважиной, сезон за сезоном, была «возведена» обсерватория «Ледяной куб». Работы проводились в период с ноября по февраль – в эти месяцы в Антарктиде наступает лето, солнце круглые сутки не заходит за горизонт и стоит сравнительно теплая погода.

Хальцен признается, что испытал «огромное облегчение», когда работы были завершены в декабре 2010 г. «Теперь, когда “Ледяной куб” готов, мы начинаем забывать, насколько рискованной и нетривиальной была эта затея. Я даже составил список всех этапов, на которых мне казалось, что проект вот-вот сорвется», – добавляет он. Работа велась на лютом холоде, на большой высоте (свыше 3000 м над уровнем моря) и в ужасающей изоляции – в таких условиях все риски чрезвычайно возрастали. Однажды в ходе строительства рабочий нечаянно ухватился за шланг, свешивающийся с бурильной вышки, и упал спиной на монолитный лед, когда этот шланг взмыл вверх. Пострадавшего потребовалось срочно доставить в Новую Зеландию для экстренного лечения, на полное восстановление потребовалось более месяца.

Стальной кабель опускается в толщу антарктического льда

(M. Krasberg/NSF)

Но тот риск, на который пошли Хальцен с коллегами, – строительство «Ледяного куба» – уже с лихвой себя оправдал. За первые два года эксплуатации обсерватории удалось зафиксировать два необычных нейтринных сигнала, обладавших беспрецедентно высокими энергиями. В 2012 г. на конференции, состоявшейся в Киото, выступил Ая Исихара – участник проекта «Ледяной куб», сотрудник японского университета Тиба. Исихара сообщил о двух этих «ПэВ-событиях», названных так потому, что они сопровождались выделением энергии порядка петаэлектронвольт (то есть квадриллион электронвольт). Этот показатель примерно в миллион раз превышает энергию массы протона. Такие невероятные величины поразили многих астрофизиков. Вот что сказал по этому поводу Спенсер Клейн, сотрудник Национальной лаборатории им. Лоуренса из города Беркли: «Энергия этих нейтрино в тысячи раз превышает ту, которую нам когда-либо удавалось сообщить нейтрино в наших ускорителях частиц».

Сначала исследователи решили проверить, не могут ли такие ПэВ-нейтрино возникать в результате столкновения высокоэнергетических космических лучей с атомами азота и кислорода земной атмосферы. По результатам дальнейших наблюдений и анализа эта гипотеза была отвергнута. Хальцен говорит: «По всей вероятности, эти явления не связаны с атмосферой – вот что самое интересное». Иными словами, чтобы разгадать природу этих бурных всплесков энергии, мы должны обратить внимание на очень далекие небесные тела. Исследователи полагают, что такие нейтрино могут быть отголосками мощных выбросов, извергаемых колоссальными черными дырами, что расположены в центрах галактик. Другое возможное объяснение – грандиозные взрывы, сопровождаемые мощными гамма-всплесками. Возможно, при таких событиях высвобождается даже больше энергии, чем при взрывах сверхновых.

Нейтринная обсерватория «Ледяной куб» в лунном свете

(E. Jacobi/NSF)

За последние два десятилетия астрономы подтвердили, что в центрах многих галактик – в том числе Млечного Пути – таятся гигантские черные дыры. От полюсов галактики к центру тянутся мощные потоки энергии. Ученые полагают, что такие потоки возникают именно под действием черных дыр, которые притягивают к себе вещество с периферии, а затем силой своих магнитных полей извергают часть этого вещества обратно в межзвездное пространство. Частицы, наполняющие эти потоки, развивают субсветовые скорости. Поэтому вполне возможно, что в таких потоках возможно присутствие высокоэнергетических нейтрино, вроде тех, что были зафиксированы в «Ледяном кубе». Исследователи полагают, что гамма-всплески могут знаменовать гибель самых массивных звезд, будучи при этом еще одним источником высокоэнергетических нейтрино. Такие всплески гамма-излучения были случайно открыты в конце 1960-х со спутников, разработанных для отслеживания гамма-излучения (которое могло возникать в результате секретных космических ядерных испытаний). Впоследствии гамма-всплески озадачили ученых на целые десятилетия. Последние исследования позволяют предположить, что гамма-всплески состоят из узких (остронаправленных) пучков очень быстрых частиц, испускаемых при гибели массивных звезд, впоследствии превращающихся в черные дыры или нейтронные звезды. Как бы то ни было, в «Ледяной куб», очевидно, попали частицы, прибывшие прямо с места подобных событий. Возможно, эти стремительные нейтрино помогут нам лучше понять одно из наиболее впечатляющих явлений природы.

