ЖИЗНЬ И ДЕЛО ЭТТОРЕ МАЙОРАНЫ
(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 32-летнюю жизнь, бросившись в прозрачные воды, отделяющие 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 лет (1928?1937), но он навсегда вошёл в историю науки, благодаря двум провидческим работам в области физики. Он первым в начале 1932 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 абсолютно нейтральное (истинно нейтральное) нейтрино, называемое теперь майорановским, и значение которого для физики нейтрино было осознано лишь 40 лет спустя. Майорана был неординарной личностью, способной вызвать огромный интерес не только у физиков, но и у писателей. О нём написано, по крайней мере, две книги - одна в 1966, его другом физиком Эдоардо Амальди (название использовано в качестве заголовка данной заметки), другая ? 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.

Этторе Майорана родился 5 августа 1906 в Катании (Сицилия) в известной в городе семье. Его отец, инженер, возглавлял местную телефонную станцию, а затем был главным государственным инспектором связи. Дядя Этторе, Квирино Майорана (1871?1957), был профессором физики в Университете Болоньи.

Ферми вместе со своим ассистентом Франко Разетти привлек несколько очень хороших студентов, среди которых были Сегре, Амальди, Майорана, а позже Джан Карло Вик, Уго Фано и Понтекорво. Главные достижения сформированной группы связаны с исследованиями ядерных реакций под действием нейтронов в период 1934?1938, 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 мало участвовал в наших занятиях, но помогал 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 1931г. 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».

В 1929 Майорана защитил диплом, посвященный радиоактивным ядрам, в 1932 получил научную степень. Работал он самостоятельно и достаточно изолировано, проявляя особый интерес к физике ядра. В 1933 Майорана находится в Германии, где знакомится со многими известными учёными того времени. В конце 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 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 Майорана стал профессором Университета Неаполя и переехал туда в январе 1938. В этой должности он успел прочитать лишь несколько лекций.

Что же успел сделать Майорана? К 1932 были известны лишь две элементарные частицы, - протон и электрон. Поэтому и атомное ядро представлялось состоящим из этих частиц. В конце 1931 - начале 1932 парижские физики Ирен Кюри и её муж Фредерик Жолио подвергли бериллий бомбардировке альфа-частицами, испускавшимися полонием. 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 Жолио-Кюри и показал, что таинственные снаряды, испускаемые бериллием, имеют массу, равную массе протона, и лишены заряда. Так, весной 1932 был открыт нейтрон.

Через 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 с именами Иваненко и Гейзенберга. Однако, как теперь мы знаем благодаря личному свидетельству Ферми и Сегре, к правильной интерпретации эксперимента Жолио-Кюри ещё до опытов Чэдвика пришёл Майорана. События развивались следующим образом.

В июле 1932 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 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 ряду своих друзей об этой работе, важное значение её было понято сразу, и Ферми стал подгонять Майорану с публикацией, но тот счел полученные им 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, справедливость обязывает нас признать Майорану одним из авторов протон-нейтронной модели ядра и упоминать его имя вместе с именами Иваненко и Гейзенберга.

Занимаясь протон-нейтронной моделью ядра, Майорана анализировал силы между нуклонами., т. е. ядерные силы. Эти силы могут быть двоякого типа - «обыкновенные» и обменные (обменное взаимодействие, как мы теперь знаем, реализуется обменом мезонами). Обыкновенные силы, их называют силами Вигнера (Нобелевского лауреата 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. Таким образом, имя Майораны увековечено в свойствах ядерных сил.

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. Современная теория элементарных частиц - Стандартная модель - рассматривает нейтрино как безмассовые точечные частицы, наделенные лептонным квантовым числом (зарядом). У антинейтрино знаки лептонных зарядов противоположны. Теорию таких частиц разработал Поль Дирак ещё в 1928, 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, образующих четырехкомпонентный дираковский спинор: 1) правое нейтрино (нейтрино со спином направленным по импульсу), 2) его античастицу , 3) левое нейтрино (нейтрино со спином направленным против импульса, 4) его античастицу . Лишь два из них ( и ) реально наблюдают и именно они включены в число фундаментальных частиц Стандартной модели. Состояния и никогда не регистрировались. В дираковской теории частица не совпадает со своей античастицей, поэтому ? , ? , причем все эти четыре нейтринных состояния являются физически различимыми.

Майорана в своей исторической статье 1937 г. предложил теорию нейтрино тождественных своим античастицам, т.е. таких для которых ? , ? . Таким образом, вместо четырех дираковских решений 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.

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 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, и, во-вторых, нейтрино, рождающиеся в реакциях и распадах, 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.

Итак, 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.

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. Что могло толкнуть Майорану на столь серьезный и трагический шаг? Можно лишь высказывать догадки. В какой-то степени объяснение 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. Не нашлось человека, который мог остановить его в минуты полной безысходности и ощущения бессмысленности существования. Но мы об этом не знаем. Были, конечно, и события, которые усугубили ситуацию. Так в конце жизни Майорана оказался вовлеченным в крайне неприятную ситуацию. Его дяде, 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 Майорана стал жертвой нервного 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