ЖИЗНЬ И ДЕЛО ЭТТОРЕ МАЙОРАНЫ
_{(Эпилог к 100-летию со дня рождения)}

    В ночь с 25 на 26 марта 1938 г. профессор Этторе Майорана (Ettore Majorana), занимавший кафедру физики Неаполитанского университета, сел на пароход, плывущий из Неаполя в Палермо. Пароход прибыл в Палермо уже без Майораны. Больше его никто не видел. Повидимому, он окончил свою короткую 32-летнюю жизнь, бросившись в прозрачные воды пролива, отделяющего Апеннинский полуостров от Сицилии. По личному распоряжению Муссолини поиски Майораны продолжались в течение полугода. Но он буквально “как в воду канул”.
    Научная деятельность Майораны длилась менее 10-ти лет (1928- 1937), но он навсегда вошёл в историю науки, благодаря двум провидческим работам в области физики. Он первым в начале 1932 гг. создал теорию атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, начав работать над ней ещё до открытия нейтрона. В основном же Майорана известен тем, что “изобрел” в 1937 г. абсолютно нейтральное (истинно-нейтральное) нейтрино, называемое теперь майорановским, и значение которого для физики нейтрино было осознано лишь почти 40 лет спустя. Майорана был неординарной личностью, способной (по словам Бруно Понтекорво) вызвать огромный интерес не только у физиков, но и у писателей. О нём написано, по крайней мере, две книги - одна в 1966 г., физиком, его другом Эдоардо Амальди (название этой книги использовано в качестве заголовка данной заметки), другая - неким итальянским журналистом, пытавшимся исследовать причины исчезновения Майораны. Кроме того, имеется ряд коротких воспоминаний, прежде всего, двух Лауреатов Нобелевской премии - Энрико Ферми и Эмилио Сегре (ученик Ферми, получивший Нобелевскую премию за открытие антипротона), а также корифея нейтринной физики Бруно Понтекорво. 2006-й год это год 100-летнего юбилея Майораны. Уместно познакомить новое поколение физиков, и в первую очередь студентов, с этой необычной личностью.

Жизнь Майораны

    Этторе Майорана родился 5 августа 1906 года в Катании в известной в городе семье. Его отец, Фабио Массимо Майорана (1875 - 1934), инженер, долгие годы возглавлял местную телефонную станцию, а после 1928 г. был главным государственным инспектором связи. Мать Этторе, Дорина Корсо (1876- 1965), также происходила из известной в Катании семьи. Кроме Этторе, в семье было ещё четверо детей - два брата: Сальваторе, получивший философское образование и Лучано, авиаинженер, и две сестры: старшая Розина и младшая Мария, ставшая пианисткой. Дядя Этторе по отцу, Квирино Майорана (1871 - 1957), был профессором физики в Университете Болоньи.
    Начальное образование Этторе получил дома, затем учился в школе при институте Massimo di Roma, а когда в 1921 г. его семья переехала в Рим, учился там в классическом лицее, последний год в лицее Torquato Tasso, который окончил в 1923 г. В том же году Этторе начал учиться на инженерном факультете Римского университета, вместе со своим старшим братом Лучано. Здесь он знакомится с Сегрэ и будущим известным математиком Э. Вольтерра, именно здесь у него появляется интерес к изучению более сложных проблем теоретического характера. В начале 4-го года учёбы на факультете Сегрэ принимает решение заняться более углублённым изучением физики. Тогда же состоялось знакомство Этторе с Ферми, начавшим преподавание на кафедре теоретической физики. Эта новая кафедра была организована усилиями профессора О. Корбино, директора института физики Римского университета. Он оказал громадное влияние на развитие физики в Италии, будучи сенатором и дважды министром. Корбино хотел создать в Риме школу современной физики, во многом, благодаря выдающимся способностям Ферми (такие люди, как Ферми, часто повторял Корбино, рождаются один или два раза в столетие). В конце 1927 г. - начале 1928 Сегрэ многократно беседует с Этторе, призывая последовать его примеру. Согласие было дано в 1928 году, после одного из семинаров Ферми. Ферми в тот период работал над статистической моделью атома, получившей название “модель Томаса-Ферми”. Здесь необходимо некоторое отступление, касающееся Ферми (1901 - 1954).

