В конце октября Паули отправился через Атлантический океан в Рим, чтобы посетить конференцию, которую организовал новый влиятельный игрок в мире физики – Энрико Ферми. Сэмюель Гаудсмит, один из первооткрывателей спина, который также присутствовал на конференции, позднее описывал ее как «первую встречу, посвященную теме ядерной физики». А прибытие Паули через день или два после начала послужило отличным примером уже ставшего к тому времени легендарным «эффекта Паули». Гаудсмит вспоминал, что «он вошел в зал в тот самый момент, когда я произнес его имя! Это было настоящим волшебством! Когда я сказал об этом, вся аудитория разразилась смехом»
48
Всю жизнь Паули преследовали странные совпадения. Казалось, что в его присутствии все ломается и вечно происходят несчастные случаи, причем все эти бедствия никогда не приносили никаких неудобств самому Паули
49
даже достаточно прагматично настроенные физики-экспериментаторы были убеждены, что Паули вызывает какие-то странные эффекты. В частности, они верили, что один факт его присутствия в лаборатории может привести к всевозможным сбоям в ходе экспериментов… По этой причине его друг [со времен работы в Гамбурге, лауреат Нобелевской премии] Отто Штерн, мастер работы с молекулярными пучками, никогда не позволял Паули входить в свою лабораторию…
Сам Паули так же искренне верил, что с ним действительно связан какой-то эффект. Как-то раз он рассказал мне, что заранее почувствовал приближение какой-то неприятности, а когда она наконец произошла – одна в череде многих! – он испытал странное чувство освобождения и просветления
50
.Возможно, самый знаменитый подобный пример – случай, когда у нобелевского лауреата Джеймса Франка, работавшего в немецком Геттингене, без каких-либо видимых причин отказал один из элементов оборудования. Франк полагал, что Паули в этот момент находился в Швейцарии, и в письме ему высказал ироническое предположение, что в данном случае Паули уж точно никак не мог повлиять на случившееся. Однако Паули ответил, что как раз в названный день ехал в Копенгаген и его поезд сделал короткую остановку в Геттингене именно в момент поломки!
51
52
Энрико Ферми был на год моложе Паули. Впервые они встретились в Геттингене в 1923 году, когда оба учились у Макса Борна. К 1930 году Ферми собрал вокруг себя группу молодых воодушевленных ученых, получившую название «Парни с улицы Панисперна» (I ragazzi di Via Panisperna) – в честь улицы в Риме, где располагался их институт. Ферми обладал практическим складом ума (в отличие от Паули) и умел глубоко вникать в детали. Ферми был одним из немногих великих теоретиков, который также занимался прорывными экспериментами и был открыт для новых идей.
Он пригласил Паули рассказать о «его» новой частице на конференции, однако Паули «все еще сохранял осторожность и не выступал публично в Риме… ограничиваясь лишь частными беседами» («Ужасная ситуация, – жаловался он. – Мне пришлось пожимать руку Муссолини!»
53
54
Вернувшись домой в Цюрих, Паули достиг нового дна в ночных приключениях, выпивке, вечеринках и драках. Он стал настолько сварливым в отношениях со своими коллегами, что ему пригрозили увольнением из ETH
55
Что можно сказать об упорном ученом-рационалисте, создававшем в своем воображении и фантазиях одну мандалу за другой? Ему было необходимо проконсультироваться с психиатром. Он был на грани потери рассудка из-за того, что его вдруг начали атаковать самые удивительные мечты и видения… Придя ко мне на первую консультацию, он находился в настолько паническом состоянии, что не только он сам, но и я почувствовал дуновение ветерка из психиатрической лечебницы
56
.Тем не менее, понимая, что он имеет дело с экстраординарной личностью, мышление которой наполнено «архаическим материалом», Юнг решил «провести интересный эксперимент и получить совершенно чистый материал, без какого-либо влияния с моей стороны»
57
58
Наука в этот период активно двигалась вперед. В феврале 1932 года, примерно в то же время, когда Паули начал посещать психотерапевта, Джеймс Чедвик открыл нейтрон
59
слово «нейтрино», забавное и грамматически неверное сокращение итальянского слова neutronino («крошечный нейтрон»), вошло в международный словарь благодаря Ферми
60
.Начался взрывной рост физики элементарных частиц. В августе 1932 года Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института открыл позитрон в потоке космических лучей, падающих на Землю
61
* * *
Физика космических лучей – это огромная и чрезвычайно уважаемая область науки, которая тесно связана не только с физикой частиц, но и с ядерной и квантовой физикой. Кроме того, физика космических лучей обеспечивает надежное жизненное пространство для развития нейтринной астрономии. До середины 1950-х годов, когда на сцену вышли ускорители элементарных частиц, физика космических лучей служила своего рода питательным бульоном для множества прорывов в ядерной физике и физике частиц. Отличными примерами могут служить сделанное Андерсоном открытие позитрона, оказавшее самое серьезное влияние на нейтринную физику, а также принадлежащее ему же открытие мюона, тесно связанное с изучением нейтрино.