«Ледяной куб» – самая экзотическая нейтринная лаборатория нового поколения, обладающая беспрецедентной чувствительностью к этим частицам. Некоторые подобные установки – сам «Ледяной куб», а также еще более грандиозная сеть уловителей, которая сейчас конструируется на дне Средиземного моря, – спроектированы специально для отслеживания нейтрино, прилетающих из глубокого космоса или образующихся при столкновении космических лучей с земной атмосферой[7]7
  Еще более крупный подводный нейтринный телескоп строится в России, на дне озера Байкал. – Прим. ред.


[Закрыть]. Существуют и нейтринные установки другого рода: например, в толще гор Икенояма в шахте Намиока в Японии установлен огромный детектор, сравнимый по размерам с собором[8]8
  Российская Баксанская нейтринная обсерватория, расположенная в Приэльбрусье в толще горы Андырчи, занимает объем многоэтажного здания. – Прим. ред.


[Закрыть]. Еще одна подобная установка, которая весит не меньше чем 5000 автомобилей, сокрыта в шахте на территории штата Миннесота. Этот уловитель измеряет потоки нейтрино, генерируемые ускорителями частиц, находящимися в сотнях километрах от Миннесоты. Наконец, следует упомянуть и об экспериментах третьего типа, которые ведутся, например, во французском местечке Шо и в бухте Дайя Бэй у берегов Китая. Здесь изучаются нейтрино, образующиеся при работе атомных электростанций.

Итак, все эти научные комплексы образуют внушительный арсенал современных охотников за нейтрино. Реализация этих проектов свидетельствует, что погоня за нейтрино, когда-то остававшаяся на периферии физической науки, сегодня вызывает всеобщий интерес. В следующих главах мы подробнее познакомимся с этими захватывающими исследованиями, а также проследим все их изумительные перипетии. Мы отправимся в дивную новую эпоху, которая, возможно, откроет нам величайшие тайны, касающиеся как мегамира, так и микромира. Не исключено, что эти знания заставят нас пересмотреть излюбленные современные теории о природе вещей. По ходу повествования мы познакомимся с людьми, посвятившими всю жизнь погоне за самой неуловимой из элементарных частиц. На страницах этой книги вы узнаете и о первых физиках-теоретиках, чьи базовые работы подвели науку к признанию самого факта существования нейтрино, и о современных экспериментаторах, стремящихся понять причудливые свойства этой частицы. Кроме того, мы вкратце обсудим героические начинания этих ученых и их удивительные жизненные пути.

Глава 2
Ужасный поступок

Первая треть XX в. была для физиков просто головокружительной эпохой. Мир стоял на пороге целых двух физических революций. Первая зарождалась на макрокосмическом уровне: специальная и общая теории относительности заставили человечество принципиально переосмыслить все, что было ранее известно о пространстве, времени, движении и гравитации. На уровне субатомного мира бурно развивалась новоиспеченная теория квантовой механики, открывавшая перед учеными причудливый мир, полный поразительных феноменов, где неопределенность правит бал, а парадоксы встречаются на каждом шагу.

