Machine Vision

پیش گفتار
دون لینکلن

من چیز خیلی مهمی برای گفتن به شما دارم.

نمی خواهم شما را نگران کنم، اما شما در معرض حمله ی پیوسته و شدید یک نوع نامحسوس از تابش نافذ هستید.

یک رآکتور هسته ای قدرتمند و بدون کنترل، با تولید ۴۰۰ تریلیون تریلیون (۴ × ۱۰ به توان ۲۶) وات قدرت، این ذرات زیراتمی (ذرات کوچکتر از اتم) را در همه ی جهات پخش می کند و آنها با نرخ شگفت انگیز ۵۰۰ تریلیون (۵ × ۱۰ به توان ۱۴) در هر ثانیه از شما عبور می کنند.

من به شما می گفتم که پناه بگیرید، اما این نوع تابش عجیب و غریب قابل جلوگیری نیست چرا که می تواند به آسانی از میان زمین عبور کند. شما می توانید بدوید، اما نمی توانید از این حمله ی پایدار و دائم پنهان شوید. در نهایت، اگر این تابش می تواند از زمین عبور کند، هیچ راهی برای محافظت از خود نخواهید داشت.

ترسیدید؟ این قابل درک است. آنچه که خواندید ترسناک به نظر می رسد. اما نباید ترسید. نوع تابشی که من درباره آن صحبت می کنم، نوترینوی بی ضرر است که هنگامی که دو پروتون در خورشید با هم آمیخته می شوند، تولید می شود، که بین دیگر چیزها، باعث می شود که روز شما در ساحل خوشآیند باشد. علیرغم منشأ هسته ای نوترینوها، آنها هیچ خطری ندارند. و شما قبلاً به نوعی از این مساله مطلع بودید. اگر نوترینوها عملاً بدون تعامل (بدون تاثیر گذاری یا تاثیر پذیری) از زمین عبور می کنند، قطعاً می توانند از شما هم عبور کنند. در واقع، از حدود ۱۰ به توان ۲۴ نوترینو که در طول عمر ۷۰ ساله شما از شما عبور می کنند، شاید فقط یکی از آنها با بدن شما تعامل داشته باشد. به همین دلیل است که آنها را اغلب روح های (اشباح) جهان زیراتمی می نامند.

چون نوترینو خیلی کم با ماده ی معمولی تعامل دارد، شما باید بخشیده شوید اگر که از خودتان بپرسید که پس چرا باید به آن علاقه مند باشید، اما این یک سوال عجولانه خواهد بود. در واقع، نوترینو یکی از جذاب ترین ساکنان جهان زیراتمی است. این ذره، پژوهشگران را بارها و بارها شگفت زده کرده است، و هنوز یکی از کمتر شناخته شده هاست، با بسیاری از سوالات مهم و پاسخ داده نشده.

نوترینوها در سال ۱۹۳۰، به عنوان یک راه حل برای یک معمای اضطراری در آن زمان، پیشنهاد شدند. یک نوع تابش، به نام تابش بتا (نوعی تابش که زمانی رخ می دهد که یک اتم یکی از نوترون های خود را به پروتون و الکترون تبدیل می کند)، به نظر نمی رسید منطقی باشد. به نظر می رسید که انرژی در فرآیند شکسته شدن یک اتم ناپایدار به اتم های کوچکتر و پایدارتر، ناپدید می شود و این موجب نقض یکی از قوانین اساسی فیزیک - قانون پایستگی انرژی (قانونی که می گوید انرژی نمی تواند ایجاد یا نابود شود، فقط از یک شکل به شکل دیگر تغییر می کند) می شد. پیشنهاد شد که نوترینو سبک باشد - حتی شاید بدون جرم - و خیلی ضعیف تعامل داشته باشد - ضعیف تر از هر ذره ی زیراتمی دیگر.

ضعف تعامل نوترینوها با ماده به این معنی است که آنها خیلی سخت تشخیص داده می شوند؛ در واقع، یک ربع قرن و اهلی شدن قدرت هسته ای (توانایی کنترل و استفاده از انرژی هسته ای) لازم بود تا دانشمندان بتوانند روشی هوشمندانه برای تولید و تشخیص آنها ابداع کنند. با این حال، تایید وجود نوترینوها فقط آغاز کار بود. فقط یک یا دو سال پس از مشاهده ی نوترینوها، یک تیم دیگر از پژوهشگران کشف کردند که آنها در عالم زیراتمی، منحصر به فرد هستند. در حالی که همه ی ساکنان جهان کوچک ذرات زیراتمی به نحوی عمل می کنند که انگار دور یک محور می چرخند، نوترینوها و همتایان ضد ماده (antimatter) آنها، کشف شد که به شکلی متفاوت می چرخند. به نظر می رسید که تعاملات نوترینوها می توانند بین ماده و ضد ماده تمایز قائل شوند.

و شگفتی ها ادامه داشت. چند سال بعد، دانشمندان پی بردند که فقط یک نوع نوترینو وجود ندارد، بلکه دو نوع وجود دارد، و به دنبال آن، کشف یک نوع سوم یک ربع قرن بعد اتفاق افتاد. معمای بعدی این بود که اندازه گیری ها نشان می داد که نوترینوهای تولید شده توسط خورشید کمتر از مقدار مورد انتظار هستند، و این باعث شد که پژوهشگران به این فکر کنند که شاید ما نمی دانیم خورشید چگونه می سوزد. گزینه ی دیگر این بود که سه نوع متفاوت نوترینو، می توانند به یکدیگر تبدیل شوند، در یک شکل سرگیجه آور از جابجایی زیراتمی که نوسان نوترینو نامیده می شود. نوسان نوترینو یک ایده ی دیوانه وار بود، تا اینکه درست بودن آن در آغاز قرن بیست و یکم تایید شد.

حتی الآن، نوترینوها همه ی رازهایشان را فاش نکرده اند. در حالی که نوسان نوترینو نشان داد که نوترینوها جرم خیلی کمی دارند، دانشمندان هنوز نمی دانند که جرم یک نوترینو چقدر است. در واقع - و این از عجایب واقعی است - سه نوع نوترینو جرم مشخص و یکتایی ندارند، بلکه ترکیبی از سه مقدار مختلف هستند. این رفتار، یکی دیگر از ویژگی های منحصر به فرد نوترینوهاست. اگرچه پژوهشگران چیزی درباره تفاوت بین سه مقدار مختلف جرم می دانند، اما به عدد دقیق آن هنوز دست نیافته اند.

اگرچه دانشمندان متوجه شدند که نوترینوها و نوترینوهای ضد ماده در تعاملات هسته ای به نحو متفاوتی رفتار می کنند، اما این سوال که آیا نوترینوها و نوترینوهای ضد ماده متفاوت یا یکسان هستند هنوز مطرح است. و پژوهشگران در حال ساخت تسهیلات جدیدی هستند تا بررسی کنند که آیا نوترینوها و نوترینوهای ضد ماده به یک شکل یا به طور متفاوت نوسان می کنند (نوع یا طعم خود را تغییر می دهند). اگر متفاوت باشند، نوترینوها ممکن است دلیل وجود تمام ماده در جهان باشند. این واقعاً یک زمان هیجان انگیز برای مطالعه ی نوترینوها است.

برای به روز بودن در رشته ی فیزیک ذرات باید درباره ی گذشته و آینده ی تحقیقات نوترینو اطلاع داشته باشید، و به همین دلیل کتاب Ghost Particle نوشته آلن چودوس و جیمز ریوردن یک کتاب جالب و مناسب است. آنها عمیقا به تاریخچه ی تحقیقات نوترینو وارد می شوند و داستان های هیجان انگیزی از تحقیقات علمی را روایت می کنند.

چودوس و ریوردن از نامه ای که همه چیز را آغاز کرد می گویند. آنها از برنامه هایی برای استفاده از بمب اتمی و به دنبال آن، تلاش کمتر دراماتیک اما همچنان هیجان انگیز دانشمندان برای استفاده از رآکتورهای هسته ای محرمانه برای شناسایی نوترینوها می گویند. آنها از فرارهای زمان جنگ سرد و یک پرونده ی فرد گمشده می گویند که مناسب بهترین داستانهای معمایی است.

آنها جزئیات یک آزمایش را که به دنبال چند اتم آرگون در یک استخر به اندازه ی استخرهای المپیک، پر از مایع خشکشویی بود را فاش می کنند. و آنها از یک آزمایش برنامه ریزی شده برای آینده که شامل شلیک یک پرتو از نوترینوها از درون زمین به سمت یک آشکارساز در فاصله ی حدود ۱۳۰۰ کیلومتری می شود، صحبت می کنند - این آشکارساز که در یک مایلی زیر زمین در یک معدن طلای متروکه ساخته شده است، به حدی بزرگ است که برای ساخت آن نیاز به حفاری نزدیک به یک میلیون تن سنگ خواهد بود.

ذره شبح (Ghost Particle) نمی خواهد خود را به موفقیت های گذشته محدود کند؛ بلکه درباره ی استفاده های احتمالی از نوترینوها در آینده، از جمله یافتن زیردریایی های هسته ای، یا اطلاع پیدا کردن از انفجارهای هسته ای نیز صحبت می کند. حتی آنها ایده ی استفاده از نوترینوها برای جستجو برای زندگی خارج از زمین را نیز در نظر می گیرند. قطعاً این ایده شانس کمی دارد، اما به هر حال یک روش است که هنوز بررسی نشده است.

نوترینو، که در گذشته یک ذره ی جذاب بوده است، هنوز داستان های بیشتری برای گفتن دارد. چودوس و ریوردن کتاب جذاب و آموزنده ای نوشته اند، و خواندن صفحاتی که پیش رو دارید، یک سرمایه گذاری عالی برای هر کسی است که می خواهد درباره ی این شبح جالب دنیای زیراتمی بیشتر بداند.

مقدمه

دنیای حواس ما فقط سطحی از یک واقعیت عمیق تر را درک می کند. عناصر اولیه برای باستانیان متشکل از خاک، هوا، آتش، و آب بود. فهرست مدرن ما از ذرات بنیادی ماده در پایان قرن نوزدهم با کشف الکترون آغاز شد. این فهرست از آن زمان به بعد بسیار گسترش یافته است، و شامل سه نوع (طعم) نوترینو می شود که شاید مرموزترین ذره بنیادی، و سخت ترین برای مطالعه باشد. همان طور که توضیح خواهیم داد، تحقیقات نوترینو، از کشف آنها در دهه ۱۹۵۰ تا به امروز و در آینده، تلاش های قهرمانانه ای هستند که مهارت، خلاقیت، و پشتکار بسیاری را می طلبند.

آزمایش های کلاسیک به ما خیلی چیزها آموخته اند، و آزمایش های در حال انجام هم به ما خیلی چیزهای بیشتری خواهند آموخت. این یک داستان درباره علم است، اما به همان اندازه مهم، درباره افرادی است که کار علمی انجام می دهند. بدون تعهد شدید آنها، هیچ یک از پیشرفت هایی که خواهیم گفت ممکن نبود.

بدون استفاده از هیچ ریاضیاتی پیچیده تر از جمع کردن دو عدد، ما همچنین نگاه دقیق تری به فیزیک پشت پرده ی این آزمایش ها می اندازیم. فیزیک نوترینو شامل برخی از جنبه های ظریف تر مکانیک کوانتومی است. در واقع، مطالب مرتبط با نوسان نوترینوها، که در حین حرکت از جایی که تولید شده اند تا جایی که شناسایی می شوند، طعم خود را تغییر می دهند، پر از مقالاتی است که درباره ی نکات ریز مکانیک کوانتومی بحث می کنند. ما به شما چشم اندازی از این فیزیک را ارائه خواهیم کرد.