   Этот гениальный физик возглавил новую кафедру в Римском университете в 1926 г., т.е. двадцати шести лет от роду. Он практически самостоятельно и в, значительной степени, будучи ещё школьником, изучил современную физику и оказался в роли единственного человека в Италии, который понимал, что в ней происходит - какая квантовая революция разворачивается стремительными темпами. Феноменально одаренный и неистово одержимый Ферми был одинаково гениальным и в теории и в эксперименте. В этом ему не было равных. Ферми стал Нобелевским лауреатом в 1938 г. за открытие новых радиоактивных элементов, возникающих при облучении нейтронами и за открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами. Но он мог смело претендовать ещё, по крайней мере, на четыре премии (Понтекорво называет даже семь) - 1) за открытие статистики Ферми - Дирака в 1926 г. (в этой паре Ферми несколько опередил Дирака), после чего частицы с полуцелым спином стали называться фермионами, 2) за создание теории бета-распада (1934 г.), 3) за создание первого ядерного реактора (1942 г.), 4) за открытие первого адронного резонанса (1951 г.). Ферми был, прежде всего, экспериментатором и для того, чтобы Италия “не проспала” бурный ренессанс в физике, ему нужна была группа молодых талантливых студентов, готовых быстро включиться в гонку открытий. Причем этих студентов Ферми должен был обучить новейшей физике сам, так как в Италии не было других специалистов.

Оскар д−'Агостино, Эмилио Сегре, Эдуардо Амальди, Франко Расетти, Энрико Ферми

    Ферми вместе со своим ассистентом Франко Разетти набрал несколько очень хороших студентов, среди которых были Сегре, Амальди, Майорана, а позже Джан Карло Вик, Уго Фано и Понтекорво. Сегре, Амальди и Майорана пришли к Ферми с инженерного отделения Римского университета. Главные достижения сформированной группы, куда влился и химик Оскар д'Агостино, связаны с исследованиями ядерных реакций под действием нейтронов в период 1934- 1938 гг, приведшие к Нобелевской премии для Ферми.
    В этой дружной группе, занятой экспериментальными исследованиями Майорана выделялся тем, что был индивидуалистом и чистым теоретиком. Приведем мнение о нем Сегре и Понтекорво.

