Neutrína vymyslel v roku 1930 Wolfgang Pauli (neskorší nositeľ Nobelovej ceny za fyziku) a dosť sa za tento svoj výmysel hanbil. Ideu neutrín považoval za takú neprístojnosť, že sa ju ani nepokúsil publikovať v nejakom serióznom časopise. A tak sa v prípade objavu neutrín vo vedeckej literatúre neuvádza ako pôvodný zdroj konkrétny vedecký článok, ale Pauliho list adresovaný účastníkom istej konferencie venovanej jadrovej fyzike. Pauli bol totiž na svoju myšlienku tak málo hrdý, že ju ani neprišiel osobne oznámiť kolegom – ospravedlnil sa z dôvodu dôležitých spoločenských povinností (išlo konkrétne o účasť na bále).
V tom slávnom liste, ktorý sa začína oslovením „Drahé rádioaktívne dámy a páni,“ oznamuje Pauli kolegom, že našiel „zúfalý spôsob, ako zachrániť zákon zachovania energie“. Prečo bol zákon zachovania energie ohrozený, ako sa ho Pauli pokúsil zachrániť a prečo to považoval za zúfalý pokus? Pokúsime sa to aspoň čiastočne vysvetliť. .problém
Prvý dôležitý krok na ceste k neutrínam urobil v roku 1914 James Chadwick (neskorší nositeľ Nobelovej ceny za fyziku). Tento čerstvý absolvent univerzity v Manchestri sa rozhodol využiť štipendium, ktoré získal, na ďalšie štúdium v Nemecku. Tu začiatkom roku 1914 objavil jeden veľmi prekvapujúci jav, týkajúci sa rádioaktivity, a potom bol v lete po vypuknutí prvej svetovej vojny internovaný v tábore pre civilných zajatcov neďaleko Berlína, kde strávil nasledujúce štyri roky. Po vojne sa vrátil do Anglicka, kde pokračoval vo svojich experimentoch a opakovane potvrdil svoje zistenia z roku 1914. A boli to svojím spôsobom veľmi znepokojujúce zistenia.
Chadwick skúmal energiu elektrónov vylietavajúcich z atómových jadier pri takzvanom beta rádioaktívnom rozpade. Energia týchto elektrónov mala byť striktne určená zákonmi zachovania energie a hybnosti (poznámka pre znalcov: ak sa pre premenu jedného jadra na druhé jadro a elektrón napíšu tieto zákony zachovania, okamžite z nich dostaneme, že elektrón môže mať len jednu-jedinú hodnotu energie). Lenže Chadwick zistil, že elektróny, pochádzajúce z týchto rozpadov, majú všelijaké energie. A to veru bolo znepokojujúce: ak sa v experimente objaví niečo, čo sa zdá v priamom rozpore so zákonom zachovania energie, tak sa fyzika, a s ňou všetky prírodné vedy, otrasú vo svojich najhlbších základoch.
Bezprostredne po objave v roku 1914 bola, tak ako vždy, otvorená vcelku príjemná možnosť, že chyba je niekde v experimente alebo v jeho interpretácii. Množstvo ďalších pokusov v 20. rokoch však pôvodné Chadwickove zistenia čoraz presvedčivejšie potvrdzovali. Zákon zachovania energie bol naozaj vážne ohrozený. .riešenie problému
Asi najodvážnejšie sa tomuto problému postavil Niels Bohr (v tom čase už nositeľ Nobelovej ceny za fyziku). Konštatoval, že keď nám experiment hovorí, že energia sa nezachováva, tak sa teda asi nezachováva. A aby týmto konštatovaním nezničil celú stavbu dovtedajšej fyziky, navrhol predpoklad, že energia sa síce nezachováva pri beta rozpadoch jednotlivých atómových jadier, ale že v priemere sa zachováva. Tým by bolo možné skĺbiť nezachovanie energie na mikroskopickej úrovni (t.j. na úrovni atómových jadier) a súčasne akési štatistické zachovanie energie na makroskopickej úrovni (t.j. na úrovni bežného života).
Pre väčšinu fyzikov to však bolo priveľké „sústo“. Obetovať jeden zo základných zákonov prírodných vied sa im jednoducho nechcelo. Pauliho „zúfalý pokus“ zachrániť zákon zachovania energie sa preto stretol so značným záujmom.