Легендарный Альберт Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности в 1905 г., когда ему было всего 26 лет. В те времена он работал простым клерком в швейцарском патентном бюро. Нельзя сказать, что в основе этой теории лежали совершенно новаторские идеи: еще тремя веками ранее Галилей отмечал, что все движение относительно и состояния абсолютного покоя не существует. Именно поэтому, если корабль плывет с равномерной скоростью, то все физические тела у него на борту претерпевают такие же физические воздействия, как если бы корабль стоял на причале. Кроме того, этот принцип объясняет, почему нас не сдувает с поверхности Земли из-за того, что она вращается. Но Эйнштейн радикально расширил эту галилеевскую концепцию, предположив, что ход времени относителен, а скорость света – постоянна. Согласно теории Эйнштейна, свет в вакууме всегда перемещается с одинаковой скоростью, даже если бы вы попытались ее измерить, пролетая мимо источника света со субсветовой скоростью. С математической точки зрения ситуация именно такова, однако на уровне обыденного опыта она приводит к странным эффектам – в частности, чем выше скорость, с которой вы движетесь, тем медленнее для вас идет время. Если в будущем космонавт будет путешествовать со скоростью, составляющей 95 % скорости света, то и стареть он будет гораздо медленнее, чем его брат-близнец, оставшийся на Земле. Как это ни поразительно, ученые действительно доказали, что «замедление времени» – объективная реальность. Для этого потребовалось установить атомные часы на самолете, обогнувшем Землю, и сравнить время на них и на точно таких же часах, оставшихся на земле. Кроме того, этот феномен был многократно подтвержден, когда физики измеряли, как варьируется время жизни различных частиц с изменением их скоростей.

Спустя 10 лет после формулировки специальной теории относительности Эйнштейн представил миру общую теорию относительности, которая совершенно по-новому описывала принципы тяготения (гравитации). На 250 лет ранее Ньютон трактовал тяготение как силу притяжения между физическими телами. Его приближения по-прежнему вполне верны для решения большинства практических задач, даже для запуска космического корабля на Луну. Однако Эйнштейн в рамках своей общей теории относительности предложил рассматривать силу тяжести как геометрический феномен – искривление пространства-времени, возникающее под действием массы. Его величественные уравнения превосходят по точности законы Ньютона, так как отлично описывают физические законы, действующие и на сверхвысоких скоростях, и в условиях мощных гравитационных полей – подобных тем, что возникают в непосредственной близости от черных дыр. Более того, все затеи с GPS-навигацией даже в сравнительно слабом гравитационном поле Земли провалились бы с треском, если бы при их разработке не учитывались уравнения Эйнштейна. Часы на искусственных спутниках программируются инженерами с учетом феноменов специальной и общей теории относительности – именно поэтому спутниковые и наземные часы отсчитывают время совершенно синхронно.

В первой трети XX в. работала целая плеяда физиков – Макс Планк, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг – разрабатывавших основы квантовой механики. Эта дисциплина была призвана объяснить законы взаимодействия материи и излучения на субатомном уровне. Планк и другие полагали, что энергия передается в виде дискретных пучков, так называемых «квантов». Атомы поглощают или излучают кванты, в результате чего переходят, соответственно, на более высокий или более низкий энергетический уровень. Осознав этот факт, физики стали рассматривать материальный мир под совершенно новым углом. Классическая физика трактовала свет как волну, но теперь свет можно было описать и как поток частиц, называемых «фотонами». Кроме того, выяснилось, что элементарные частицы, например, электроны, проявляют и волновые свойства. Этот феномен получил название «корпускулярно-волновой дуализм». Концепция корпускулярно-волнового дуализма подразумевает, что в субатомном мире не существует четкой разницы между частицей и волной; напротив, электрон, фотон и другие частицы могут выступать то в одной, то в другой ипостаси. Такая теория позволила гораздо полнее описать взаимодействие между излучением и материей. Более того, Гейзенберг указал, что в квантовом мире царит постоянная неопределенность, не позволяющая полностью описать все свойства, которые присущи любой частице в каждый момент времени. Детерминизм классической физики на квантовом уровне не работает, уступая место статистическим вероятностным показателям. Квантовые эксперименты не оканчиваются строго определенными результатами, а лишь позволяют спрогнозировать вероятность того или иного результата. Для иллюстрации именно этого феномена Эрвин Шрёдингер предложил знаменитый мысленный эксперимент, получивший название «Кот Шрёдингера». Согласно этому эксперименту, кот, заключенный в герметичном ящике, в любой момент времени может быть как жив, так и мертв; наблюдатель сможет с определенностью узнать состояние кота, только если вмешается в эксперимент (откроет ящик). Следствия таких теоретических построений оказались настолько поразительными, что Нильс Бор якобы даже изрек: «Всякий, кто не был шокирован квантовой теорией, просто ее не понял».