   Эмилио Сегре: “По силе интеллекта, глубине и объёму знаний Этторе Майорана заметно превосходил своих новых товарищей, а в некоторых отношениях, например, в чистой математике, превосходил даже Ферми. К сожалению, удивительно самобытный и глубокий ум сочетался у него со склонностью к критицизму и непомерному пессимизму. Он по своему характеру предпочитал работать в одиночку и вел очень замкнутый образ жизни. Майорана принимал мало участия в наших занятиях, но помогал нам в трудных теоретических местах и ошеломлял нас оригинальными идеями и способностью к молниеносным расчетам в уме (он вполне мог выступать как “чудо-вычислитель”). Впоследствии он ещё больше отдалился от людей; к 1935 г. он уже не появлялся в университете и редко выходил из дому”. Далее Сегре отмечает: “В описываемый период Ферми выезжал за границу лишь с короткими визитами. К этому времени он уже привык к некоторой интеллектуальной изолированности, поскольку лишь с Майораной (который, однако, был довольно неприступен) мог он, как с равным, обсуждать вопросы теории”.
    Бруно Понтекорво: “Когда в 1931 г. студентом третьего курса я пришел к Физический институт Королевского университета в Риме, Майорана, которому в то время было 25 лет, был уже известен узкому кругу итальянских физиков и зарубежных ученых, которые работали некоторое время в Риме под руководством Ферми. Слава его была прежде всего отражением глубокого уважения и восхищения со стороны Ферми. Я точно помню слова Ферми: “Если физический вопрос поставлен, никто в мире не способен ответить на него лучше и быстрее, чем Майорана”. Согласно шуточному лексикону, использовавшемуся в римской лаборатории, физики, разыгрывая из себя членов религиозного ордена, дали непогрешимому Ферми прозвище Папы, а устрашающему Майоране - Великого Инквизитора. На семинарах он обычно молчал, но время от времени - и всегда к месту - вставлял саркастические и парадоксальные замечания. Майорана был постоянно недоволен собой (и не только собой). Он был пессимистом, но с очень острым чувством юмора. Трудно представить себе людей со столь различными характерами, как Ферми и Майорана. В то время, как Ферми был очень простым человеком (с небольшой оговоркой, он был гением!) и считал обычный здравый смысл весьма ценным человеческим качеством (которым он, безусловно, был наделен в высшей степени), Майорана руководствовался в жизни очень сложными и абсолютно нетривиальными правилами. Начиная с 1934 г. он все реже и реже стал встречаться с другими физиками и посещать лабораторию”.
    6 июля 1929 года Этторе Майорана защитил диплом, посвященный радиоактивным ядрам. В 1929- 32 гг. работал самостоятельно и достаточно изолировано. 12 ноября получил научную степень. Тогда же, вначале 1932 году у него появляется особый интерес к физике ядра.
    С января по октябрь 1933 г. Майорана находится в Германии, где знакомится со многими известными учёными того времени. В конце своего пребывания написал письмо Сегрэ с положительной оценкой политики немецкого руководства, что было негативно воспринято многими его друзьями.
    Число публикаций Майорана было равно 10, так как многие свои выводы и идеи он отказывался представлять. Во время научных споров, он мог сделать важные выкладки на пачке сигарет (Этторе был заядлым курильщиком), которую затем выбрасывал в мусорную корзину.
    Таким образом, Майорана был начисто лишен научного тщеславия и не любил публиковать результаты своих исследований. Поэтому его вклад в науку оказался значительно меньшим, чем мог быть. По свидетельству Понтекорво публикации знаменитой статьи Майораны, относящейся к нейтринной физике, способствовал просто счастливый случай. В 1937 г. Майорана решил принять участие в конкурсе на кафедру физики в Университете Неаполя. Статью, о которой идет речь, он написал просто для того, чтобы повысить свои шансы на получение этой кафедры. Не будь этого случая, она, возможно, никогда бы не появилась в печати.
    В ноябре 1937 года Майорана стал профессором Университета Неаполя и переехал туда в январе 1938 года. В этой своей должности он успел прочитать лишь несколько лекций.

Дело Майораны

Протон-нейтронная модель атомного ядра.

    К 1932 г. были известны лишь две элементарные частицы, два фермиона - протон и электрон. Поэтому и атомное ядро представлялось состоящим из этих частиц, хотя квантовомеханический принцип неопределенностей Гейзенберга не допускал нахождения электронов внутри объема пространства ядерных размеров, и возникали трудности с объяснением спинов некоторых ядер. В конце 1931 г. - начале 1932 парижские физики Ирен Кюри (дочь дважды Нобелевского лауреата Марии Склодовской-Кюри и Нобелевского лауреата Пьера Кюри) и её муж Фредерик Жолио подвергли бериллий бомбардировке альфа-частицами, испускавшимися полонием. Проводя исследования с помощью камеры Вильсона, они обнаружили неизвестное ранее электрически нейтральное излучение большой проникающей способности, под воздействием которого мишень (парафин) начинала в свою очередь испускать поток быстрых протонов.

    Супруги Жолио-Кюри приняли это излучение за гамма-кванты и пытались объяснить наблюдаемое явление как Комптон-эффект, т. е. рассеяние гамма-квантов на протонах (ядрах водорода), входящих в состав парафина. В Англии ученик Резерфорда Джеймс Чэдвик повторил опыты супругов Жолио-Кюри и показал, что таинственные снаряды, испускаемые бериллием, имеют массу, равную массе протона, и лишены заряда. Так был открыт нейтрон. Схематически то, что наблюдали супруги Жолио-Кюри можно представить в следующем виде:

1) Полоний альфа-частица.
2) Альфа-частица + Бериллий Углерод + быстрый нейтрон.
3) Быстрый нейтрон + покоящийся протон в парафине быстрый протон + медленный нейтрон.