Základná Pauliho myšlienka bola celkom jednoduchá. Ak by pri rádioaktívnej premene jadier vznikala okrem elektrónu ešte jedna častica, mohol by elektrón nadobúdať veľa rôznych energií. (Poznámka pre znalcov: Počet rovníc, vyjadrujúcich zákony zachovania energie a hybnosti, by sa nezmenil, ale počet neznámych v týchto rovniciach by narástol o energiu a hybnosť novej častice. No a výsledná sústava rovníc už nemá jednoznačné riešenie.)
Táto jednoduchá myšlienka však mala jeden drobný háčik. Nikto nikdy nijakú takú časticu nevidel, žiadny prístroj nikdy nič také nezaregistroval. A tak musel Pauli pripustiť, že jeho častica sa zrejme vidieť nedá – že je taká nejaká nepolapiteľná. Z tohto predpokladu mohol potom vydedukovať nejaké jej vlastnosti, napríklad to, že táto častica by mala byť elektricky neutrálna a že jej hmotnosť by nemala byť oveľa väčšia ako hmotnosť elektrónu. Ale tieto drobné radosti nedokázali prekryť hlavný problém Pauliho riešenia: vysvetliť nejaký jav tým, že zavediem novú časticu, ktorá mi ten jav vysvetlí, ale nijako inak sa neprejavuje – to veru nie je solídna veda. .problém riešenia
Asi najvážnejšie prijal túto problematickú ideu Enrico Fermi (neskorší nositeľ Nobelovej ceny za fyziku). A nielenže ju prijal, ale ju aj podrobne rozpracoval, pričom našiel spôsoby, ako sa o nepolapiteľnej častici niečo dozvedieť aj bez jej priameho pozorovania. Fermi napríklad ukázal, že o hmotnosti tejto prečudesnej častice môžeme pomerne veľa vydedukovať z energií elektrónov pochádzajúcich z beta rozpadu. Lenže článok, v ktorom ukazoval, ako táto dedukcia vyzerá, mu prvotriedne časopisy odmietli publikovať. Seriózne vedecké časopisy sa predsa nemôžu zapodievať niečím, čoho základnou vlastnosťou je úplná alebo takmer úplná nepozorovateľnosť.
Ale Fermi sa nedal odradiť. Postupne vytvoril teóriu beta rozpadu, ktorá sa stala významným medzníkom v celej teórii elementárnych častíc. Vo Fermiho teórii totiž rozpad nie je rozpadom v pravom slova zmysle – vec sa v jeho teórii nerozpadá na svoje súčasti, čiže na to, z čoho sa pôvodne skladala. Rozpadá sa na celkom iné veci, ktoré v nej predtým neboli. Správnejšie by možno nebolo hovoriť o rozpade, ale o premene.
Základom Fermiho teórie bol rozpad neutrónu, presnejšie povedané, zánik neutrónu a súčasný vznik protónu, elektrónu a neutrína (v skutočnosti antineutrína, ale také detaily si tu teraz všímať nebudeme). Teória to bola zaujímavá, elegantná a umožňovala vypočítať všelijaké veci, ktoré sa potom dali porovnávať s experimentom. A čím viac tie veci súhlasili, tým viac ľudí začalo brať Pauliho a Fermiho neutríno vážne. .otec a krstný otec
Na začiatku histórie neutrína teda stoja dvaja muži. Jeden z nich je otcom a druhý krstným otcom tejto elementárnej častice. Otec časticu vymyslel, krstný otec jej dal meno a vzorne sa o ňu staral.
S tým menom to bolo pomerne zamotané. Samotný Pauli nazval svoju časticu neutrónom, aby zdôraznil jej elektrickú neutralitu. Nebolo to preto, že by si ju poplietol s neutrónom – o tom, čomu dnes hovoríme neutrón, v tom čase ešte nikto nič nevedel. Neutrón, čiže tú časticu, ktorej dnes hovoríme neutrón, objavil v roku 1932 James Chadwick (ten istý, ktorý bol kľúčovou postavou neutrínovej prehistórie). Fermi potom postavil svoju teóriu na rozpade (premene) Chadwickovho neutrónu na protón, elektrón a Pauliho neutrón. Keď o tom hovoril na istom seminári, jeden z prítomných sa spýtal, čo má spoločné Chadwickov neutrón s Pauliho neutrónom. Fermi odpovedal niečo v tom zmysle, že Chadwickov neutrón je naozaj neutrón a Pauliho neutrón je len taký neutrónik. A keďže Fermi bol Talian, nepovedal neutrónik, ale neutríno.
