Наука и жизнь, 2000 № 02 - [25]

Законы сохранения энергии и импульса были открыты на основе анализа измерений этих величин для тел, участвующих в различных (механических, тепловых, электрических) процессах. Но теперь мы понимаем, что эти законы — всего лишь следствие более глубоких свойств симметрии пространства и времени. В 1918 году Эмми Неттер, немецкий математик, доказала, что, если время однородно, энергия замкнутой системы с неизбежностью будет оставаться неизменной, то есть и миллиарды лет назад, и сейчас, и в будущем интенсивности взаимодействия не меняются: например, два заряда всегда отталкиваются с одинаковой силой. Импульс системы неизбежно сохраняется постоянным, если однородно пространство, то есть интенсивность взаимодействия не зависит от того, где находится система: и в Солнечной системе, и в окрестности Бетельгейзе созвездия Ориона притяжение двух тел определяется одной и той же гравитационной постоянной. Более того, из теоремы Неттер следует, что всякой симметрии (равноправию) в уравнениях, описывающих взаимодействие, обязательно соответствует некоторая сохраняющаяся физическая величина. Не так ли и в обществе людей: в равноправных (демократических) обществах существуют незыблемые законы, сохраняющие ценности общежития, а в недемократических — что позволено одним, то порой запрещено другим.

Долгое время считалось, что атомное ядро распадается на две части: дочернее ядро и электрон. В этом случае в каждом акте распада электрон должен уносить вполне определенную энергию, пропорциональную его массе. Электронный спектр такого распада (кривая, характеризующая число электронов данной энергии) должен выглядеть как «палка» (энергия всех электронов одинакова), несколько размытая из-за тонких квантовых эффектов и неточности измерительной аппаратуры (а).

На практике, однако, оказалось, что спектр имеет размытую колоколообразную форму (б). Электроны, имеют разную энергию, причем значительно меньшую, чем ожидалось. Это противоречило законам сохранения энергии и импульса и повергло исследователей в шок.

Нильс Бор был уже готов признать за элементарными частицами «право» нарушать законы сохранения.

Правда, оставалась надежда уладить проблему непрерывного спектра и без детективщины. Ведь каждому известно, что пропавшая вещь необязательно украдена. Вот и электрон мог при рассеянии на веществе просто потерять всю или долю приобретенной в распаде энергии по дороге к прибору, который ее измеряет. Проверка версии «рассеянного электрона» быстро установила, что, к сожалению, никакого алиби для β-распада нет и версия «потери» отпадает. Конечно, кое-какие потери энергии есть, но не такие значительные, чтобы превратить «иглообразный пик» в «широкий холм».

В наблюдаемой картине β-распада была и вторая большая неприятность — с законом сохранения углового момента. Например, в β-распаде ¹⁴С —>¹⁴N + e^- собственные угловые моменты — спины родительского и дочернего ядер равны нулю, а спин электрона равен 1/2. Как ни складывай (а складывать моменты надо умело — ведь это квантовые векторы), — 1/2 оказывается лишней.

Расследование по «делу о β-распаде» вели знаменитейшие физики, и направление поисков определялось их мировоззрением, то есть представлением о том, как устроен мир. Великий Нильс Бор наилучший выход видел в признании за микромиром права нарушать законы сохранения энергии и импульса в каждом отдельном акте столкновения или распада элементарных частиц. При этом он полагал, что известные для механики макромира законы сохранения устанавливаются только в результате суммирования импульсов и энергий по огромному числу элементарных процессов в макроскопическом объекте.

Много было и других смелых идей, но единственно правильную выдвинул швейцарец Вольфганг Паули.

В конце 1930 года на конференции физиков в Тюбингенском университете огласили письмо Паули от 4 декабря. Оно было адресовано Гансу Гейгеру и Лизе Мейтнер, но предназначено для всех участников:

«Дорогие радиоактивные дамы и господа. Я прошу Вас выслушать со вниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего это письмо. Он расскажет Вам, что я нашел отличное средство для закона сохранения и правильной статистики. Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц… Непрерывность β-спектра станет понятной, если предположить, что при β-распаде вместе с каждым электроном испускается такой «нейтрон», причем сумма энергий «нейтрона» и электрона постоянна…»

Письмо заканчивалось так:

«Не рисковать — не победить. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного β-спектра становится особенно яркой после слов проф. Дебая, сказанных мне с сожалением: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Следовательно, необходимо серьезно обсудить каждый (подчеркнуто мной. — В. Н.) путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, подвергните это испытанию и судите».

Может быть, приведенный здесь текст письма и недостаточно точен из-за двойного (немецко-англо-русского) перевода. Но за шутливым словесным нарядом мы безошибочно различаем тревожный звук, ощущаем какую-то драму: «… и судите». Казалось бы, найдена прекрасная идея. Впору на весь ученый мир победно повторить знаменитое архимедово — «Эврика!» Но Паули чувствует, что, оберегая один важнейший принцип, он нарушает другой: «Entia non sunt multiplicianda praeter necessitatem» («Сущности не следует умножать без необходимости» — эта философская максима сформулирована в XIV веке Уильямом Оккамом). Бритва Оккама — инструмент нравственного запрета, и подать пример его нарушения означало бы открыть дорогу околонаучным шакалам, которым «все дозволено».