Интересно отметить, что в этот период бурного расцвета физики теоретическая и экспериментальная наука развивались одинаково активно. Иногда эксперименты давали поразительные подтверждения теоретических прогнозов. Именно такой случай произошел в 1919 г., когда две группы астрономов, наблюдая солнечное затмение в разных точках земного шара, убедительно доказали: Солнце действительно искривляет свет, приходящий от далекой звезды, – в полном соответствии с общей теории относительности Эйнштейна. В других случаях те или иные экспериментальные данные удавалось адекватно объяснить при помощи новой теории. Например, Бор использовал концепцию квантования энергии, чтобы объяснить цвет спектральных линий атомов водорода при поглощении света этими атомами. Он предположил, что спектральные линии возникают при переходе электронов с одной орбиты атома на другую, причем эти орбиты в атомном ядре являются фиксированными. Сам Эйнштейн опирался на квантовую теорию, описывая, как свет, попадающий на определенные материалы, «высекает» из них электроны. Однако время от времени результаты экспериментов выявляли противоречия, и теоретикам ничего не оставалось, кроме как искать новые объяснения для этих природных феноменов.

На фоне столь бурных событий и были «придуманы» нейтрино. Физики буквально создали их на кончике пера, применив такую уловку, чтобы справиться с нараставшим кризисом в ядерной физике. Лишь много позже существование нейтрино было подтверждено экспериментально. Когда ученым не удалось установить, куда девается часть энергии, выделяющейся при бета-распаде, один ученый-теоретик решил, что необходимо «изобрести» новую частицу, наличие которой позволило бы устранить эту неувязку. Этим теоретиком-чародеем был дерзкий молодой гений, начинающий физик по имени Вольфганг Паули.

Паули родился в Вене в 1900 г. и вырос в атмосфере, где всегда приветствовалось обсуждение с детьми серьезных вопросов. Отец Паули был известным профессором-химиком, а мать – журналисткой, писала театральные рецензии, исторические эссе и политические статьи с социалистическим уклоном. У мальчика Вольфи было счастливое детство – он проводил время за играми с младшей сестрой, подолгу гулял в лесу, раскинувшемся неподалеку от дома, плавал в Дунае. В школе он пользовался авторитетом среди однокашников, а также с удовольствием подшучивал над учителями. Так, одного низенького учителя, который обладал способностью откуда ни возьмись очутиться прямо в компании школьников, Паули прозвал U-Boot (подводная лодка). По древнегреческому и латыни Паули успевал неважно, зато просто блистал на уроках математики и физики. Вскоре он стал скучать на школьных занятиях по естественным наукам, и отец выхлопотал Паули частные уроки, на которых молодой человек приступил к углубленному изучению физики.

Именно приглашенный отцом учитель познакомил юного Паули с общей теорией относительности Эйнштейна. Немногие физики в те годы понимали эту красивую, но революционную теорию, а тем более – ее невероятно глубокую подоплеку. Но Паули не составило труда с ней разобраться. Всего через два месяца после окончания средней школы он написал собственную научную статью на эту тему. Паули был твердо намерен сделать академическую карьеру в области физики и в 1918 г. отправился в Мюнхен учиться у Арнольда Зоммерфельда, одного из первопроходцев в нарождающейся науке – квантовой механике. Статья Паули, с которой ознакомился даже сам Эйнштейн, очень впечатлила Зоммерфельда. Он написал об этом одному коллеге, отмечая: «Я познакомился с изумительным представителем венской интеллектуальной элиты. Это молодой Паули – студент первого курса!»