Физика космических лучей родилась в 1912 году, когда австрийский физик Виктор Гесс произвел с помощью водородного аэростата первые измерения на высоте около пяти километров. Эти измерения доказали повсеместное присутствие «ионизирующего излучения», которое постоянно проникает из космоса в атмосферу, а через нее и в наши тела и в глубь планеты
62
можетВозможно, величайшим физиком, изучавшим космические лучи, можно считать француза Пьера Оже, который как-то назвал ранних первопроходцев науки «альпинистами, шахтерами, ныряльщиками и воздушными гонщиками»
63
Невозможно даже перечислить все места, в которых могут проводиться измерения. Как-то я услышал великолепную историю, которую рассказал один русский физик, читавший лекцию по-французски: «Я замерял излучение в море и в горах; я измерял его на дне озер и в верхних слоях атмосферы, в соляных и угольных шахтах, в самых глубоких пещерах. И, наконец, я смог измерить его en fer [франц. «в аду»]». Разумеется, он желал сказать: dans le fer [франц. «в железе»]!
64
Полевые исследователи и в наши дни работают в удаленных и труднодоступных местах. Один серьезный эксперимент проводится сейчас на Тибетском нагорье, а другой – на высоте четырех километров на склонах мексиканского вулкана. Обсерватория имени Пьера Оже, названная в честь легендарного ученого-первопроходца, располагается на площади, примерно равной размеру штата Род-Айленд, на обширном высокогорном плато Пампа-Амарилья на западе Аргентины.
* * *
Позитрон Андерсона был первой так называемой античастицей (в данном случае «анти» по отношению к электрону. Позитрон имеет ту же массу и спин, но при этом положительный электрический заряд). (Антиматерия не так уж экзотична, как может показаться. Абрахам Пайс указывает, что «это такая же материя, ничуть не в меньшей степени, чем известная нам»
65
66
67)
Поначалу Дирак не очень понимал, как именно интерпретировать свое творение, поскольку оно содержало абсурдное предсказание о том, что электрон может обладать отрицательной энергией. Однако эта математика вполне подходила для случая, когда обсуждаемая частица обладает позитивным электрическим зарядом и может обладать положительной энергией. После размышлений, продолжавшихся несколько дней, Дирак в 1931 году выдвинул предположение о существовании «антиэлектрона» с позитивным зарядом
68
В 1927 году Дирак внес еще один теоретический вклад, позволивший развить идею нейтрино. Он применил новую квантовую теорию к случаю взаимодействия атома с электромагнитным полем, предложив, таким образом, первую теорию «квантовой электродинамики»
69
70
71
Поскольку новые открытия следовали одно за другим, организаторам конференции пришлось несколько раз на ходу менять повестку дня. На конференции присутствовали многие важные действующие лица эпической саги о бета-лучах – такие как Эрнест Резерфорд, Лиза Мейтнер, Джеймс Чедвик и Чарльз Драммонд Эллис
72
Здесь же была и Мари Кюри – «королева радиоактивности» (в следующем году она умерла от лейкемии, вызванной облучением), а также ее дочь и зять, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, – оба супруга к тому времени уже сделали собственную успешную научную карьеру. Им удалось обнаружить нейтрон и позитрон в своих лабораториях еще до открытия этих частиц Чедвиком и Андерсоном, однако они так и не поняли, что именно им удалось открыть.
Удача начала поворачиваться лицом к Жолио-Кюри в Брюсселе, когда они представили первые проблески одного из самых примечательных открытий XX века – явления ядерного распада, «расщепления атома», которое через 13 лет обеспечит начинкой атомную бомбу. Они начали бомбардировать тонкие листы алюминия и бора альфа-частицами, иными словами – ядрами атома гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов. В результате им удалось создать первые искусственные радиоактивные субстанции: нестабильные изотопы фосфора и углерода. Однако, как и во многих других случаях, супруги Жолио-Кюри к моменту конференции еще не до конца осознали, что им удалось создать эти изотопы, – и как раз обсуждения в Брюсселе позволили им прийти к полноценному открытию примерно тремя месяцами позже. Однако они представили свидетельства, крайне важные для открытия нейтрино: новую форму бета-распада, создававшую позитрон вместо электрона
73
Фосфор располагается на две позиции правее алюминия в периодической таблице элементов: в его ядре на два протона больше. Жолио-Кюри удалось заставить ядро атома алюминия принять оба протона из альфа-частицы. Созданный ими искусственный фосфор затем выпустил один позитрон и превратился в кремний, располагающийся в таблице между алюминием и фосфором. Теперь мы уже знаем, что при такой форме бета-распада протон заменяется нейтроном и, таким образом, в результате распада возникает элемент, находящийся на предыдущем месте в периодической таблице, – в прежнем процессе нейтрон менялся на протон и появлялся следующий элемент. Электрический заряд сохраняется в каждом из этих случаев, поскольку возникновение позитрона компенсирует исчезновение протона в процессе, использованном Жолио-Кюри, в то время как в изначальном процессе возникновение электрона компенсировало появление протона.