فهمیدن اینکه نوترینوها جرم دارند، که حدود ۲۰ سال پیش اتفاق افتاد، مجموعه ای از سوالات اضطراری را بوجود آورد که فیزیکدانان با شوق سعی در پاسخ به آنها دارند. آیا نوترینوها همان ضد ذرات خود هستند؟ جرم آنها چقدر است و چگونه بوجود می آیند؟ آیا نوترینوها در تولید ماده در جهان، که بدون آن ما وجود نداشتیم، سهیم بوده اند؟

این سوالات ما را به طور طبیعی به بررسی نقش چندوجهی نوترینوها در اخترفیزیک و کیهان شناسی می کشانند. ما همچنین درباره ی کاربردهای احتمالی فیزیک نوترینو در زمینه های دیگر علم و فناوری بحث می کنیم.

ما همه ی چیزهایی که درباره نوترینو می دانیم را پوشش نمی دهیم، به دو دلیل: اول اینکه اتفاقات زیادی در حال رخ دادن است که همگی نمی توانند در یک جلد کتاب جا شوند. بنابراین ما مجبوریم برخی از انتخاب ها را انجام دهیم. و دوم اینکه این رشته به سرعت در حال پیشرفت است. حتماً برخی از آنچه که می گوییم، حتی قبل از اینکه کتاب به قفسه های کتابفروشی برسد، منسوخ شده است. اما ما تلاش کرده ایم به بهترین وجه ممکن به آن موضوعاتی که برای داستان نوترینو از اهمیت مرکزی برخوردار هستند، بپردازیم.

تصویر یک شبح

نوترینو ها، آنها خیلی کوچک هستند.
آنها هیچ باری ندارند و هیچ جرمی ندارند
و اصلاً تعاملی ندارند.
— جان آپدایک، «Cosmic Gall»

نوترینوها. آنها کوچک هستند، فقط نقطه ای در فضا. هر یک از آنها به سختی بر چیز دیگری تأثیر می گذارند. آنها از درون شما، زمین، و خورشید عبور می کنند بدون اینکه ردی بگذارند. آنها تقریباً هرگز خود را نشان نمی دهند، اما بدون آنها نمی توانستیم بدانیم چرا ستاره ها می درخشند. آپدایک اشتباه کرده است: هر یک جرم اندکی دارند. در حالی که تعاملات فردی آنها کم اهمیت است، «Cosmic Gall» آپدایک تأثیر جمعی آنها را نادیده می گیرد - آنها به قدری زیاد هستند که، همه با هم، ممکن است مسیر کهکشان ها را تغییر دهند. آنها مرموزترین ذرات شناخته شده در جهان هستند. آنها شبح ذرات هستند.

۱
معمای نوترینو

این ذره ی هیچ، نوترینو نامیده شد، و تنها دلیلی که دانشمندان وجود آن را پیشنهاد دادند، نیازشان به این بود که محاسبات را متعادل کنند.... و با این حال، ذره ی هیچ ابدا یک هیچ نبود.
— اسحاق آسیموف، «نوترینو»

در میان کاغذها، عکس ها، و نمودارهایی که در یک سبد از وسایلی که پیشگامان نوترینو، کلاید کاوان و فرد راینز جمع کرده بودند، یک جعبه کبریت وجود دارد. هنوز پر از کبریت هایی است که حالا تقریباً ۵۰ سال قدمت دارند. روی بالا و پایین جعبه یادداشت های منظمی با خودکار نوشته شده است. پیام روی یک طرف جعبه به کنفرانس نوترینوی خورشیدی سال ۱۹۷۲ اشاره دارد که در دانشگاه کالیفرنیا، اروین برگزار شد. روی طرف دیگر جعبه نوشته شده است که علاوه بر تقریباً ۳۰ کبریت، جعبه حاوی حدود ۴۵ الکترون نوترینو است.

این یادبود، نشان می دهد که تعداد عظیمی از نوترینوها از سوی خورشید پراکنده می شوند. در هر لحظه، ۴۵ نوترینوی خورشیدی در هر حجم ۲۵ سانتی متر مکعبی از زمین وجود دارد، زیرا این اندازه ی جعبه کبریت است، و جعبه کبریت می تواند در هر جایی از زمین باشد. با فرض اینکه شما در حدود اندازه ی یک بزرگسال معمولی هستید، در حال حاضر حدود ۱۰۰،۰۰۰ نوترینو درون شما وجود دارد که از اعماق خورشید می آیند.

نوترینوهای خورشیدی در درون شما نمی نشینند. آنها تقریباً با سرعت نور حرکت می کنند. آنهایی که الآن در بدن شما هستند، یک عکس لحظه ای از ۱۰۰ هزار میلیارد نوترینوی خورشیدی هستند که در هر ثانیه از درون شما عبور می کنند. خورشید یکی از قوی ترین منابع نوترینو است که انسان ها با آن روبرو هستند، اما به هیچ وجه تنها منبع آن نیست. پرتوهای کیهانی که به سمت جو زمین جاری می شوند، رگبارهایی از آنها را تولید می کنند. همچنین آنها از رآکتورهای هسته ای پراکنده می شوند، و از مواد رادیواکتیو طبیعی در زمین نیز ساطع می شوند. ساعت های مچی رایج که بر پایه ی لوله های درخشان پر شده از گاز تریتیوم (هیدروژن رادیواکتیو) کار می کنند، حدود یک میلیارد نوترینو در هر ثانیه تولید می کنند.

یک منبع دیگر از نوترینوها وجود دارد که مقدار آن از موارد فوق هم بیشتر است - آنها تقریباً از آغاز زمان می آیند. ما غرق در نوترینوهایی هستیم که قدیمی ترین ذرات هستند. آنها از زمان بیگ بنگ باقی مانده اند و در اولین صدم های ثانیه پس از شروع جهان ایجاد شده اند. این نوترینوهای باقیمانده، به دمای چند درجه بالاتر از صفر مطلق خنک شده اند و از همه ی نوترینوهای دیگر بیشتر هستند. شما بالای ۳۰۰ نوترینوی بیگ بنگ در نوک انگشت شصت خود در این لحظه دارید. وقتی که اینها را در نظر بگیرید، درون جعبه کبریت خیلی بیشتر از ۴۵ نوترینوی خورشیدی وجود دارد. با شمارش نوترینو های باقی مانده، تعداد آنها نزدیک به ۸۰۰۰ در حجم ۲۵ سانتی متر مکعبی جعبه کبریت می شود.

نوترینوها پس از ذره های نور که فوتون می نامیم، بیشترین ذرات در جهان هستند. و با این حال، از زمانی که نوترینو برای اولین بار در حدود یک قرن پیش مطرح شد، پژوهشگران با سوالات بیشتری درباره ی این ذره که نام آن به معنای «کوچک و بی طرف» است مواجه شده اند تا جواب هایی که پیدا کرده اند.

ذراتی وجود دارند که ما از وجود آنها مطمئن هستیم و خصوصیات آنها را خیلی خوب می دانیم. الکترون، پروتون، نوترون، و فوتون چند نمونه از مجموعه ی بزرگی از ذرات هستند که دانشمندان از طلوع فیزیک مدرن در اواخر قرن نوزدهم شناسایی و با دقت شگفت انگیز توصیف کرده اند. در طرف دیگر طیف، ذراتی وجود دارند که ممکن است وجود داشته باشند و ما درباره ی آنها چیز زیادی نمی دانیم. گراویتون های تولید کننده جاذبه، و گونه های مختلف نامزدهای احتمالی ماده ی تاریک، بین ذرات هنوز کشف نشده هستند که نظریه پردازان برای حل معماهای مختلف فیزیک ابداع کرده اند. اگر آنها واقعا وجود داشته باشند، خصوصیات آنها صرفا حدس و گمان نظری است. تاکنون آزمایش ها فقط توانسته اند به ما بگویند که آنها چه ویژگی هایی ندارند. این کمی شبیه به این است که بخواهیم پاگنده (Bigfoot) را پیدا کنیم و بگوییم که او در میدان تایمز نیست.

نوترینوها با این ویژگی متمایز هستند که ما مطمئن هستیم که وجود دارند، اما برخلاف سایر ذرات تأیید شده، ما نسبتاً کم درباره ی آنها می دانیم. در زیر شش ویژگی ثابت شده ی نوترینوها در زمان نگارش این کتاب آورده شده است:

• نوترینوها ذرات بنیادی هستند که قسمت داخلی ندارند.
• آنها بار الکتریکی ندارند.
• آنها چرخش ۱/۲ دارند (که یک خصوصیت کوانتومی است که تصورش دشوار است اما تقریباً مانند چرخش یک فرفره (Top) است).
• آنها تحت تأثیر نیروی ضعیف هستند که عامل رادیواکتیو بودن برخی از اتم هاست.
• آنها حداقل در سه نوع، که «طعم» نامیده می شوند، وجود دارند.
• گمان می رود که حداقل برخی از نوترینوها جرم داشته باشند.

در مقابل، این لیست هشت چیزی است که ما هنوز درباره ی نوترینوها نمی دانیم:

• آنها چقدر جرم دارند؟ جرم نوترینوها حداکثر یک میلیونیم جرم الکترون است، که سبک ترین ذره ی بعدی است. تمام چیزی که ما با اطمینان می دانیم این است که جرم آنها کمتر از جرمی است که آزمایش ها تاکنون توانسته اند اندازه گیری کنند.
• کدام نوترینو سنگین تر است؟ نوترینوها ترکیبی از سه جرم هستند. دو تای آنها نزدیک به هم هستند و سومی متفاوت است. اینکه سومی سبک تر یا سنگین تر از دو تای دیگر است، هنوز نامعلوم است. این مساله مهم است، زیرا بر پیش بینی های نظریه ها و نتایج آزمایش هایی که می توانند درک ما از جهان را به طور بنیادین تغییر دهند، تاثیر می گذارد.
• جرم آنها از کجا می آید؟ ذره هیگز، که در سال ۲۰۱۲ کشف شد، وجود یک مکانیزم را تأیید کرد که به سایر ذرات بنیادی جرم می بخشد. اما ما نمی دانیم چرا نوترینوها جرم دارند. ممکن است مکانیزم هیگز باشد، اما این به این معنی است که نوع های بیشتری از نوترینوها وجود دارد که هیچ کس ندیده است، که بخشی از معمای بعدی را تشکیل می دهد.
• چند نوع هستند؟ شکی نیست که حداقل سه «طعم» نوترینو وجود دارد. نظریه هایی که سعی در توجیه جرم نوترینو دارند، پیشنهاد می کنند که ممکن است یک یا چند نوع دیگر، علاوه بر آنهایی که قبلاً پیدا کرده ایم، وجود داشته باشد، که مجموع آنها چهار یا شاید شش می شود. برخی از آزمایش ها هم به وجود یک یا چند نوع نوترینوی عجیب و غریب اشاره می کند، که ممکن است تعداد کل نوترینوها را به بسیار بیشتر از سه ببرد.
• آیا نوترینو ها خودشان ضد ذرات خود هستند؟ الکترون، پروتون، و بسیاری از ذرات دیگر شریک ضد ماده مشخصی دارند، که دقیقاً همان جرم را دارد اما با بار الکتریکی مخالف. جفت های ذره-ضد ذره می توانند در صورت برخورد با یکدیگر، در یک انفجار با آزاد کردن انرژی نابود شوند. به عنوان ذراتی که بار الکتریکی ندارند، نوترینوها ممکن است خودشان ضد ذرات خود باشند، یا شاید هم نه.
• چگونه نوترینوها به وجود ماده در جهان مرتبط هستند؟ اگر یک نوترینو خودش ضد ذره خود باشد، می تواند به توضیح دلیل وجود ماده ی کافی برای ساخت کهکشان ها، ستاره ها، و سیارات کمک کند. به عنوان یک قاعده، هر چیزی که ماده ایجاد می کند، مثل بیگ بنگ که شروع کننده ی جهان است، همچنین مقادیر برابری از ضد ماده را نیز ایجاد می کند. اما اگر ماده و ضد ماده با هم تماس پیدا کنند، در یک انفجار انرژی نابود می شوند. نوترینوها ممکن است کلید توضیح دلیل وجود ماده در جهان (به جای وجود جهانی وسیع و تهی) را در دست داشته باشند.
• آیا نوترینوها بر دینامیک (حرکت) ستاره ها و کهکشان ها تأثیر می گذارند؟ اخترشناسان می توانند از مدار ستاره هایی که در لبه ی خارجی کهکشان ها هستند بفهمند که ماده ای که ما می توانیم ببینیم فقط در حدود یک ششم از آنچه باید باشد است. پنج ششم دیگر، ماده ی تاریک و مرموز است. نوترینوها، هم آنهایی که می شناسیم، و به خصوص آنهایی که سنگین تر هستند و ممکن است منتظر کشف باشند، از جمله نامزدهای احتمالی برای توضیح ماده ی تاریک هستند.
• آیا نوترینوها خصوصیات مغناطیسی دارند؟ ما نمی دانیم نوترینوها چگونه به میدان های مغناطیسی واکنش نشان می دهند، اگر اصلاً واکنش نشان دهند.