Альберт Эйнштейн и Вольфганг Паули

(Pauli Archive, CERN)

За три года работы под руководством Зоммерфельда Паули защитил докторскую диссертацию в области квантовой механики. Затем по просьбе Зоммерфельда он подготовил обзорную статью по теории относительности для «Энциклопедии математических наук». Эта 240-страничная «статья» была позже опубликована как монография. Эйнштейн, прочитав шедевр Паули, восторженно отозвался о его труде: «Тот, кто будет читать эту зрелую и тщательно продуманную работу, вряд ли поверит, что ее автору всего 21 год. Не известно, чему следует удивляться больше: глубокому психологическому пониманию хода развития идей, безупречности математических выводов, глубокому проникновению в физическую сущность явлений, способности ясно и систематически излагать предмет, литературной эрудиции, полноте изложения, уверенности критика».

Вскоре Паули стал переписываться с ведущими физиками со всей Европы. Письма, которые он шутливо подписывал «Бич Божий», отличались остроумием и сарказмом, а также бескомпромиссной критикой.

Коллеги рассказывали, что Паули любил говаривать «Это не только неправильно, это даже не дотягивает до ошибочного!», развенчивая теории, которым явно не хватало строгости и проверяемых гипотез. Однажды, когда Эйнштейн выступил в Берлине с лекцией по теории относительности, маститые профессора, присутствовавшие в аудитории, несколько смутились – никто не решался первым задать вопрос. Тут поднялся Паули и беззастенчиво заявил: «То, что рассказал нам профессор Эйнштейн, не так уж и глупо, как может показаться на первый взгляд». В другой раз Паули сделал такое множество замечаний по поводу лекции, прочитанной Паулем Эренфестом (этот голландский физик был на 20 лет старше Паули), что сам Эренфест сказал ему: «Ваши статьи нравятся мне гораздо больше, чем вы сами!» Паули парировал: «Странно. Мои чувства к вам прямо противоположны!» Позже Паули и Эренфест стали друзьями, но не упускали случая обменяться колкостями. Разумеется, ершистый Паули многим не нравился, но он снискал уважение коллег не только за блестящий интеллект, но и за честность и прямоту. Ученые считали Паули «совестью физики» и часто интересовались «А что по этому поводу думает Паули?», когда знакомились с теми или иными новыми идеями.

Паули провел немало времени в Гёттингене и Копенгагене, где работал вместе с другими великими физиками, а затем стал научным сотрудником в университете Гамбурга. Работая в Гамбурге, 25-летний Паули сформулировал знаменитый принцип квантовой механики («принцип запрета»), который сегодня носит его имя. Принцип Паули критически важен не только для понимания свойств целого класса субатомных частиц, известных под общим названием «фермионы» (к которым относятся электроны, протоны и нейтроны), но также для описания внутренней организации звезд. Принцип Паули гласит, что никакие два фермиона в пределах одной квантовой системы не могут в один и тот же момент пребывать в одинаковом «квантовом состоянии» – то есть не могут обладать одинаковым спином и энергией. В субатомном мире этот принцип обусловливает структуру электронных оболочек внутри атомов: на одном и том же энергетическом уровне могут находиться не более двух электронов с одинаковым спином, поэтому другим электронам приходится заполнять новые энергетические уровни. В космическом масштабе принцип Паули объясняет, почему возникают белые карлики (сверхплотные звездные). В белый карлик превращаются такие звезды, как Солнце, когда они израсходуют все свое ядерное топливо и начинают сжиматься. Материя в белых карликах сжата настолько сильно, что на каждом энергетическом уровне уже сидит по паре электронов. После достижения такого предела сила гравитации уже не может сжать белый карлик еще сильнее (по крайней мере без радикального увеличения массы этого небесного тела), поэтому белый карлик не превращается в черную дыру. За открытие принципа запрета Паули спустя 20 лет получил Нобелевскую премию по физике, поскольку этот принцип позволяет объяснить самые разнообразные физические явления.