Следующий элемент ясности в идею Паули добавил Чарльз Драммонд Эллис. Можно сказать, что он забил последний гвоздь в гроб альтернативной гипотезы бета-распада, предложенной Нильсом Бором. Как мы помним, Бор предположил, что принцип сохранения энергии может не выдерживаться в отдельных случаях распада, однако работает в процессе в целом. Это предполагало, что высокие значения в спектре энергии бета-электронов будут встречаться редко, однако у спектра не будет четкой верхней границы. В ходе конференции Эллис и его ученик У. Дж. Хендерсон представили результаты, согласно которым спектр энергии все же имел верхнюю границу, причем именно там, где она ожидалась по итогам обсуждений энергии массы
74
в среднем —открыли75
Сложив все эти новые открытия в одну картину, Паули понял, что обе формы бета-распада представляют собой еще одну проблему с точки зрения сохранения энергии. Он подумал о спине, который требовал излучения нейтрино: если вы помните, каждая частица, вовлеченная в любую из форм бета-распада, обладает полуцелым спином. К примеру, если в процессе Жолио-Кюри протон в нестабильном ядре атома фосфора меняется на нейтрон и происходит излучение одного лишь позитрона, возникает еще один полуцелый спин: два полуцелых спина могут вместе создать значение, равное 1 или 0, но не изначальное полуцелое значение.
Однако в случае, когда происходит также выброс нейтрино со значением спина, равным 1/2, спин сохраняется. Через много лет Паули писал
76
С учетом этой новой ситуации мое желание отложить публикацию представляется излишним… я отказался от своих идей в отношении нейтрино (как эта частица называется теперь) в ходе дискуссии на конференции
77
.Крошечная частица еще не окончательно родилась, однако по прошествии трех лет можно было сказать, что она хотя бы была зачата. К тому времени и сознание ее первооткрывателя вновь обрело ясность.
* * *
Психотерапевтические сеансы Паули у молодой женщины-врача продолжались пять месяцев, «а затем в течение еще трех месяцев он работал над собой самостоятельно», пишет Юнг, «пунктуально отслеживая собственное бессознательное. В этом деле он был очень талантлив»
78
Через шесть месяцев после конференции Паули вступил во второй, более успешный брак, который сохранился до конца его жизни. Еще через несколько месяцев завершилась и его терапия, однако они с Юнгом сохранили дружеские отношения. По просьбе психолога Паули продолжал записывать свои яркие и примечательные сны – всего таких записей было сделано больше тысячи («они содержали совершенно сказочные серии архетипических образов», сообщает Юнг
79
80
Они переписывались до конца жизни Паули и часто встречались вечерами для бесед в доме Юнга на берегу Цюрихского озера. Психологическое выздоровление (на юнгианском языке – индивидуация) Паули и его идеи о нейтрино привели к серьезному перевороту в его научной деятельности. Разумеется, Паули, как и прежде, вносил большой вклад в чистую физику, однако при этом он начинал постепенно превращаться в натурфилософа в традициях Ньютона, Кеплера и средневековых алхимиков, чрезвычайно интересовавших Юнга.
И психолог Юнг, и физик Паули считали традиционный научный подход к познанию природы неполным. Они принялись искать пути для его развития
81
82
Возможно, самая революционная особенность квантовой механики – это знаменитая «неотделимость наблюдателя от наблюдаемого объекта», поскольку она предполагает отсутствие так называемой объективной реальности (Эйнштейн считал это следствие теории особенно неприятным). То, что именно человек наблюдает, зависит от того, как именно он это делает, и сам факт наблюдения неминуемо меняет состояние наблюдаемой системы. Однако в области квантовой механики наблюдатель все еще отчужден от объекта: неотделимость носит лишь физический характер и связана лишь с вещами типа того, как настроен аппарат измерения.
Паули подозревал, что теория в этом направлении продвинулась недостаточно далеко и что «наблюдатель в физике наших дней все еще полностью отчужден»
83
84
В 1952 году Паули и Юнг стали соавторами книги «Интерпретация природы и психе» (The Interpretation of Nature and Psyche)
85
86
Собственная монография Паули под названием «Влияние архетипических представлений на формирование естественнонаучных теорий у Кеплера»
87
Готовя свою концепцию к печати и обретая свою индивидуацию, Паули несколько отвлекся от дальнейшего развития идеи нейтрино. Однако его безумное дитя готовило Паули еще один большой удар.