تصویر ما به دلیل تضاد بین نظریه ها، اندازه گیری های تجربی، و مشاهدات نجومی، از این هم آشفته تر است. در موارد گوناگون، اندازه گیری ها و مشاهدات، در حالی با نظریات مغایرت دارند که همزمان با یکدیگر هم در تضاد هستند.

این وضعیت قرار است تغییر کند. آزمایش هایی که در حال انجام هستند، و سایر آزمایش هایی که برنامه ریزی شده اند یا در حال ساخت هستند، به احتمال زیاد بسیاری از سوالات باقیمانده را حل خواهند کرد. جستجوها برای برخی از انواع عجیب و غریب نوترینوها ممکن است تا نیمه ی دهه ۲۰۲۰ به نتیجه برسد. ممکن است یک دهه یا بیشتر طول بکشد تا جرم نوترینوها را با دقت اندازه گیری کنیم. ممکن است در یک دهه، اگر زودتر نشود، شواهد روشنی را پیدا کنیم که نشان دهند که آیا یک نوترینو همان ضد ذره خود است یا نه. کشف هایی مانند اینها، فهرست رازهای باقیمانده ی نوترینوها را کوچک خواهد کرد و فهرست خصوصیات آنها را تکمیل، و شاید همزمان برخی از پازل های عمیق علم مدرن را حل. البته آزمایش های آینده ممکن است ناسازگاری ها، تضادها، و تعارضات بیشتری را بین مشاهدات و آزمایش های مختلف نوترینو نمایان کند.

اگر کشفیات علمی در آینده ی نزدیک، همانند بسیاری از آنهایی که قبل از آنها آمده اند باشند، بینش های نظری که پس از نتایج تجربی بدست خواهند آمد، مختصر، زیبا، و قدرتمند خواهند بود. از دیدگاه مورای گل-مان، یکی از معماران فیزیک ذرات مدرن، چنین ویژگی هایی از جمله آنهایی هستند که نظریات را زیبا می کنند. «ما در رشته ی فیزیک بنیادی، تجربه ی شگفت انگیزی داریم که زیبایی، یک معیار بسیار موفق برای انتخاب نظریه ی درست است» گل-مان در سخنرانی TED خود در سال ۲۰۰۷ گفت. «و وقتی ریاضیات بسیار ساده است - وقتی با استفاده از برخی از علائم ریاضی، می توانید نظریه را در فضایی بسیار اندک، بدون پیچیدگی زیاد، بنویسید - این در واقع همان چیز است که منظور ما از زیبایی یا شکوه است.»

به جدول تناوبی عناصر فکر کنید. قبل از کشف ذرات زیراتمی، هیچ راه منسجمی برای درک تمام عناصر به جز از طریق طبقه بندی شیمیایی وجود نداشت. شیمیدانان اولیه محدود به مرتب سازی عناصر به شکلی بودند که یک گیاه شناس ویکتوریایی گل ها را دسته بندی می کرد، و آنها را بر اساس ویژگی های قابل مشاهده و رفتار شیمیایی خود گروه بندی می کردند. این منجر به انواعی از نظام های سازماندهی شده بود، از فهرست های ساده که به ترتیب جرم اتمی بودند و پر از جاهای خالی غیر قابل توضیح، تا گروه بندی های تقریباً شاعرانه ای که بر اساس تشابه با اکتاو های موسیقایی انجام می شد. این چینش ها، نشان دهنده ی چیزی عمیق و مهم در مورد عناصر بود.

دانستن ساختار زیراتمی اتم ها باعث می شود که تمام عناصر در جدول تناوبی در جای خود قرار گیرند. مفهوم والانس، که نحوه ی ترکیب عناصر را توصیف می کند، یک زمان صرفا بر اساس مشاهدات بود. اکنون می توانیم با دانشی که از طبیعت کوانتومی الکترون ها داریم، آنها را بفهمیم و پیش بینی کنیم. ایزوتوپ های عناصر، با خواص شیمیایی یکسان اما جرم های متفاوت، بدون اطلاع از وجود نوترون ها، کاملاً غیر قابل توضیح بودند. و افزایش تقریباً، اما نه کاملاً منظم جرم از یک عنصر به عنصر دیگر هنگام حرکت در جدول تناوبی، فقط زمانی به طور منطقی قابل توضیح است که هم درباره ی ذرات در هسته و هم درباره ی نیروهایی که آنها را به هم پیوند می دهند بدانید.

ناهنجاری ها و تنش های تجربی در فیزیک نوترینو، ممکن است نشانه ی این باشد که ما در وضعیتی مشابه وضعیت شیمیدانان در قرن ۱۹ قرار داریم. در رشته های علمی دیگر، نشانه هایی وجود دارد که حاکی از ناقص بودن درک ما از فیزیک ذرات است. کشفیات آینده در ارتباط با نوترینو احتمالا به تنهایی فیزیک را به شکلی که ذرات زیراتمی پایه های جدول تناوبی را بازنویسی کردند، دگرگون نخواهند کرد. اما رازهای مبتنی بر نوترینوها، اشاره های جذابی به وجود ایرادهای احتمالی در برخی از موفق ترین و به طور کامل آزمایش شده ترین نظریه ها می کنند. شکی نیست که چشم انداز فیزیک نوترینو در آستانه تحولات بزرگ قرار دارد.

در عین حال، همان ویژگی هایی که مطالعه ی نوترینوها را چالش برانگیز می کنند، باعث می شوند که آنها پنجره ای منحصر به فرد برای بررسی زمین، ستارگان، کهکشان ها، و خود جهان باشند. نوترینوها در واکنش های هسته ای به وجود می آیند. سپس بیشتر آنها از سیارات، ستارگان، و فضاهای بین آنها عبور می کنند در حالی که هیچ تأثیری نمی پذیرند. نور، امواج رادیویی، پرتوهای ایکس، و سایر سیگنال هایی که اخترشناسان برای مطالعه ی کائنات استفاده می کنند، توسط گرد و غبار و اشیای بین ما و منابع آنها پراکنده، جذب، و منحرف می شوند.

به دام انداختن نوترینوها دشوار است، اما وقتی موفق به مشاهده ی آنها می شویم، اطلاعات بکری درباره ی منشا خود ارائه می دهند - چه یک راکتور هسته ای باشد، چه قلب خورشید، چه یک ابرنواختر دوردست، یا حتی لحظات بسیار اولیه پس از بیگ بنگ. نوترینوها در حال حاضر چیزهایی را درباره کیهان نشان می دهند که تنها چند سال پیش به نظر می رسید که برای همیشه از ما پنهان بماند. آنها به زودی به ما کمک خواهند کرد تا جهان را به روش هایی که فراتر از توان سایر ابزارها و تکنیک های علمی است، بررسی کنیم. اگرچه کاربردهای عملی نوترینوها هنوز در حد خیال می باشد، ولی ویژگی های منحصر به فرد آنها نشان می دهد که ممکن است منجر به کاربردهای تجاری و فناورانه ای شوند که از هر راه دیگری غیر ممکن باشد.

قبل از اینکه کسی بتواند تصور کند که نوترینوها چنین پتانسیلی دارند، آنها شخصیت اصلی یک درام چند دهه ای بودند. پرده ی اول زمانی اجرا شد که هنوز مشخص نبود که آیا نوترینوها وجود دارند یا نه.

۲
یک پیشنهاد از سر ناچاری

نه همه مایلند بگویند که به وجود نوترینو اعتقاد دارند، اما می توان گفت که به سختی یکی از ما وجود دارد که از فرضیه ی نوترینو در تجزیه ی بتا بهره مند نشود.
— اچ. ریچارد کرین

نوترینو از تناقض پدید آمد. او یک خویشاوند کوچک و مرموز الکترون بود، یک عضو جدید از خانواده ی ذرات که کوچک ترین قطعات غیر قابل تجزیه هستند که همه چیز در جهان از آنها ساخته شده است. و هیچ کس آن را نمی خواست. به گفته ی شخصی که اولین بار آن را تصور کرد، ایده ی نوترینو یک ایده ی وحشتناک بود. مانند یک راز خانواده ی ذرات، در نهایت غیر قابل انکار بود.

از یک طرف یک کشف گیج کننده در رشته ی جوان فیزیک اتمی اتفاق افتاده بود؛ از طرف دیگر یک چهارچوب نظری وجود داشت که در طول قرون به وجود آمده بود. راه حل برای برطرف کردن تضاد، یک انتخاب روشن بود. ممکن بود نوترینوی شبح وار باشد که تقریبا به نحوی عالی ناسازگاری را رفع می کند. یا ما می توانیم قوانینی را کنار بگذاریم که ما را از زمان فلاسفه ی باستان تا عصر اتم هدایت کرده اند.

نیلز بور، یکی از فیزیکدانان تاثیرگذار قرن بیستم، به وجود نوترینو اعتقاد نداشت. او فکر می کرد که قوانین پایستگی انرژی و تکانه در برخی موارد معتبر نیستند. او آماده بود این اصول بنیادی فیزیک را رها کند.

نگرش او کاملاً غیرمنطقی نبود. در علم، هیچ قانونی مطلق نیست. دانشمندان می توانند یک قانون موجود را به چالش بکشند و نشان دهند که اشتباه است، یا شرایط جدیدی را پیدا کنند که در آن شکست می خورد. اینها راه های رایجی برای به دست آوردن شهرت و احترام در جامعه علمی هستند.

اما بعضی از قوانین مقاوم تر و اساسی تر از دیگران هستند. پایستگی انرژی و تکانه از جمله قوانینی هستند که در برابر چالش های بی شمار، مقاومت کرده و به عنوان ایده های بنیادین برای حل مسائل و آزمایش نظریات خدمت کرده اند. اگر فیزیک لوح مقدس داشت، آنها با قوانین بقا (پایستگی) حک شده بودند.

قوانین پایستگی چیزهایی را که در یک سامانه ثابت هستند توصیف می کنند. انرژی، به عنوان مثال، می تواند تغییر شکل دهد، اما مقدار کل آن نمی تواند بالاتر یا پایین تر شود مگر اینکه ارتباطی با منبع خارجی انرژی وجود داشته باشد یا نشتی وجود داشته باشد که بخشی از انرژی را فراری دهد.

یک توپ که روی قله ی یک کوه تعادل دارد، انرژی پتانسیل ذخیره شده دارد. هنگامی که شروع به حرکت به سمت پایین کوه می کند، بخشی از آن پتانسیل به حرکت یا انرژی جنبشی تبدیل می شود. در هر لحظه که توپ به سمت پایین کوه می چرخد، مجموع انرژی های پتانسیل و جنبشی ثابت می ماند.

به همین ترتیب برای تکانه: می تواند از یک شی به شی دیگر منتقل شود، همان طور که هنگام برخورد توپ های بیلیارد اتفاق می افتد، اما نمی تواند ایجاد یا نابود شود. اگر شما همه ی تکانه های روی میز را قبل و بعد از ضربه زدن اندازه بگیرید، پایستگی تکانه باعث می شود که مجموع ثابت بماند.

در زندگی روزمره، ممکن است به نظر بیاید که انرژی و تکانه حفظ نمی شوند. این فقط به این دلیل است که ممکن است حساب کردن تمام انرژی و تکانه در یک سیستم دشوار باشد. توپ های بیلیارد بخشی از انرژی و تکانه ی خود را به سطح میز منتقل می کنند. میز، به نوبه خود، از طریق پایه های خود به زمین متصل است، زمین در مدار خورشید قرار دارد (به لطف جاذبه ای که آنها را به هم متصل می کند). و البته، یک بازیکن بیلیارد، حداقل به طور موقت، از طریق چوب خود به توپ ها متصل است. توصیف کامل یک بازی بیلیارد نیاز به نگه داشتن تمام این قسمت ها در ذهن دارد.

