Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Проте тут є одна проблема. Її найпростіше побачити, якщо на мить уявити, що протон та електрон мають рівну масу. Тоді, якщо протон після розпаду нестиме більше енергії, ніж електрон, він рухатиметься швидше за електрон. Але якщо їхні маси однакові, протон також матиме більший імпульс, ніж в електрона. Проте якщо нейтрон розпадається в стані спокою, його імпульс перед розпадом буде нульовим, тож імпульс вихідного протона має скоротити імпульс вихідного електрона. Утім, це можливо лише тоді, коли вони мають однакові імпульси й рухаються в протилежних напрямках. Отже, величина імпульсу протона ніяк не може бути більшою за імпульс електрона. Коротше кажучи, якщо ці дві частинки після розпаду мають однакову масу, їхні енергія та імпульс можуть набувати лише якогось одного значення.

Аналогічне розмірковування, хоча й трохи більш математично навантажене, справедливе й для випадку, якщо протон та електрон мають різні маси. Якщо в результаті розпаду нейтрона утворюються лише ці дві частинки, їхні швидкості, а отже, і їхні енергії та імпульси повинні мати певні унікальні фіксовані значення, які залежать від співвідношення їхніх мас.

Як наслідок, якщо електрони, отримані при бета-розпаді нейтронів, виникатимуть, маючи цілий діапазон різних енергій, це порушуватиме закони збереження енергії та імпульсу. Проте, як я тонко натякнув вище, це справедливо лише для випадку, коли електрон і протон – єдині частинки, що виникають у результаті нейтронного розпаду.

Знов-таки, 1930-го, лише за кілька років до відкриття нейтрона, видатний австрійський фізик-теоретик Вольфганг Паулі написав колегам зі Швейцарського федерального технологічного інституту листа, що починався з безсмертного заголовка «Шановні радіоактивні леді й джентльмени», у якому вчений окреслив варіант розв’язання цієї проблеми, який він, за його ж власними словами, не вважав «достатньо обґрунтованим для публікації». Паулі висунув ідею існування нової електрично нейтральної частинки, яку назвав нейтроном, і що при бета-розпаді, крім електрона й протона, утворюється ще й ця нова нейтральна частинка, тож електрон, протон і ця частинка разом узяті можуть розділяти між собою наявну в результату розпаду енергію, що призведе до неперервного спектра.

Паулі, який пізніше здобув Нобелівську премію за «принцип виключення» у квантовій механіці, не був дурнем. Мало того, він не терпів дурнів. Про нього казали, що під час лекцій він підбігав до дошки та забирав у доповідача крейду, якщо вважав, що той каже якусь нісенітницю. Він міг піддавати нищівній критиці теорії, які йому не подобалися, а найстрашнішу критику приберігав для ідей, які були настільки нечіткі, що, за його словами, були «навіть не неправильними». (Коли я викладав у Єлі, один мій любий старий колега, видатний математичний фізик Феза Гюрсі, одного разу на запитання про значення оголошення про якусь занадто роздуту ідею, що її висунули якісь науковці, котрі гналися за популярністю, відповів так: «Це означає, що Паулі, скоріш за все, помер»).

Паулі розумів, що ідея нової елементарної частинки, яку ніхто ще не спостерігав, була до крайнощів умоглядною, і у своєму листі писав, що існування такої частинки малоймовірне, оскільки її, по-перше, ніхто не бачив, а отже, вона мала б слабко взаємодіяти з матерією, а по-друге, вона мала б бути дуже легкою, щоб виникати разом з електроном з огляду на те, що доступні за бета-розпаду енергії настільки малі порівняно з масою протона.

Перша проблема, що виникла з його ідеєю, стосувалася назви, яку він обрав. Після того, як 1932 року Чедвік експериментально відкрив частинку, яку ми нині звемо нейтроном, що підходить для нейтрального побратима протона з порівнянною масою, гіпотетична частинка Паулі потребувала іншої назви. Рішення 1934 року віднайшов блискучий італійський фізик і колега Паулі Енріко Фермі, змінивши назву на «нейтрино» – італійський каламбур, що означає «маленький нейтрон».

На відкриття нейтрино Фермі піде двадцять шість років – достатньо часу для цієї маленької частинки та її важчого побратима нейтрона, аби змусити фізиків повністю переглянути свої погляди на сили, що керують космосом, природу світла й навіть природу порожнього місця.

Фізика Енріко Фермі практично широкий загал не оспівує, проте все одно лишається одним із найвидатніших учених ХХ століття. Вони з Річардом Фейнманом вплинули на мої власні установки й підходи до цієї царини, а також на моє власне її розуміння більше за будь-які інші визначні постаті. Шкода, що я не настільки обдарований, як вони.