    Итак, весной 1932 г. стало известно об открытии нейтрона, и спустя несколько месяцев, профессор физического факультета МГУ Дмитрий Иваненко и один из создателей квантовой механики Вернер Гейзенберг независимо опубликовали гипотезу о протон-нейтронном строении ядра. С тех пор формулировку протон-нейтронной модели ядра связывают практически исключительно с именами Иваненко и Гейзенберга. Однако, как теперь мы знаем благодаря личному свидетельству Ферми и Сегре, к правильной интерпретации эксперимента супругов Жолио-Кюри ещё до опытов Чэдвика пришёл Майорана. События развивались следующим образом.

Дмитрий Иваненко

Вернер Гейзенберг

    В июле 1932 г. в Париже должна была состояться большая конференция по ядру, куда Ферми был приглашен сделать доклад о состоянии физики ядра. Эксперименты Чэдвика были опубликованы уже после того, как Ферми представил доклад на конференцию, где подчеркнул трудности модели ядра, в которой протоны и электроны рассматриваются как его составные части. “Но (как пишет Сегре), когда ещё царила неопределенность в интерпретации результатов Жолио-Кюри, в Риме Майорана понял смысл протонов отдачи, увиденных супругами Жолио-Кюри, и с характерной для него иронией заметил, что они открыли “нейтральный протон”, но не узнали его. Майорана тут же стал разрабатывать модель ядра, состоящего из нейтронов и протонов, без электронов, довольно подробно проанализировал силы между протонами и нейтронами и вычислил энергии связи нескольких лёгких ядер. Как только он рассказал Ферми и кое-кому из своих друзей об этой работе, важное значение её было понято сразу, и Ферми стал подгонять Майорану с публикацией, но тот счел полученные к тому времени результаты ещё слишком неполными. Тогда Ферми попросил разрешения изложить эти результаты на Парижской конференции, сославшись должным образом на идеи Майораны”. Но Майорана и этого не разрешил и “идеи Майораны стали известны намного позже, когда к ним независимо от него пришли другие физики”. Майорана так и не опубликовал свои результаты, но для Ферми протон-нейтронная теория Иваненко и Гейзенберга всегда была и теорией Майораны.
    Итак, историческая справедливость обязывает нас признать Майорану по крайней мере одним из авторов протон-нейтронной модели ядра и упоминать в связи с этим его имя вместе с именами Иваненко и Гейзенберга. Необходимо отметить, что именно Иваненко первым в небольшой заметке, направленной в апреле 1932 г. в английский журнал “Nature”, провозгласил гипотезу о том, что нейтрон является элементарной частицей со спином 1/2, как и у протона. Ведь после открытия нейтрона и Резерфорд и Чэдвик и Гейзенберг полагали, что нейтрон представляет собой связанное состояние протона и электрона.
    Завершая эту тему, отметим, что Чэдвик за открытие нейтрона получил в 1935 г. Нобелевскую премию по физике. В этом же году супругам Жолио- Кюри была присуждена Нобелевская премия по химии за открытие искусственной радиоактивности и синтез новых радиоактивных элементов.

Силы Майораны.

    Занимаясь разработкой протон-нейтронной модели ядра, Майорана анализировал силы между нуклонами (протонами и нейтронами), т. е. ядерные силы. Эти силы могут быть двоякого типа - “обыкновенные” и обменные. Обыкновенные силы, их называют силами Вигнера (Юджин Вигнер в 1963 г. получил Нобелевскую премию за работы по фундаментальным принципам симметрии), сохраняют неизменными характеристики взаимодействующих нуклонов. Обменные силы приводят к тому, что взаимодействующие нуклоны меняются своими характеристиками - спинами, положением в пространстве, электрическими зарядами. Этим трём типам обменных сил также присвоены имена выдающихся физиков, которые разрабатывали теорию этих силы. За обмен спинами нуклонов отвечают силы Бартлета, за обмен пространственными координатами - силы Майораны, за обмен зарядами - силы Гейзенберга. Обменное взаимодействие, как мы теперь знаем, реализуется обменом мезонами, прежде всего пионами (во времена Майораны они ещё не были открыты). В целом ядерные силы приближенно можно представить в виде суперпозиции вышеперечисленных сил:

Ядерные силысилы Вигнера + силы Бартлета + силы Майораны + силы Гейзенберга.

Таким образом, имя Майораны увековечено в свойствах ядерных сил.

Майорановское нейтрино.