این پیچیدگی هم وجود دارد که ما عادت داریم چیزهایی را ببینیم که کاهش می یابند، همان طور که به دلیل اصطکاک بین سطح گوی بیلیارد و میز پوشیده شده از پارچه، و همچنین به خاطر مقاومت هوا در تماس با گوی در حال حرکت، اتفاق می افتد. یک حسابداری کامل باید شامل هر قسمت، همراه با اثرات اصطکاک و مقاومت باشد. این نوع مسائل بخشی از دلایلی است که باعث شد ارسطو معتقد باشد که حالت طبیعی برخی اشیا سکون است - دیدگاهی کاملاً مغایر با قانون بقای (پایستگی) انرژی و تکانه.

فهم روشن از اهمیت قوانین پایستگی فقط با خلاقیت دانشمندانی مانند گالیله و نیوتن، همراه با درک اینکه گرمای ناشی از اصطکاک و مقاومت هوا یک شکل دیگر از انرژی است، به وجود آمد. پیشرفت های صورت گرفته در چند قرن گذشته منجر به تبدیل شدن قوانین پایستگی (بقا) به بنیان های نظریات حرکت، جاذبه، برق و مغناطیس، شیمی، زیست شناسی، و تقریباً هر علم مدرن دیگری، شده است. در تمام این رشته ها، قوانین پایستگی برای توصیف جهان، پیش بینی کردن، و بررسی کردن نتایج تجربی، بسیار مهم هستند. اگر نظریه ی جدید شما با یک قانون بقای (پایستگی) پایه ای مغایرت داشته باشد، به احتمال زیاد اشتباه است.

مگر اینکه این طور نباشد، و یک انقلاب علمی در حال رخ دادن باشد. از حدود سال ۱۹۱۴ به بعد، به نظر می رسید که حداقل این احتمال وجود دارد که برخی از محترم ترین قوانین پایستگی در فیزیک، در حال تضعیف شدن باشند.

انقلاب و بحران پایستگی

آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ با نشان دادن اینکه ماده و انرژی در اصل یک چیز هستند، اعتبار جدیدی به قانون پایستگی انرژی داد. انرژی کل یک سیستم، شامل انرژی موجود در جرم اجزای آن، به علاوه ی هر گونه انرژی پتانسیل و جنبشی است. ما دقیقاً می دانیم که جرم و انرژی چگونه با هم مرتبط هستند، بر اساس معادله ی مشهور اینشتین که بر روی همه چیز از کتاب های درسی گرفته تا لباس ها چاپ شده است: E = mc به توان ۲.

این معادله نشان می دهد که انرژی (E در سمت چپ علامت تساوی) همان جرم (m در سمت راست) است به شرطی که در سرعت نور به توان ۲ ضرب شود (c به توان ۲). با معادله خود، انیشتین نشان داد که بقای جرم فقط یک جنبه از قانون کلی تر بقای جرم-انرژی است. در بیشتر علوم، و به ویژه در فیزیک، جایگزین کردن قوانین چندگانه با یک قانون، نشانه ی پیشرفت است؛ و منجر به روش های شفاف تر، مختصرتر، و زیباتر برای درک جهان می شود. معادله ی کوتاه انیشتین یکی از مهم ترین ساده سازی های علمی در تاریخ است.

فرض کنید که شما یک اتم دارید که در فضا ساکن است. اگر اتفاقا یک اتم رادیواکتیو باشد، می تواند در هر لحظه منفجر (شکافته) شود. این انفجارات اتمی در اصطلاح فیزیک «واپاشی» نامیده می شوند. مانند فاسد شدن یک سیب، این تغییر خود به خود رخ می دهد. انرژی یک سیب، با فاسد شدن آن توسط میکروب ها آزاد می شود. انرژی یک اتم زمانی آزاد می شود که یک قطعه از هسته ی آن در مرکز جدا شود، یا وقتی که نوری را تابش کند.

اگر یک اتم به طور اتفاقی به دو قسمت شکسته شود، بینش انیشتین می تواند به شما کمک کند تا هر چیزی که می خواهید در مورد قسمت هایی که در نهایت بدست می آورید، بدانید. شما جرم اتم اولیه را می دانید. با قرار دادن در معادله ی انیشتین، شما انرژی کل آن را می فهمید. بعد از شکسته شدن، دو قسمت با سرعت هایی که می توانید اندازه گیری کنید، از هم دور می شوند، به علاوه می توانید جرم دو قسمت را هم اندازه گیری کنید.

اگر شما همه ی انرژی را بعد از شکسته شدن، از جمله انرژی موجود در جرم قطعات و انرژی جنبشی آنها را جمع کنید، دقیقاً برابر با انرژی کل اتمی خواهد شد که شما با آن آغاز کرده اید. در واقع، شما حتی نیاز ندارید که انرژی هر دو تکه را اندازه گیری کنید تا بدانید که انرژی کل و تکانه هنگامی که یک ذره به دو قطعه شکسته می شود، تغییر نمی کند. آنچه واقعاً نیاز دارید این است که بررسی کنید که یکی از قطعات همیشه همان انرژی را دارد که قبل از واپاشی داشته است.

شلیک کردن با یک تفنگ دستی را در نظر بگیرید. در ابتدا، شما یک تکه دارید - تفنگ پر شده - و بعد، دو تکه - تفنگ دودی و یک گلوله در حال پرواز. گلوله در هر بار شلیک با انرژی یکسان از لوله خارج می شود. اگر انرژی و تکانه ی گلوله را اندازه بگیرید (کاری که علاقه مندان به تفنگ با شلیک به یک بلوک آویزان از یک آونگ و بررسی مقدار بالا رفتن آن انجام می دهند) به طور خودکار انرژی و تکانه ی انتقال یافته به تفنگ را می دانید. این اساساً همان کاری است که ارنست رادرفورد، فیزیکدان، انجام داد، وقتی کشف کرد که قطعاتی که از اتم‌های رادیوم خارج می‌شوند، ذرات آلفا هستند.

یک ذره آلفا مثل یک اتم هلیوم است، جز اینکه الکترون هایی که معمولاً هسته ی هلیوم را همراهی می کنند، ندارد. به عبارت دیگر، فقط یک هسته است که از یک جفت پروتون و نوترون که محکم به هم چسبیده اند تشکیل شده است. در آن زمان، فیزیکدانان از وجود نوترون‌ها آگاه نبودند و تنها دو ذره را می‌شناختند که به اعتقاد آن‌ها بلوک‌های اساسی سازنده ی همه مواد بودند: الکترون‌ها و پروتون‌ها. فرض منطقی در آن زمان این بود که ذره ی آلفا معادل جدید و زیراتمی گلوله ای است که از یک اتم شلیک می شود.

هر بار که رادرفورد انرژی ذرات آلفا را که از واپاشی رادیوم به دست می‌آمدند اندازه‌گیری می‌کرد، متوجه می‌شد که آنها با سرعت یکسانی حرکت می‌کنند، و بنابراین در هر مورد انرژی جنبشی یکسانی دارند.

وضعیت ذره ی دیگری که رادرفورد مطالعه کرد ناواضح تر بود. به درستی آن را ذره بتا نامیدند (اگرچه می توانستند نامگذاری بهتری انجام دهند)، زیرا دومین نوع از سه نوع تشعشع متمایزی بود که رادرفورد، همراه با تابش آلفا و گاما شناسایی کرد. بلافاصله پس از کشف، معلوم شد که ذرات بتا الکترون هستند. واپاشی های رادیواکتیوی که الکترون تولید می کنند، امروزه هنوز واپاشی های بتا نامیده می شوند.

به نظر می رسید که این واپاشی تنها به دو ذره منتهی می شود: یک هسته ی دختر باقیمانده پس از واپاشی هسته ی والد، همراه با یک ذره ی بتا. همانند آلفاها، پایستگی انرژی و تکانه ایجاب می کرد که ذره ی بتا در هر فروپاشی، هر بار، دقیقاً با همان سرعت پرواز کند.

ولی این چیزی نبود که آزمایشات نشان می داد. فیزیکدان بریتانیایی جیمز چادویک دریافت که ذرات بتا با طیف وسیعی از سرعت ها ظاهر می شوند، یعنی آنها طیفی از انرژی ها را دارند. انرژی و تکانه حفظ نشده بود. با مقادیری که از اندازه‌گیری به اندازه‌گیری متفاوت بود، در یک نقض آشکار قانون پایستگی. چیزی غیر منتظره در حال وقوع بود. اینکه دقیقا چه بود معلوم نبود.

سه ایده ی اصلی برای پاسخ به تضاد گیج کننده بین قوانین بقا و فروپاشی بتا با هم رقابت می کردند. رادرفورد پیشنهاد کرد که ذره ی بتا با همان انرژی کامل مورد نیاز قوانین بقا خارج می شود، اما قبل از انجام اندازه گیری، مقادیر تصادفی از انرژی را از دست می دهد. اینکه انرژی چگونه ناپدید می شود، به کجا می رود، و چرا هیچ نشانه ای از آن وجود ندارد، برای رادرفورد و دیگران روشن نبود. لیز مایتنر، پیشگام فیزیک اتمی، از جمله حامیان این ایده بود که با حرکت ذره ی بتا از میان میدان های الکتریکی قوی در نزدیکی هسته، انرژی از دست می رود. نیلز بور ایده ی دیگری داشت، بسیار رادیکال تر (متفاوت تر).

جایگاه بور به عنوان پدر مکانیک کوانتومی، باعث می شد تا دیدگاه‌های او در مورد آنچه که ممکن است طیف فروپاشی بتا را توضیح دهد، مورد توجه قرار گیرد. در سال ۱۹۱۳، بور با الهام از کشف هسته ی اتم توسط رادرفورد، مدلی از اتم با یک هسته ی سنگین، احاطه شده توسط الکترون های در حال چرخش را ابداع کرده بود. این مدل، برای اتم هیدروژن با یک پروتون و یک الکترون به خوبی جواب داده بود، و توضیح می داد که چرا الکترون ها در مدارهای گسسته یا کوانتیزه شده (پله ای) در اتم ها می چرخند. این یکی از اولین دستاوردهای فیزیک کوانتومی بود. اگرچه مدل بور از اتم انقلابی بود، در مقایسه با پیشنهاد او برای توضیح واپاشی بتا در یک دهه و نیم بعد، رام به حساب می آمد.

بور استدلال می‌کرد که اینکه الکترون های ظاهر شده، طیفی از انرژی ها را دارند به این معنا است که قانون بقای انرژی برای ذرات زیراتمی صادق نیست. او مدافع این بود که زمان آن فرا رسیده است که قوانین بقا را که از جمله موفق ترین ایده ها در تاریخ علم بوده اند، کنار بگذاریم.

در نگاه اول، پیشنهاد بور ممکن است برای رشته ی تازه متولد شده ی مکانیک کوانتومی چندان غیر عادی به نظر نرسد. هر چه باشد، این رشته ای است که مملو از پدیده هایی است که هیچ مشابه شهودی در زندگی روزمره ی ما ندارند. همان طور که اکنون می دانیم، چیزهایی مانند تونل زنی کوانتومی که به ذرات اجازه می دهد که به طور ناگهانی در طرف دیگر یک مانع غیر قابل نفوذ ظاهر شوند، یا درهم تنیدگی ذراتی که از نظر مکانی از هم دور هستند اما به نوعی موجودیت واحد خود را حفظ می کنند، و تلپورتیشن (دورنوردی) کوانتومی، موضوعاتی عادی در مکانیک کوانتومی هستند، و زیربنای فناوری هایی مثل ترانزیستور و لیزر هستند. شاید اعتقاد ما به قانون پایستگی انرژی، به دلیل ناآگاهی ما از جهان کوانتومی بود نه به خاطر درک ما از فیزیک کلاسیک.

