Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия
Теория гласила, что минимальный размер, необходимый для так называемого потенциала открытия, то есть результативного наблюдения за экзотическими космическими объектами, способными излучать нейтрино, составляет около одного кубического километра. Проект AMANDA должен был проверить концепцию IceCube и протестировать принципиальную возможность увидеть нейтрино в глубине антарктического льда. Помимо этого, проект был полигоном для испытания технологий, которые можно было использовать в более крупном инструменте. А еще он давал возможность изучить Восточно-Антарктический ледниковый щит толщиной более трех километров – и это тоже была не такая уж легкая задача. В проекте AMANDA использовались потрясающие технологии, особенно это касается бура Брюса Коси.
Несмотря на небольшое число участников, уже в то же время AMANDA могла похвастаться некоторыми значительными параметрами. Команда работала над проектом уже около восьми лет. Область мониторинга представляла собой ледяной цилиндр диаметром 120 метров и высотой 500 метров (чуть выше Эйфелевой башни), находившийся на глубине полутора километров от поверхности – всего примерно шесть миллионов тонн льда.
* * *Вскоре я обнаружил, что далеко не все участники союза AMANDA столь же дружелюбны, как Боб и Фрэнсис. В ночь накануне весенней встречи ее организатор Стивен Барвик, профессор из Ирвайна, устраивал для приехавших гостей вечеринку. Когда я, прощаясь, поблагодарил его за прием, Стив сообщил мне, что нескольким участникам союза не нравится идея моего присутствия на собрании и что меня не допустят. Я могу участвовать в открытом семинаре, однако сейчас мне придется немного притормозить и подождать несколько дней, пока он начнется. Я попытался рационально осмыслить свое разочарование, и мне пришло в голову, что самые интересные разговоры обычно происходят в кулуарах подобных мероприятий, особенно после пары глотков чего-нибудь горячительного.
И действительно, после вечеринки мы зашли с Фрэнсисом Халзеном в бар нашей гостиницы, чтобы пропустить еще по одной на сон грядущий. Крепко сложенный и моложавый Фрэнсис показался мне одним из счастливейших людей, которых мне только доводилось видеть. Он сам подошел ко мне на вечеринке – просто так, без особого повода.
Фрэнсис не любит долгих монологов. Обычно он разговаривает афоризмами-недомолвками, подмигивая при этом; он любит собеседников, способных правильно понять его шутки. Один из его старейших коллег и друзей, Том Гайссер из Делавэрского университета, говорит, что комментарии Фрэнсиса во время телефонных конференций напоминают «изречения оракула или сивиллы»: они всегда двусмысленны и часто помогают разговору сдвинуться с мертвой точки. В своих размышлениях Фрэнсис часто на два-три шага опережает остальных. Он говорит глубоким голосом с сильным фламандским акцентом и часто предваряет свою основную мысль словами «возможно, я не должен этого говорить, поскольку это, очевидно, следует из уже сказанного мной» – хотя, например, для меня это было совершенно не очевидно. В общем, он понравился мне с первых секунд.
Порой нам представляется, что физики постоянно погружены в размышления, а синапсы и нейроны в их мозге напряженно ищут решения разных загадок. Именно такое волнующее и приятное ощущение чаще всего возникает на собраниях участников проекта, и кажется, что именно Фрэнсис здесь расцветает больше всех остальных. В те дни его научные размышления становились кульминацией собраний. Он рассказывал о некоторых своих недавних озарениях, причем новые идеи рождались в его голове настолько быстро и были такими яркими, что он просто не успевал закрыть рот. Он напоминал двигатель, сжигающий слишком много кислорода вместе с топливом, а его слова были словно внезапные резкие хлопки такого мотора.
Тем вечером, пока мы выпивали, он завел со мной одну из своих типичных игр, в которых всегда опережал собеседника на несколько шагов. Он убедил меня в том, что, хотя проект AMANDA и не смог пока обнаружить ни одного полноценного нейтрино, лучшая часть истории уже позади и главное открытие уже сделано: этот инструмент в самом деле может работать! Уверенность в этом появилась у Фрэнсиса уже два года назад, когда участники проекта поняли, что глубинный лед под полюсом обладает чрезвычайной степенью чистоты. Для такого теоретика, как Фрэнсис, все остальное было второстепенными деталями; в тот момент уже стало очевидным, что инструмент будет работать. Потребовалось два года на то, чтобы убедить в этом остальных членов физического сообщества – не говоря уже о некоторых упорствующих участниках проекта, – однако семинар, который должен был начаться через несколько дней, был признаком того, что сообщество (в том числе критически важные для успеха проекта спонсоры) было готово одобрить строительство IceCube.
По словам Фрэнсиса, это был исторический момент. Мечта о нейтринном телескопе витала в воздухе уже около 40 лет, с конца 1950-х. За прошедшие десятилетия предпринимались несколько попыток его построить, и ученые продолжали неторопливо обсуждать еще пару других вариантов решения этой задачи, однако именно проект AMANDA первым доказал свою перспективность и обещал какие-то реальные результаты.
Фрэнсис пару раз упомянул в разговоре слово DUMAND. В течение недели я уже множество раз слышал эту аббревиатуру слов Deep Underwater Muon and Neutrino Detector – «глубоководный детектор мюонов и нейтрино». Это была первая известная – и, к сожалению, печально известная – попытка воплотить в жизнь идею нейтринного телескопа. Генетические следы этой идеи до сих пор можно проследить повсюду в области нейтринной астрономии. Несколько ветеранов DUMAND затем работали на AMANDA, и как минимум один из них до сих пор работает на IceCube. Этот недостаточно хорошо продуманный проект, получивший первое финансирование в 1980 году, предполагал, что нейтринный телескоп будет размещаться на глубине пяти километров на дне Тихого океана, в 30 км от побережья острова Гавайи, и использовать в качестве среды для обнаружения нейтрино не лед, а морскую воду. В 1996 году, после долгой серии неудач, проект DUMAND был закрыт. За 16 лет своего существования ему удалось обнаружить (хотя даже это оспаривается) одно восходящее нейтрино10. Другие конкурирующие проекты также предполагали использовать воду в качестве рабочей среды.
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 МилликенЧастица, 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.