    Эта часть “дела Майораны” относится уже к физике элементарных частиц. Если свой вклад в физику ядра Майорана делил с другими выдающимися современниками, то его роль в физике частиц абсолютно неповторима и касается самой загадочной из известных частиц - нейтрино. Напомним, что наблюдают три типа нейтрино (все они электрически нейтральны) - электронное (ν_e), мюонное (ν_μ) и таонное, или тау-нейтрино (ν_τ), генетически связанные слабым взаимодействием с заряженными массивными лептонами - соответственно электроном (е), мюоном (μ) и таоном (τ). У всех этих частиц спин 1/2 и есть античастицы. Все они пока не обнаруживают размеров и внутренней структуры. Ускорительные эксперименты и эксперименты по бета-распаду дают лишь верхние границы масс нейтрино. Так масса ν_e, если она есть, не более 4^.10^-7 массы электрона.
    Современная теория элементарных частиц - Стандартная модель - рассматривает нейтрино как безмассовые (т.е. релятивистские) точечные частицы, наделенные лептонным квантовым числом - лептонным зарядом, которое также имеет три разновидности.

    У антинейтрино знаки лептонных зарядов противоположны. Теорию таких частиц разработал Поль Дирак ещё в 1928 г., написав своё знаменитое уравнение для единственной известной тогда частицы подобного типа - релятивистского электрона, сделавшее его Нобелевским лауреатом (интересно, что Дирак, как и Майорана, начинал своё образование как инженер). Это уравнение применительно к нейтрино дает четыре решения или четыре дираковских нейтрино (будем говорить только об одном типе нейтрино, например, электронном), образующих четырехкомпонентный дираковский спинор:

1. нейтрино со спином направленным по импульсу, так называемое, правое нейтрино ν_R,
2. его античастицу _R,
3. нейтрино со спином направленным против импульса (левое нейтрино ν_L),
4. его античастицу _L.

Лишь два из них (ν_L и _R) реально наблюдают и именно они включены в число фундаментальных частиц Стандартной модели. Состояния _L и ν_R никогда не регистрировались. В дираковской теории частица не совпадает со своей античастицей, поэтому

_LL, _RR,

причем все эти четыре нейтринных состояния являются физически различимыми. Именно с дираковскими нейтрино имеет дело Стандартная модель.
    Майорана в своей исторической статье 1937 г. предложил теорию нейтрино тождественных своим античастицам, т.е. таких нейтрино для которых

_LL, _RR.

Таким образом, вместо четырех дираковских решений (4-х компонентного дираковского спинора) получается два решения (2-х компонентный майорановский спинор).
    Частицы, тождественные своим античастицам называют истинно нейтральными. Сейчас их известно довольно много, прежде всего фотон и нейтральный пион. Во времена же Майораны даже такого понятия не было. Поэтому, независимо от того реализуется ли вариант с майорановскими нейтрино на практике, Майорана был первым, кто заговорил о возможности существования истинно нейтральных частиц. Эти частицы в настоящее время часто и называют майорановскими частицами, не имея в виду обязательно нейтрино. Любопытно, что все известные истинно нейтральные частицы являются бозонами (частицами с нулевым или целым спином). Майорановские нейтрино - единственный реально обсуждаемый пример истинно нейтральных фермионов.
    Для того, чтобы частица была истинно нейтральна она должна быть лишена не только электрического заряда, но и всех других квантовых чисел, наделенных знаком плюс или минус. Лишь в этом случае частица становится неотличимой от античастицы (в противном случае при переходе от частицы к античастице знаки таких квантовых чисел меняются на противоположные, и они уже не совпадают друг с другом).
    Почему же так важна проблема с майорановскими нейтрино, ведь нейтрино, реально рождающиеся в реакциях или распадах, наделены лептонным квантовым числом, имеющим знак + для нейтрино и - для антинейтрино? Дело в том, что в последние годы удалось наблюдать явление, называемое “осцилляциями нейтрино”. Возможность его ещё в 1957 г. предсказал Понтекорво. Мы не будем вдаваться в суть этого явления. Отметим лишь то, что зафиксированы осцилляции солнечных нейтрино и нейтрино, генерируемых в атмосфере космическими лучами. Осцилляции нейтрино свидетельствуют о наличии двух важных явлений, выходящих за рамки Стандартной модели. Во-первых, по крайней мере, некоторые виды нейтрино наделены массами (они могут быть очень малыми), и во вторых, нейтрино, рождающиеся в реакциях и распадах (ν_e, ν_μ, ν_τ) на самом деле не имеют определенных масс, а являются смесью нескольких видов нейтрино (трёх или четырёх) с различными (и уже определёнными) массами. И вот в отношении этих новых нейтрино с определенными массами вопрос о принадлежности к дираковскому или майорановскому типу остается открытым. В настоящее время значительные интеллектуальные и технологические усилия физического сообщества направлены на решение этого вопроса. Достаточно упомянуть опыты по безнейтринному двойному бета-распаду.
    Итак, мы видим, что Майорана оказал существенное влияние на развитие физики и продолжает его оказывать 70 лет спустя после своего исчезновения. Силы Майораны, нейтрино Майораны, майорановские частицы, майорановский спинор - это термины, прочно вошедшие в язык физиков, изучающих микромир. Есть ещё один термин, который появился сравнительно недавно. Это “майорон” - гипотетическая нейтральная бесспиновая частица с нулевой массой, преимущественно взаимодействующая с нейтрино майорановского типа. Майорон был введен в теорию в 1980 г. как голдстоуновкий бозон, возникающий при спонтанном нарушении симметрии лептонного числа. В результате этого нарушения нейтрино приобретают массы (становятся майорановскими) и появляются взаимодействия, изменяющие лептонное число.