تمایل بور به دور انداختن اصل بقای انرژی برای درک واپاشی بتا، موضوع متفاوتی بود. دور انداختن اصل بقای انرژی به این معنا بود که نه تنها اثرات کوانتومی می توانند غیر قابل درک به نظر برسند بلکه فهم ما از دنیای آشنای اطرافمان اشتباه است. این مساله همچنین برخلاف قانونی بود که خود بور توسعه داده بود، مبنی بر اینکه هر ایده ی عجیب و غریبی که فیزیکدانان برای جهان کوانتومی پیشنهاد می کنند، باید به آسانی به دنیای عادی تجربیات ما در جهان ماکروسکوپی انتقال پیدا کند. این قانون در دیگر موارد، هنگام برخورد جهان کوانتومی و کلاسیک، بی عیب و نقص عمل کرده بود. اما بور اجازه نداد که این قانون مانع از این شود که او نوترینوها و قانون بقا را رد کند.

از کار افتادن اصل هم خوانی

یکی از اولین دستاوردهای قابل توجه مکانیک کوانتومی، کشف این بود که نور در قطعات مجزا منتشر می شود – یعنی نور گسسته است. انیشتین در سال ۱۹۰۵ پیشنهاد کرد که نور از ذراتی ساخته شده است که امروزه آنها را فوتون می نامیم. آرتور کامپتون آن را با آزمایش های پراکندگی ذرات در اوایل دهه ۱۹۲۰ تأیید کرد.

دانشمندان از صدها سال قبل از آن، فکر می کردند که نور به صورت امواج حرکت می کند. این امواج مانند امواج روی آب یا صدا در هوا هستند. این ایده برای اندیشیدن به نور در بسیاری از مواقع خوب است. به عنوان مثال، هنگامی که امواج از یک سوراخ کوچک عبور می کنند، به نحوی گسترش می یابند که به آن الگوی پراش (diffraction) می گوییم. در امواج اقیانوس به راحتی می توانید این پدیده را ببینید؛ وقتی که آنها به دیواری برخورد می کنند که شکاف کوچکی در آن وجود دارد، یا وقتی که به کناره های یک بلنداسکله (jetty) برخورد می کنند. در کلاس های آزمایشگاهی دبیرستان، می توانید این پدیده را با نور مشاهده کنید. می توانید لیزر را از پشت یک سوراخ خیلی کوچک بتابانید. نور در طرف دیگر سوراخ به طور مستقیم حرکت نمی کند، بلکه در یک الگوی پراش پراکنده می شود، شبیه به الگویی که امواج آب ایجاد می کنند.

تصور کنید که یک فوتون از یک سوراخ کوچک عبور می کند. اگر ذره باشد، نمی تواند پراکنده شود. ممکن است جهت خود را تغییر دهد، اما به صورت یک ذره باقی می ماند. به خودی خود نمی تواند مانند پرتویی از امواج، الگوی پراش ایجاد کند. دو مدل از نور وجود دارد. یک مدل می گوید که نور از امواج ساخته شده است. مدل دیگر می گوید که از ذرات ساخته شده است. به نظر می رسد که این مدل ها بسیار متفاوت هستند. آنها به خوبی با هم هماهنگ نیستند. چگونه می توانیم نور را توضیح دهیم؟ گاهی اوقات مانند قطعات گسسته عمل می کند، گاهی اوقات مانند امواج پیوسته. چگونه نور می تواند هر دو کار را انجام دهد؟

به نظر می آید که این دو جهان به هم ربطی نداشته باشند. دنیای کوانتومی، تکه تکه است و از ذرات و فوتون ها ساخته شده است. دنیای کلاسیک، دنیای پیوسته ای است که ما آن را تجربه می کنیم. اصلی که این عدم ارتباط را معنا می کند، اصل هم خوانی نام دارد. اتفاقا این اصل زاییده ی فکر خود بور بوده است.

با فاصله گرفتن از یک سیستم کوانتومی که تعداد کمی ذرات دارد، تصویر تغییر می کند و شامل ذرات بیشتر و بیشتر و اجسام و سیستم های بزرگتر می شود. در این انتقال، اثرات کوانتومی به تدریج کم رنگ می شوند، تا اینکه شما به نقطه ای می رسید که قوانین کلاسیک به طور کامل حاکم می شوند و دنیای عجیب و غریب کوانتومی ناپدید می شود.

تصور کنید که یک سوراخ و فوتون های زیادی دارید. فوتون ها را یکی یکی از سوراخ می فرستید. یک صفحه ی نمایش در طرف دیگر سوراخ دارید. شما نمی توانید پیش بینی کنید که هر فوتون روی صفحه در کجا فرود می آید. اگر نقطه ی فرود هر فوتون را علامت گذاری کنید، در ابتدا مجموعه ای تصادفی از نقاط را روی صفحه می بینید. اما اگر برای مدت طولانی به ارسال فوتون ادامه دهید، یک الگوی مشخص را روی صفحه می بینید. این همان الگویی است که اگر از امواج نوری به جای فوتون ها استفاده کنید، می بینید. این الگو توسط محاسبات کوانتومی و قوانین کلاسیک به طور یکسان پیش بینی می شود. اما این محاسبات بسیار متفاوت هستند. محاسبات کوانتومی از توده هایی از ذرات منفرد استفاده می کنند، ولی قوانین کلاسیک از دنیای یک تکه و پیوسته ای استفاده می کنند. رویکرد کوانتومی، و توصیف موجی، هر دو نتیجه ی یکسانی را بدست می آورند. این نمونه ای از اصل هم خوانی بور است.

ولی، دیدگاه بور در مورد فروپاشی بتا برخلاف رویکرد رایج در مکانیک کوانتومی بود. مساله فقط این نبود که فروپاشی بتا، اصل بقای انرژی را در دنیای کوانتومی نقض می کرد، بلکه ما می توانستیم از آن برای نقض کردن اصل بنیادی بقای انرژی در مقیاس ماکروسکوپی هم استفاده کنیم.

این مساله از این منطق ناشی می شد که واپاشی بتا باید هم به سمت عقب و هم به سمت جلو قابل انجام باشد. یعنی اگر یک اتم کربن ناپایدار بتواند به طور خود به خودی یک الکترون ساطع کند و به نیتروژن تبدیل شود، پس یک اتم نیتروژن نیز باید بتواند یک الکترون بگیرد و به کربن تبدیل شود. اگر الکترون خارج شده از اتم کربنی که واپاشی بتا را تجربه می‌کند می‌تواند طیف وسیعی از انرژی‌ها را داشته باشد، پس الکترونی که در حین واپاشی بتای معکوس به درون اتم نیتروژن وارد می شود هم، می تواند طیف وسیعی از انرژی ها را داشته باشد.

با توجه به استدلال بور، تصور کنید که تعدادی الکترون را به سمت یک اتم نیتروژن پرتاب می کنید. اتم نیتروژن هر از گاهی یک الکترون را جذب می کند تا به یک اتم ناپایدار کربن تبدیل شود، سپس دچار واپاشی بتا می شود و یک الکترون آزاد می کند. نتیجه این می شود که یک الکترون رفته است و یک الکترون برگشته است.

اگر فقط الکترون های کم انرژی را به سمت هسته نیتروژن شلیک کنید، الکترون برگشت داده شده همچنان با طیفی از انرژی ها بیرون می آید. از این طریق می‌توان منبعی از الکترون‌های سرد را به منبعی از الکترون‌های داغ تبدیل کرد. نقطه شروع یک الکترون کم انرژی و یک هسته نیتروژن و نقطه پایان، یک هسته نیتروژن یکسان و یک الکترون با انرژی بالاتر است. سپس استخراج انرژی از این الکترون و ارسال مجدد آن برای اجرای دوباره ی فرآیند، که کار ساده ای خواهد بود. این طرح یک ماشین انرژی رایگان است.

این بیانگر بزرگی مشکلی است که طیف واپاشی بتا در اوایل دهه ۱۹۰۰ ایجاد کرده کرد که بور چنین ایده ی نامتعارفی را پیشنهاد می داد. سیستم‌های انرژی آزاد (رایگان)، و ماشین‌های حرکت دائمی که اغلب با آن‌ها مرتبط هستند، چنان کاملاً رد شده‌اند که به نمونه‌های نمادین علم بیمار تبدیل شده‌اند.

در واقع، اداره ثبت اختراع ایالات متحده قوانین خاصی در مورد ماشین‌های حرکت دائمی و انرژی آزاد دارد - بر خلاف سایر برنامه‌های ثبت اختراع، قبل از اینکه آنها حتی به بررسی آن فکر کنند، باید یک نمونه اولیه از کار برای آنها ارسال کنید. از زمان ایجاد این قانون، هیچ کس نتوانسته است درخواست ثبت اختراع خود را برای چنین دستگاهی در اداره ثبت اختراع ارائه کند.

این وسوسه انگیز است که فرض کنیم که بور مورد دیگری از رفتار کوانتومی عجیب و غریب را پیشنهاد می کند که می تواند از طریق اصل هم خوانی با واقعیت روزمره ما سازگار شود، و او معتقد بوده باشد که ماشین های انرژی رایگان مبتنی بر واپاشی بتا، صرفا آزمایش های فکری هستند که فقط برای سیستم های خیلی کوچک غیر قابل دسترس قابل استفاده هستند. ولی، در مقاله ای که در سال ۱۹۳۴ در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شد، ریچارد تولمن، فیزیکدان از موسسه فناوری کالیفرنیا، بحثی را با بور نقل می کند که نشان می دهد پیشگام کوانتومی (بور) معتقد بوده است که واپاشی بتا، بقای انرژی را همه جا نقض می کند و نه صرفاً در جهان کوانتومی. تولمن نوشته است: «با این وجود، همانطور که پروفسور بور در مکالمه با من اشاره کرده است، خارج شدن الکترون‌هایی که طیف وسیعی از انرژی‌ها را دارند، به معنای نقض آماری قانون پایستگی انرژی هم هست. به این معنا که اثر آن در دنیای ماکروسکوپی پاک نمی شود. در این شرایط، ما می‌توانیم با اجازه دادن به واپاشی، و سپس بازسازی هسته‌های اولیه با الکترون‌هایی که انرژی آنها نسبت به میانگین انرژی الکترون‌های ساطع شده کمتر است، به یک افزایش خالص واقعی در انرژی برسیم.»

ایده ی حرکت دائمی و ماشین‌های انرژی رایگان چنان در جامعه علمی نفرت‌انگیز است که احتمالاً فقط یک فیزیکدان در مقام بور می‌توانست از آن حمایت کند، بدون اینکه آسیب‌های جبران‌ناپذیری به شهرت و حرفه خود وارد کند. در انتخاب بین پذیرش تنها راه حل قابل قبول دیگر برای مساله ی واپاشی بتا، پیشنهاد شده توسط فیزیکدان اتریشی ولفگانگ پائولی، و کنار گذاشتن یک بخش بنیادی فیزیک مدرن، بور راه حل دوم را انتخاب کرد.

درمان از سر ناچاری پائولی

در اواخر سال ۱۹۳۰، زندگی شخصی ولفگانگ پائولی دچار آشفتگی شده بود. مادرش سه سال قبل خودکشی کرده بود. ازدواج ناخوشایند او که فقط یک سال از آن می گذشت، به هم خورده بود. پائولی به جای شرکت در یک کنفرانس فیزیک در توبینگن، رفتن به یک مجلس رقص در زوریخ را انتخاب کرد. با این حال، او به طور کامل از شرکت کنندگان در توبینگن غافل نشد. در ۴ دسامبر، او نامه ای را برای آنها فرستاد که با لحن شوخی نوشته شده بود، اما قصدی بسیار جدی داشت. در زیر چند گزیده مرتبط آورده شده است:

رادیواکتیوهای عزیز، خانم ها و آقایان،

... من به یک راه حل مستاصلانه (از سر ناچاری) برای حفظ تعامل رسیده ام... بین آمار و اصل بقای انرژی، با توجه به ... طیف پیوسته ی بتا. به طور دقیق، این احتمال وجود دارد که ذراتی بدون بار الکتریکی، که من می‌خواهم آن‌ها را نوترون بنامم، در هسته وجود داشته باشند، که دارای اسپین ۱/۲ هستند، از اصل طرد پیروی می‌کنند و علاوه بر این، با نداشتن سرعت نور خود را از فوتون‌ها متمایز می‌کنند. جرم نوترون ها باید ... از ۰.۰۱ جرم پروتون بیشتر نباشد. طیف پیوسته ی بتا قابل درک خواهد بود، اگر فرض کنیم که با واپاشی بتا، یک نوترون و یک الکترون گسیل می شود، به نحوی که مجموع انرژی نوترون و الکترون ثابت باشد....