Čitateľa, ktorému sa to zdá až príliš zamotané, môžeme uistiť, že to je ešte len začiatok. História neutrín je celá neuveriteľne zamotaná. Vždy, keď sa nám zdalo, že už tej častici celkom dobre rozumieme, prekvapila nás niečím celkom nečakaným. Ale o tom bude reč až v ďalších článkoch tejto série.
V tom slávnom liste, ktorý sa začína oslovením „Drahé rádioaktívne dámy a páni,“ oznamuje Pauli kolegom, že našiel „zúfalý spôsob, ako zachrániť zákon zachovania energie“. Prečo bol zákon zachovania energie ohrozený, ako sa ho Pauli pokúsil zachrániť a prečo to považoval za zúfalý pokus? Pokúsime sa to aspoň čiastočne vysvetliť. .problém
Prvý dôležitý krok na ceste k neutrínam urobil v roku 1914 James Chadwick (neskorší nositeľ Nobelovej ceny za fyziku). Tento čerstvý absolvent univerzity v Manchestri sa rozhodol využiť štipendium, ktoré získal, na ďalšie štúdium v Nemecku. Tu začiatkom roku 1914 objavil jeden veľmi prekvapujúci jav, týkajúci sa rádioaktivity, a potom bol v lete po vypuknutí prvej svetovej vojny internovaný v tábore pre civilných zajatcov neďaleko Berlína, kde strávil nasledujúce štyri roky. Po vojne sa vrátil do Anglicka, kde pokračoval vo svojich experimentoch a opakovane potvrdil svoje zistenia z roku 1914. A boli to svojím spôsobom veľmi znepokojujúce zistenia.
Chadwick skúmal energiu elektrónov vylietavajúcich z atómových jadier pri takzvanom beta rádioaktívnom rozpade. Energia týchto elektrónov mala byť striktne určená zákonmi zachovania energie a hybnosti (poznámka pre znalcov: ak sa pre premenu jedného jadra na druhé jadro a elektrón napíšu tieto zákony zachovania, okamžite z nich dostaneme, že elektrón môže mať len jednu-jedinú hodnotu energie). Lenže Chadwick zistil, že elektróny, pochádzajúce z týchto rozpadov, majú všelijaké energie. A to veru bolo znepokojujúce: ak sa v experimente objaví niečo, čo sa zdá v priamom rozpore so zákonom zachovania energie, tak sa fyzika, a s ňou všetky prírodné vedy, otrasú vo svojich najhlbších základoch.
Bezprostredne po objave v roku 1914 bola, tak ako vždy, otvorená vcelku príjemná možnosť, že chyba je niekde v experimente alebo v jeho interpretácii. Množstvo ďalších pokusov v 20. rokoch však pôvodné Chadwickove zistenia čoraz presvedčivejšie potvrdzovali. Zákon zachovania energie bol naozaj vážne ohrozený. .riešenie problému
Asi najodvážnejšie sa tomuto problému postavil Niels Bohr (v tom čase už nositeľ Nobelovej ceny za fyziku). Konštatoval, že keď nám experiment hovorí, že energia sa nezachováva, tak sa teda asi nezachováva. A aby týmto konštatovaním nezničil celú stavbu dovtedajšej fyziky, navrhol predpoklad, že energia sa síce nezachováva pri beta rozpadoch jednotlivých atómových jadier, ale že v priemere sa zachováva. Tým by bolo možné skĺbiť nezachovanie energie na mikroskopickej úrovni (t.j. na úrovni atómových jadier) a súčasne akési štatistické zachovanie energie na makroskopickej úrovni (t.j. na úrovni bežného života).
Pre väčšinu fyzikov to však bolo priveľké „sústo“. Obetovať jeden zo základných zákonov prírodných vied sa im jednoducho nechcelo. Pauliho „zúfalý pokus“ zachrániť zákon zachovania energie sa preto stretol so značným záujmom.
Základná Pauliho myšlienka bola celkom jednoduchá. Ak by pri rádioaktívnej premene jadier vznikala okrem elektrónu ešte jedna častica, mohol by elektrón nadobúdať veľa rôznych energií. (Poznámka pre znalcov: Počet rovníc, vyjadrujúcich zákony zachovania energie a hybnosti, by sa nezmenil, ale počet neznámych v týchto rovniciach by narástol o energiu a hybnosť novej častice. No a výsledná sústava rovníc už nemá jednoznačné riešenie.)