Уход Майораны

    Почти не вызывает сомнения, что Майорана ушёл из жизни добровольно. Перед тем как сесть на пароход, плывущий в Палермо, он написал письмо Карелли (директору института физики в Неаполе), где говорилось о решении покончить жизнь самоубийством. Письмо, впрочем, было утеряно. Накануне отплытия Майорану видел в церкви один из её служителей. Он не был знаком с Майораной, но позже вспомнил его по необычному лицу и поведению. Что могло толкнуть Майорану на столь серьезный и трагический шаг. Можно лишь высказывать догадки. В какой-то степени ключ к разгадке может содержаться в характере Майораны. Он был пессимистом и индивидуалистом, склонным к депрессии, часто пребывал в мрачном настроении, не увлекался обычными человеческими радостями. Он был одинок. Работал в лаборатории лишь эпизодически. Не нашлось человека, который мог остановить его в минуты полной безысходности и ощущения бессмысленности существования. Но мы об этом не знаем. Понтекорво пишет: “Он был довольно богат, и я не могу отделаться от мысли, что его жизнь могла бы не окончиться так трагически, если бы ему приходилось зарабатывать себе на жизнь”. Были, конечно, и некоторые события, которые усугубили ситуацию. Сыграло ли какую-нибудь роль его злополучное письмо с положительной оценкой политики немецкого руководства. Оно могло оттолкнуть от него ряд друзей. Может быть и Ферми, уже готовившийся эмигрировать в США от режима Муссолини, охладел к Майоране. Но ведь Гейзенберг, создававший атомную бомбу для Гитлера, и члены американского комитета советников (Роберт Оппенгеймер и Нобелевские лауреаты Артур Комптон, Эрнест Лоуренс и Энрико Ферми), рекомендовавшие президенту Трумэну использовать атомные бомбы против Японии, довольно легко миновали психологические сложности этого периода. Все-таки, дело, по-видимому, в характере Майораны.
    Необходимо ещё сказать, что Майорана в конце жизни оказался вовлеченным в крайне неприятную ситуацию. Как пишет французский биограф Ферми Пьер Лятиль, дяде Майораны, “которого он очень любил, было предъявлено обвинение, будто он подговорил кормилицу сжечь живым ребенка в колыбели. Майорана хотел спасти честь своей семьи: он организовал защиту, и, в конце концов, его дядя был оправдан. Но после этого физик стал жертвой неврастенического кризиса, из которого друзья долго не могли его вывести”.
    В конце концов, Майорана занял университетскую кафедру физики в Неаполе, и далее следы его навсегда затерялись на пути к родной Сицилии.

8 августа 2006 г.

Профессор кафедры Общей ядерной физики
И.М. Капитонов