در حال حاضر من به خودم اعتماد ندارم که چیزی در مورد این ایده ها منتشر کنم و ابتدا به شما اعتماد می کنم، با این سوال در مورد امکان اثبات تجربی وجود چنین نوترونی، اگر این نوترون توانایی نفوذ مثل پرتو گاما را داشته باشد. یا دارای ضریب نفوذ ۱۰ برابر بیشتر باشد.

اعتراف می‌کنم که راه‌حل من محتمل به نظر نمی‌رسد، زیرا اگر نوترون ها وجود داشتند، مدت‌ها پیش دیده شده بودند. اما فقط کسی برنده است که جرات کند. از این رو، ما باید به طور جدی در مورد هر مسیری برای راه حل بحث کنیم. رادیواکتیوهای عزیزم، تست کنید و قضاوت کنید. متأسفانه، من نمی توانم شخصاً در توبینگن باشم.

حقیرترین خادم شما
دبلیو پاولی

پائولی در نامه خود پیشنهاد می کند که ذره جدید خود را نوترون بنامد، اما نچسبید. این نام به ذره زیراتمی دیگری اطلاق می شود که در سال ۱۹۳۲ توسط جیمز چادویک کشف شد. مانند پروتون ها، نوترون های چادویک حدود ۲۰۰۰ برابر سنگین تر از الکترون ها هستند. پائولی حدس زد که ذره ی او از نظر جرم شبیه الکترون باشد، و در نتیجه انریکو فرمی نام نوترینو (در ایتالیایی به معنای بدون بار کوچک) را برای آن پیشنهاد کرد.

ذره ی پیشنهادی پائولی دارای خواص مناسب برای توضیح طیف واپاشی بتا است، ولی با روش‌های فیزیک تجربی موجود در آن زمان کاملاً غیر قابل تشخیص بود. برخلاف الکترون یا پروتون، هیچ بار الکتریکی حمل نمی کند. به دلیل جرمش، باید کمتر از سرعت نور حرکت کند. برای سازگاری با نظریه کوانتومی، باید معادل تکانه ی زاویه‌ای در مکانیک کوانتومی را که به آن اسپین (spin) گفته می شود، داشته باشد. به طور خاص، باید دارای اسپین ۱/۲ باشد، که تضمین می کند که واپاشی بتا با قوانین پایستگی تکانه ی زاویه‌ای در مکانیک کوانتومی تطابق دارد.

اگرچه از درک عمیق ناشی می شد، اما ذره ی پائولی یک سوال نگران کننده را به همراه داشت: نوترینو از کجا آمده است؟ شاید، او استدلال می کرد که هسته ی اتم از پروتون ها، الکترون ها، و نوترینوها ساخته شده است. دانشمندان به زودی متوجه خواهند شد که واقعا ذرات بدون باری در هسته ی اتم ها وجود دارند، اما این ذرات، نوترون های سنگین تر چادویک بودند، نه ذرات کم جرمی که بتوانند معمای واپاشی بتا را حل کنند.

پیشنهاد جایگزین Lise Meitner مبنی بر اینکه ذره ی بتا هنگام فرار از اتم انرژی ساطع می کند، بسیار امیدوارکننده بود. جنبه‌های کوانتومی واپاشی بتا را حفظ می کرد، بدون اینکه بخواهد قوانین بقا را تغییر دهد، یا نیاز به اختراع ذره‌ای به ظاهر ساختگی و بالقوه افسانه‌ای داشته باشد. مهمتر از آن، قابل آزمایش بود. مایتنر همین کار را کرد.

مایتنر منابع بتا را در ظروف سربی قرار داد تا اطمینان حاصل کند که همه ی انرژی حاصل از واپاشی حفظ می شود. سپس با گرم شدن ظرف، می‌توانست دما را اندازه‌گیری کند و انرژی داخل آن را استنتاج کند. طبق فرضیه ی مایتنر، ذرات بتا ابتدا همه با یک انرژی ساطع می‌شوند، سپس در مسیر خروج از اتم مقداری از آن را از دست می‌دهند. کل مقدار انرژی حاصل از خروج اولیه ی ذرات بتا باید بدون توجه به شکل ظرف، در جایی درون آن باشد و به گرم شدن آن کمک کند. اما اگر ذرات بتا با طیف وسیعی از انرژی‌ها ساطع شوند، یا مقداری از انرژی توسط یک نوترینو از ظرف خارج شود، در آن صورت ظرف کمتر گرم می‌شود زیرا از ابتدا انرژی کمتری برای گرم کردن در آن محبوس شده است.

آنطور که مشخص شد، مایتنر دریافت که ظرف آنقدر سرد است که از فرضیه ی او را در مورد طیف انرژی الکترون ها دفاع نمی کند. در عوض، واضح بود که برخی از الکترون‌ها با انرژی کمتری نسبت به سایرین خارج می شوند، و هیچ‌کدام از آنها در مسیر خروج از اتم انرژی خود را از دست نمی دهند. مایتنر نتوانست اصل بقای انرژی را در واپاشی بتا نجات دهد. این به این معنا بود که مقصر یا نوترینو است یا نقض بقای انرژی.

در حالی که بور و تعداد انگشت شماری از فیزیکدانان تأثیرگذار، به بحث علیه نوترینو و بقای انرژی ادامه دادند، در عرض چند سال، حمایت از نوترینو افزایش یافت. تعداد کمی از فیزیکدانان حاضر به کنار گذاشتن قانون پایستگی (بقا) بودند که بسیار مفید و کاملاً تایید شده بود.

تلاش‌ها برای توضیح اینکه چگونه نوترینوها می‌توانند از اجزای اصلی اتم‌ها باشند، همچنان با مشکلاتی روبرو بود. نوترینوها قبل از واپاشی بتا کجا بودند؟ اگر آن طور که پائولی پیشنهاد کرد، آنها داخل اتم بودند، چه چیزی آنها را تا زمان وقوع واپاشی در آنجا نگه داشته بود؟

یک احتمال جذاب، با پیشنهاد اینکه نوترینوها به سادگی در زمان واپاشی بتا ایجاد می شوند، از پاسخ به این سوال طفره رفت. این یک راه حل تقریبا جادویی بود که توضیح واضحی نداشت. این کمی بیشتر از یک افسانه بود، اگرچه باید اذعان کرد که یک داستان فریبنده بود.

وضعیت با دو تحول بعدی روشن تر شد. اول، کشف نوترون در سال ۱۹۳۲، نیاز به وارد کردن الکترون ها به درون هسته ی اتم برای متعادل کردن مقداری از بار مثبت پروتون ها را از بین برد. دوم، در سال ۱۹۳۴، فرمی با استفاده از نظریه ی میدان کوانتومی که اخیرا توسعه یافته بود و امکان ایجاد و نابودی ذرات را فراهم می کرد، نظریه ی قابل قبول تری برای واپاشی بتا ارائه کرد.

نظریه ی فرمی همراه با معرفی نیروی جدیدی از نیروهای طبیعت به نام نیروی ضعیف بود. یکی از نقش های اصلی آن، توضیح چگونگی تبدیل یک نوترون به یک پروتون، یک الکترون، و یک ضد نوترینو (antineutrino) است؛ و یا فرآیند مرتبط تبدیل یک پروتون به یک نوترون، یک پوزیترون، و یک نوترینو. نظریه ی نیروی ضعیف فرمی، پیش نیاز یکی از اجزای اصلی نظریه ی مدرن فیزیک ذرات بود.

چندین قسمت کلیدی فیزیک ذرات وجود دارد که فرمی در آن زمان از آنها اطلاع نداشت. اما نظریه ی او چنان با آنچه که در آن زمان شناخته شده بود مطابقت داشت که نوترینوی فرضی پائولی به زودی به تبیین پیش فرض طیف واپاشی بتا تبدیل شد.

استفاده ی فرمی از نظریه ی میدان کوانتومی که ابتکارانه و ریاضیات آن جسورانه بود، مسلما اولین کاربرد نوع کاملا جدیدی از فیزیک ذرات بود. موفقیت آن در نهایت بور را متقاعد کرد که نظرات بدعت آمیز خود را در مورد قانون بقای انرژی کنار بگذارد.

با گذشت زمان، فیزیکدانان به طور گسترده پذیرفتند که توضیح طیف پیوسته ی واپاشی بتا باید نوترینو باشد، چه ما واقعا آن را بتوانیم ببینیم یا نتوانیم.

شکار ارواح

در عرض چند ماه پس از انتشار مقاله ی فرمی، فیزیکدانان هسته ای هانس بته و رودولف پیرلز محاسبه ی مختصر و دلسرد کننده ای را در مجله ی نیچر منتشر کردند. این محاسبه هم از نظریه فرمی و هم از اکتشاف پرتوزایی القا شده (مصنوعی) الهام گرفته بود. وقتی که در اثر پرتوزایی القا شده، واپاشی بتا رخ می دهد، به جای الکترون، پوزیترون ساطع می شود.

با در نظر گرفتن مدت زمان معمول برای واپاشی یک اتم ناپایدار و انتشار یک ذره ی بتای مثبت و یک نوترینو، با فرض وجود نوترینو، بث و پیرلز می‌توانستند نظریه ی فرمی را برای تخمین احتمال وقوع واکنش معکوس بکار ببرند. یعنی به جای اینکه یک اتم ذرات را ساطع کند و در هنگام آزاد شدن یک نوترینو، به عنصری متفاوت تبدیل بشود، آنها تصور کردند که یک نوترینو به یک اتم برخورد می کند و یکی از ذرات زیراتمی هسته ی آن را تغییر می دهد. آزمایشی با تکیه بر این واکنش، به طور قطع می تواند وجود نوترینو را به عنوان یک ذره ی واقعی ثابت کند.

متأسفانه، نتیجه ی محاسبه ناامیدکننده بود. بث و پیرلز دریافتند که احتمال برهمکنش یک نوترینو با یک اتم آنقدر کم است که یکی از آنها می تواند یک سال نوری سرب را طی کند، یعنی یک چهارم فاصله تا ستاره پروکسیما قنطورس، قبل از اینکه شانس خوبی برای برخورد با چیزی را داشته باشد. این یک میلیون برابر میانگین فاصله خورشید تا پلوتون است. به عبارت دیگر، محاسبات آنها نشان داد که احتمال اینکه یک نوترینوی حاصل از واپاشی بتا به جای توقف در جایی در مسیر، از کل زمین عبور کند، حدود یک به یک تریلیون است. بث و پیرلز در پایان مقاله خود در سال ۱۹۳۴ در مجله نیچر نوشتند: "بنابراین، اگر نوترینو به غیر از فرآیندهای ایجاد و نابودی ذکر شده، با ذرات دیگر برهمکنشی نداشته باشد، می توان نتیجه گرفت که عملاً راهی برای مشاهده ی آن وجود ندارد."

هر تلاش آزمایشگاهی برای یافتن نوترینوهایی که به راحتی طیف واپاشی بتا را توضیح می دادند، محکوم به شکست بود.

هیچ منبعی روی زمین وجود نداشت که بتواند نوترینوهای کافی برای استفاده در هر آزمایش قابل تصوری تولید کند. این مشکلی بود که پائولی به آن افتخار نمی کرد. فرد رینز، شکارچی نوترینو، پائولی را به یاد می آورد که می گفت: «من اشتباه بزرگی کرده ام، من ذره ای را تصور کرده ام که قابل شناسایی نیست.»