Táto jednoduchá myšlienka však mala jeden drobný háčik. Nikto nikdy nijakú takú časticu nevidel, žiadny prístroj nikdy nič také nezaregistroval. A tak musel Pauli pripustiť, že jeho častica sa zrejme vidieť nedá – že je taká nejaká nepolapiteľná. Z tohto predpokladu mohol potom vydedukovať nejaké jej vlastnosti, napríklad to, že táto častica by mala byť elektricky neutrálna a že jej hmotnosť by nemala byť oveľa väčšia ako hmotnosť elektrónu. Ale tieto drobné radosti nedokázali prekryť hlavný problém Pauliho riešenia: vysvetliť nejaký jav tým, že zavediem novú časticu, ktorá mi ten jav vysvetlí, ale nijako inak sa neprejavuje – to veru nie je solídna veda. .problém riešenia
Asi najvážnejšie prijal túto problematickú ideu Enrico Fermi (neskorší nositeľ Nobelovej ceny za fyziku). A nielenže ju prijal, ale ju aj podrobne rozpracoval, pričom našiel spôsoby, ako sa o nepolapiteľnej častici niečo dozvedieť aj bez jej priameho pozorovania. Fermi napríklad ukázal, že o hmotnosti tejto prečudesnej častice môžeme pomerne veľa vydedukovať z energií elektrónov pochádzajúcich z beta rozpadu. Lenže článok, v ktorom ukazoval, ako táto dedukcia vyzerá, mu prvotriedne časopisy odmietli publikovať. Seriózne vedecké časopisy sa predsa nemôžu zapodievať niečím, čoho základnou vlastnosťou je úplná alebo takmer úplná nepozorovateľnosť.
Ale Fermi sa nedal odradiť. Postupne vytvoril teóriu beta rozpadu, ktorá sa stala významným medzníkom v celej teórii elementárnych častíc. Vo Fermiho teórii totiž rozpad nie je rozpadom v pravom slova zmysle – vec sa v jeho teórii nerozpadá na svoje súčasti, čiže na to, z čoho sa pôvodne skladala. Rozpadá sa na celkom iné veci, ktoré v nej predtým neboli. Správnejšie by možno nebolo hovoriť o rozpade, ale o premene.
Základom Fermiho teórie bol rozpad neutrónu, presnejšie povedané, zánik neutrónu a súčasný vznik protónu, elektrónu a neutrína (v skutočnosti antineutrína, ale také detaily si tu teraz všímať nebudeme). Teória to bola zaujímavá, elegantná a umožňovala vypočítať všelijaké veci, ktoré sa potom dali porovnávať s experimentom. A čím viac tie veci súhlasili, tým viac ľudí začalo brať Pauliho a Fermiho neutríno vážne. .otec a krstný otec
Na začiatku histórie neutrína teda stoja dvaja muži. Jeden z nich je otcom a druhý krstným otcom tejto elementárnej častice. Otec časticu vymyslel, krstný otec jej dal meno a vzorne sa o ňu staral.
S tým menom to bolo pomerne zamotané. Samotný Pauli nazval svoju časticu neutrónom, aby zdôraznil jej elektrickú neutralitu. Nebolo to preto, že by si ju poplietol s neutrónom – o tom, čomu dnes hovoríme neutrón, v tom čase ešte nikto nič nevedel. Neutrón, čiže tú časticu, ktorej dnes hovoríme neutrón, objavil v roku 1932 James Chadwick (ten istý, ktorý bol kľúčovou postavou neutrínovej prehistórie). Fermi potom postavil svoju teóriu na rozpade (premene) Chadwickovho neutrónu na protón, elektrón a Pauliho neutrón. Keď o tom hovoril na istom seminári, jeden z prítomných sa spýtal, čo má spoločné Chadwickov neutrón s Pauliho neutrónom. Fermi odpovedal niečo v tom zmysle, že Chadwickov neutrón je naozaj neutrón a Pauliho neutrón je len taký neutrónik. A keďže Fermi bol Talian, nepovedal neutrónik, ale neutríno.
Čitateľa, ktorému sa to zdá až príliš zamotané, môžeme uistiť, že to je ešte len začiatok. História neutrín je celá neuveriteľne zamotaná. Vždy, keď sa nám zdalo, že už tej častici celkom dobre rozumieme, prekvapila nás niečím celkom nečakaným. Ale o tom bude reč až v ďalších článkoch tejto série.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.