با این حال، برخی از آزمایش کنندگان از شانس کم ناامید نشدند. موریس نامیاس، از دانشگاه ویکتوریای منچستر، در سال ۱۹۳۴ آشکارسازهایی را به ایستگاه متروی هولبورن در لندن برد. او با این فرض عمل می‌کرد که نوترینوها دارای گشتاور مغناطیسی قابل‌توجهی هستند، که معیاری برای سنجش تمایل آنها به هم ردیف شدن با میدان‌های مغناطیسی است. با پایین آمدن به ایستگاه در عمق ۳۰ متری زمین، او امیدوار بود که سایر منابع تشعشع را که در اندازه گیری اختلال ایجاد می کنند، حذف کند. متأسفانه برای نامیاس و تلاش او، گشتاور مغناطیسی نوترینو بسیار کوچکتر از آن چیزی است که او امیدوار بود، اگر اصلاً داشته باشد، و هیچ نشانه ای از ذره در زیرزمین لندن وجود نداشت.

در اواخر دهه ۱۹۳۰، فیزیکدان دانشگاه میشیگان، هوراس کرین، به جستجوی نوترینوها در یک کیسه نمک خوراکی پرداخت. او می‌دانست که وقتی یک ایزوتوپ گوگرد رادیواکتیو از طریق واپاشی بتا شکافته می‌شود و به کلر تبدیل می‌شود، باید یک پادنوترینو (آنتی نوترینو) ساطع کند. او از درک این موضوع الهام گرفت که واکنش به سمت مقابل نیز انجام شدنی است. یعنی اگر یک اتم کلر یک نوترینو را جذب کند، به یک اتم گوگرد رادیواکتیو تبدیل می شود. سپس اتم گوگرد بعداً دوباره شکافته می شود و یک ذره بتا را آزاد می کند که به راحتی قابل تشخیص است (البته همراه با یک آنتی نوترینوی گریزان دیگر). نمک خوراکی، ترکیبی از سدیم و کلر است، بنابراین کرین مقدار کمی از ماده ساطع کننده بتا، مزوتوریوم را در کیسه ای سه پوندی از نمک قرار داد، سه ماه صبر کرد و به دنبال گوگرد رادیواکتیو گشت، اما چیزی پیدا نکرد.

همانطور که Bethe و Peierls محاسبه کرده بودند، احتمال شکار نوترینو در آزمایش هایی از انواعی که Nahmias و Crane انجام دادند، بسیار کم بود. نهمیاس به تمایلات مغناطیسی نوترینو بیش از حد امیدوار بود. و کیسه ی نمک کرین تریلیون‌ها بار کوچک تر از آن بود که بتواند نوترینویی را که از یک منبع رادیواکتیو متوسط می‌آمد، به دام اندازد.

به نظر می رسد که آزمایش‌های کرین، ناهمیاس و هر کس دیگری که در آن زمان به دنبال شکار نوترینوها بود، این مساله را تایید می کرد که نوترینوها غیر قابل شکار هستند. آنها هرگز چیزی بیشتر از ارواحی نامرئی نخواهند بود که برای اطمینان از اینکه همه چیز بعد از فروپاشی بتا متعادل خواهد شد، ابداع شده اند.

در حالی که محاسبات بته و پیرلز درست بود، مفروضات ضمنی آنها - به ویژه در مورد منابع نوترینوهایی که به زودی برای آزمایشگران در دسترس قرار خواهند گرفت - ناپخته بود. بته به یک شخصیت کلیدی در درست کردن منابع شدید نوترینو تبدیل شد که به اثبات این نکته کمک کردند که خنثای کوچک، چیزی بیش از یک اشتباه بزرگ است که از تخیل پائولی سرچشمه گرفته باشد.

۳
پروژه ی Poltergeist

Poltergeist (از کلمات آلمانی Polter، «نویز» و Geist، «روح»)، در امور غیبی، یک روح بی‌جسم یا نیروی ماوراء طبیعی است که منشا برخی پدیده‌های مخرب یا آزاردهنده است....
— دایره المعارف بریتانیکا

لس آلاموس شهر کوچکی است که حدود ۱۳۰۰۰ نفر جمعیت دارد. در فلاتی در دامنه کوه های جمز در شمال نیومکزیکو قرار دارد. جنگل های کاج پوندروسا در غرب آن و بیابان های خنک در شرق آن قرار دارند، و ریو گرانده با پیچ و خم از کلرادو پایین می آید و سپس به سمت شرق به سمت خلیج مکزیک می پیچد.

در اوایل دهه ۱۹۰۰، مدرسه مزرعه داری لوس آلاموس، یک موسسه خصوصی برای پسران برخوردار بود. برنامه درسی آنها شامل اسب سواری، کوهنوردی، شکار و کمپینگ فراوان بود. این یک زندگی ایده آل برای معدود دانش‌آموزانی بود که خانواده‌هایشان توانایی پرداخت هزینه آن را داشتند (از جمله استرلینگ کولگیت جوان، فیزیکدان آینده و وارث ثروت خمیر دندان خانواده کلگیت).

دسترسی به مدرسه فقط از طریق جاده های خاکی ناهمواری که از کف دره می پیچیدند و به دیواره های صخره ای می چسبیدند، امکان پذیر بود. نزدیکترین شهر بزرگ به لس آلاموس، لا ویلا رئال د لا سانتافه د سان فرانسیسکو د آسیس بود که بیشتر به نام سانتافه شناخته می شود، در ۳۵ مایلی جنوب شرقی آن. در هزار مایلی از ساحل غربی ایالات متحده و بیش از ۱۵۰۰ مایلی از ساحل شرقی، لس آلاموس مناظر باز گسترده ای از کوه ها و دره های زیر آسمان داشت، آسمانی که تا ۳۰۰ روز در سال صاف بود.

حومه ی فلات های اطراف، خطوط دید طولانی را برای برج های نگهبانی و پاسگاه ها فراهم می کرد، تا بتوانند متوجه نیروها یا هواپیماهای در حال نزدیک شدن بشوند. آنها ویژگی هایی بودند که به احتمال زیاد برای افسران نظامی جذاب بودند. فیزیکدان رابرت اوپنهایمر آنها را در زمان جنگ جهانی دوم با این منطقه آشنا کرد.

این یک مکان عالی برای یک ماموریت فوق سری بود که قصد داشت جنگ را به طور ناگهانی به پایان برساند. پروژه ی منهتن به سلاحی ده ها هزار برابر قدرتمندتر از آنچه قبلا تصور می شد، منجر می شود: بمب اتمی. این بمب علاوه بر اینکه یک وسیله تخریب بی‌سابقه است، می‌تواند شدیدترین منبع نوترینوهایی باشد که تاکنون روی زمین وجود داشته است.

برای دیدن یک روح

دو عامل وجود دارد که می تواند نوترینوها و ذرات مشابه آنها را قابل تشخیص تر کند: انرژی بالا و مقادیر زیاد. با افزایش انرژی، احتمال برهمکنش یک نوترینوی معین با ماده افزایش می یابد. تعداد بیشتری از نوترینوها، دشواری تشخیص هر یک از آنها را جبران می کند. همانطور که بته محاسبه کرد، یک نوترینوی منفرد که از واپاشی بتا به وجود آمده است، می تواند از تریلیون ها کیلومتر ماده جامد عبور کند، بدون اینکه شانس زیادی برای برهمکنش داشته باشد. در عوض، اگر به نحوی منبعی پیدا کنید که نوترینوهایی با تریلیون ها برابر انرژی نوترینوهای واپاشی بتا تولید کند، یا اگر منبعی پیدا کنید که تریلیون ها برابر بیشتر از یک توده ی مواد رادیواکتیو با اندازه ی معقول نوترینو تولید کند، احتمال اینکه یکی از آنها تعامل قابل تشخیصی با حجم متوسطی از مواد داشته باشد بسیار زیاد خواهد بود.

در دهه ۱۹۵۰، هیچ منبع شناخته شده ای از نوترینوهای بسیار پرانرژی وجود نداشت. اما بمب‌های اتمی که دانشمندان لوس آلاموس، از جمله بته، قرار بود بسازند، به واکنش‌هایی وابسته بودند که اتفاقاً نوترینوهای فراوانی را در انفجارهای زمان‌بندی شده ی دقیق تولید می‌کردند.

در مورد پلوتونیوم در هسته ی بمب های اتمی، پس از هر شکافت اتمی، یک زنجیره ی واپاشی اتفاق می افتد و شش پادنوترینو تولید می شود. وقتی یک بمب اتمی منفجر می شود، تعداد زیادی نوترینو در کسری از ثانیه آزاد می شود. اولین انفجار بمب اتمی که رابرت اوپنهایمر، مدیر پروژه منهتن، آن را ترینیتی نامید، ۲۰ تریلیون تریلیون (۲۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰) پادنوترینو تولید کرد. این یک منبع ایده آل نوترینو بود، برای هر کسی که دارای مجوزهای امنیتی و تجهیزات مورد نیاز برای انجام آزمایشات در نزدیکی انفجار یک سلاح هسته ای بود.

یک کیلومتر دورتر از مرکز انفجار، بلافاصله پس از انفجار بمب، یک میلیون تریلیون پادنوترینو از هر متر مکعب مواد عبور می کرد. بر اساس محاسبات بث و پیرلز، اگر یک آشکارساز کوچک در فاصله ی هزاران متری انفجار بمبی (از نوع شکافت) به اندازه ی ترینیتی قرار گیرد، شانس بسیار خوبی برای دیدن حداقل یک پادنوترینو خواهد داشت. این واقعیتی بود که دو فیزیکدان در آزمایشگاه لوس آلاموس در اوایل دهه ۱۹۵۰ به آن اشاره کردند: فرد رینز و کلاید کوان جونیور.

تعقیب پولترگیست

فرد رینز در سال ۱۹۴۴ به دعوت نظریه پرداز باهوش و جوان، ریچارد فاینمن، به پروژه منهتن پیوست. بسیاری از کارهای اولیه او شامل محاسبات پایه ای در ارتباط با انفجارهای هسته ای بود، از جمله ارتفاع بهینه ی انفجار برای به حداکثر رساندن تخریب امواج روی زمین، و روش های بررسی انفجارهای هسته ای دوردست از طریق امواجی که در جو زمین ایجاد می کنند. به گفته استرلینگ کولگیت (یکی از آخرین دانش آموزان مدرسه مزرعه داری لوس آلاموس که به عنوان فیزیکدان به کوه های نیومکزیکو بازگشت)، بسیاری از محاسبات مرتبط با تسلیحات هسته ای رینز، تا اواخر سال ۱۹۸۸ طبقه بندی شده باقی مانده بود.

در سال ۱۹۵۱، رینز از تحقیقات بمب خسته شده بود. او رهبر بخش نظری در لس آلاموس را متقاعد کرد که به او فرصت دهد تا در مورد مسائل اساسی فیزیک که می تواند روی آنها کار کند، فکر کند. پس از چند ماه تفکر، رینز متوجه شد که بر شار عظیم نوترینویی که می دانست باید از هر انفجار هسته ای ناشی شود، متمرکز شده است. پس از گفتگوی کوتاهی با انریکو فرمی، که تابستان را در لس آلاموس سپری می کرد، و چند کلمه دلگرم کننده از فیزیکدان بزرگ تر، رینز تصمیمش را گرفت. او به دنبال نوترینوها می رفت. نه او و نه فرمی هیچ ایده ای نداشتند که چگونه این کار را انجام دهند، جز این که تخمین زدند که به یک آشکارساز نامشخص با وزن یک تن و یا بیشتر نیاز دارند.

در اثر یک برخورد تصادفی در حین توقف در فرودگاه در کانزاس سیتی، در مسیر یک کنفرانس فیزیک، رینز با یک فیزیکدان دیگر از لوس آلاموس که اتفاقا مهارت های آزمایشگاهی برای کمک به حل مشکل ساخت یک آشکارساز نوترینو داشت، گفتگو کرد.

کلاید کوان در سال ۱۹۴۹ پس از یک دوره سربازی در خارج از کشور و بازگشت به ایالات متحده برای اخذ مدرک دکترا در فیزیک تجربی در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، راهی لوس آلاموس شد. او به زودی رهبر بخش آزمایش سلاح های هسته ای در لس آلاموس شد، جایی که او بر روش های پایش انفجارهای هسته ای از طریق مشاهده ی تشعشعات تولید شده توسط آنها تمرکز کرد.

این دو دانشمند جوان در موقعیتی منحصر به فرد قرار داشتند: یک نظریه پرداز درخشان و یک آزمایش گر با استعداد با دسترسی به افراد متخصصی که برای انجام یکی از جاه طلبانه ترین تلاش های علمی-نظامی بشر دور هم جمع شده بودند. مهمتر از آن، آنها این فرصت را داشتند که آزمایشی را برای اجرا در نزدیکی یک انفجار هسته ای طراحی کنند. این یک فرصت غیرعادی در آزمایشگاهی بود که امنیت ملی در آن تمرکز اصلی بود، که به جای توسعه سلاح، بتوانند از آن فاصله بگیرند و در عوض به یکی از بزرگترین و چالش برانگیزترین معماهای علم در آن زمان بپردارند. آیا می توانیم مستقیما یک نوترینو را شناسایی کنیم، یا این فقط یک تصور راحت، اگرچه برجسته، از تخیل پائولی بود؟ کاوان و راینز با تلاشی که با شوخ طبعی پروژه پولترگایست نامیدند، برای پیدا کردن جواب به کار مشغول شدند.

آنها یک تعامل خاص را در ذهن داشتند. این تعامل یک سیگنال را تولید می کرد که نشان می داد یک نوترینو هویت یک ذره را تغییر داده است. واکنشی که در ذهن داشتند به این شکل بود که یک نوترینو به یک نوترون در هسته ی اتم برخورد می کرد و آن را به یک پروتون تبدیل می کرد، و این تبدیل باعث آزاد شدن یک الکترون می شد.

یک تعامل دیگر هم ممکن بود، که در آن یک آنتی نوترینو به یک پروتون برخورد می کرد و باعث می شد که یک نوترون و یک ضد الکترون تولید شود. به ضد الکترون، پوزیترون گفته می شود. فیزیکدانان به طور قطع نمی دانستند که نوترینو و آنتی نوترینو ذرات متفاوتی هستند یا نه. برخی از فیزیکدانان مشکوک بودند که یک نوترینو خودش ضد ذره خود است. کاوان و راینز تصمیم گرفتند روی تعامل آنتی نوترینو-پروتون تمرکز کنند. آنها یک فرض درباره ذرات ناشی از شکافت اتم های پلوتونیم کردند. شکافت اتم های پلوتونیم در یک بمب رخ می دهد. فرضشان این بود که این ذرات احتمالا ضد نوترینو آزاد می کنند. همچنین فرض کردند که نوترینو و آنتی نوترینو دو چیز متفاوت هستند. بعدها مشخص شد که تصمیمشان درست بوده است.

هیولا

فیزیکدانان طرحی برای ساختن ظرفی داشتند که با لوله‌های «تکثیرکننده نوری تشخیص‌دهنده نور» پوشانده شده بود و با مایعی پر شده بود که به نام سوسوزن شناخته می‌شود و هنگامی که توسط تشعشع برانگیخته می‌شود، جرقه‌هایی از نور تولید می‌کند. سوسوزن نمی‌تواند مستقیماً به یک نوترینو یا پادنوترینو واکنش نشان دهد، اما از ترکیبات غنی از هیدروژن ساخته شده است، و پادنوترینوها می‌توانند با پروتون موجود در اتم هیدروژن درگیر شوند. در موارد بسیار نادر که یک پادنوترینو در سوسوزن جذب می شود، پروتون درون اتم هیدروژن را به نوترون و پوزیترون تبدیل می کند. پوزیترون خیلی سریع در برخورد با یک الکترون نابود می شود و یک جفت پرتو گاما تولید می کند. پرتوهای گاما به نوبه خود، سوسوزن را برانگیخته و تحریک می‌کنند و باعث می‌شوند که فوتون‌های کم‌انرژی ساطع کند که در آشکارسازهای نور روی دیواره داخلی ظرف ثبت و ضبط می‌شوند.

اگرچه شار نوترینوی حاصل از آزمایش سلاح هسته‌ای حتی کیلومترها دورتر از کانون انفجار قابل توجه است، فیزیکدانان پیشنهاد کردند که آشکارساز خود را نزدیک به زمین صفر نصب کنند تا از بدست آوردن سیگنال واضح اطمینان حاصل شود. حتی اگر در نزدیکی انفجار قرار گیرد، آشکارساز باید بسیار بزرگ باشد. بزرگترین آزمایش های سوسوزن تا آن زمان از یک لیتر یا کمتر مایع استفاده می کردند. کوان و رینز برای یک آشکارساز با هزار برابر مایع بیشتر برنامه ریزی کردند. آنها این طرح را El Monstro نامیدند.

برای محافظت از ال مونسترو در برابر موج مخربی که با انفجار همراه است، چاهی به عمق ۱۵۰ فوت در نزدیکی بمب حفر کردند، آشکارساز را تا نیمه معلق کردند و فضای بالای آن را با خاک پر کردند. هنگام انفجار بمب، مواد منفجره کابل ها را قطع می کرد و به آشکارساز اجازه می داد تا حدود دو ثانیه همزمان با عبور موج انفجار، آزادانه سقوط کند. آشکارساز در حین سقوط، داده ها را جمع آوری می کرد، تا اینکه روی بستری از پر و اسفنج لاستیکی فرود می آمد. برای اطمینان از پایین آمدن مجموعه بدون جهش بر روی بالشتکی از هوا که در زیر آن محبوس شده بود، باید هوا را درست قبل از انفجار از چاه خارج می کردند. آنها فوراً از نتایج آزمایش مطلع نشدند. چند روز طول می کشید تا تشعشعات حاصل از آزمایش بمب ۲۰ کیلوتنی کاهش پیدا کند تا آنها بتوانند مخزن را بیرون بکشند.

این حداقل یک کار علمی-مهندسی بلندپروازانه بود که شامل تجهیزات ظریف و زمان‌بندی دقیق در سیستمی بود که تنها ده‌ها متر از مرکز مخرب‌ترین نیرویی که بشر تاکنون منتشر کرده است، فاصله داشت. این گواهی بر خلاقیت و بازیگوشی آنهاست که کوان و رینز یک شوخی را هم در کار وارد کردند. در بیشتر نمودارهای مرتبط با آزمایش، فاصله از برجی که سلاح هسته‌ای را نگه می‌داشت تا چاهی که آشکارساز درون آن قرار داشت، ۴۰ متر نشان داده شده است. فاصله دلخواه بود - هر فاصله ای تا حدود ۱۰۰ متر، شار نوترینوی مورد نیاز محققان را ارائه می کرد. در واقع، فاصله ای که آنها مشخص کردند تقریباً ۱۳۷ فوت بود که کمی بیشتر از ۴۰ متر است.

عدد ۱۳۷ برای اکثر فیزیکدانان کاملاً آشناست زیرا ۱/۱۳۷ مقدار تقریبی یک عدد مهم به نام ثابت ساختار ریز است که نیروهای الکترومغناطیسی بین ذرات زیر اتمی را مشخص می کند.

بودجه تخمینی ال مونسترو شامل ۶۴۰۰ دلار برای آشکارساز، ۶۳۰۰ دلار برای ظرف برای نگهداری آشکارساز و ۷۵۰۰ دلار برای حفاری چاه در صحرای نوادا بود. هیچ موردی در برآورد برای پرها و لاستیک اسفنجی وجود نداشت. در مجموع، قیمت آن به دلار امروزی کمتر از ۸۰۰۰۰ دلار می شد. برای یک آزمایش جسورانه این قیمت مقرون به صرفه بود.

کشتن هیولا

در اواخر سال ۱۹۵۲، حفاری برای چاه آغاز شده بود که مدیر بخش فیزیک لوس آلاموس، جی. ام. بی. کلوگ، از رینز خواست برای آخرین بار در مورد آزمایش فکر کند. شاید، کلوگ پیشنهاد کرد، آنها باید آزمایش را در کنار یک رآکتور هسته ای انجام دهند.

کوان و رینز قبلا این روش را رد کرده بودند. تشعشعات پس زمینه زیاد به دلیل باران دائمی پرتوهای کیهانی از بالا و نوترون هایی که از یک راکتور مجاور می آیند، مانع اصلی بودند. هم پرتوهای کیهانی و هم نوترون‌ها منجر به جرقه های سوسوزن می‌شوند؛ آشکارساز نمی‌تواند آن‌ها را از آنهایی که در اثر نابود شدن یک پوزیترون (مرتبط با آزمایش) ساطع می‌شوند متمایز کند. کوان و رینز انفجار شدید نوترینوهای یک سلاح هسته ای را انتخاب کرده بودند تا تمام صدای ناخواسته را برای کسری از ثانیه کم رنگ کنند.

تداخل پس زمینه همچنان چالش برانگیز خواهد بود، حتی با وجود درخشش عظیم نوترینوهای بمب. این موضوعی بود که بته قبلاً با رینز مطرح کرده بود. رینز بعداً نوشت: «من توضیح دادم که چگونه، علاوه بر استفاده از محافظ در برابر پرتوهای گاما و نوترون‌ها، می‌توانیم از همزمانی تاخیر بین پوزیترون بوجود آمده و نوترون، برای شناسایی برهم کنش نوترینویی استفاده کنیم.» یعنی می‌توانستند بر این واقعیت تکیه کنند که هر بار که یک پادنوترینو با یک پروتون برهم کنش می‌کند، هم یک پوزیترون و هم یک نوترون پدیدار می‌شود.

نوترون ها چند هزار برابر بیشتر از پوزیترون ها جرم دارند، به این معنی که پس از ایجاد در واپاشی بتای معکوس، آنها کندتر از پوزیترون ها از بین می روند. در حالی که پوزیترون‌ها پس از ایجاد شدن، در تماس با الکترون‌های مجاور در یک میلیاردم ثانیه از بین می‌روند، نوترون‌ها در میان مولکول‌های موجود در مایع آشکارساز معطل می‌مانند. یک نوترون پس از مدت کوتاهی که کوان و رینز تخمین زدند چند میکروثانیه طول می کشد، توسط هسته ی یک اتم در مایع آشکارساز جذب می شود و فلاش پرتوی گامای دیگری تولید می کند. یک فلاش اولیه و فلاش بعدی در حدود نه میکروثانیه بعد، نشانه ی واکنش نوترینو خواهد بود. اتکای آن‌ها به اندازه‌گیری همزمانی های تاخیری به آن‌ها این امکان را می‌داد تا بین رویدادهای واقعی نوترینو و سیگنال‌های نادرستی که ممکن است از منابع دیگر می‌آیند، تمایز قائل شوند.

احتمالاً این تکنیک بث را راضی کرد، اما بحث با کلوگ، الهام‌بخش کوان و رینز شد تا محاسبات خود را دوباره بررسی کنند تا تأثیر این روش را بر اندازه‌گیری‌های نزدیک یک راکتور ببینند. رینز نوشت: «از آن زمان به این فکر افتادم که چرا اینقدر طول کشید تا به این نتیجه ی واضح برسیم و چرا دیگران به این نتیجه نرسیده بودند.» این درک، آنها را متقاعد کرد که از طرح مخزن سوسوزن غول پیکر ال مونسترو صرف نظر کنند و آن را با یک مخزن ۳۰۰ لیتری که Herr Auge نامیدند جایگزین کنند. Herr Auge یک عبارت آلمانی به معنای آقای چشم است.

از Herr Auge تا ساندویچ باشگاه

در سال ۱۹۵۳، کوان و رینز Herr Auge را در نزدیکی رآکتوری که بخشی از مرکز تولید تسلیحات هسته‌ای هانفورد در جنوب مرکزی ایالت واشنگتن بود، راه‌اندازی کردند. این یک طرح ساده بود، با ۹۰ لوله تشخیص نور که در میان دیواره های یک استوانه ی پر از محلول سوسوزن، نصب شده بودند. این آزمایش در ابتدا دو و نیم تشخیص امیدوارکننده در ساعت را نشان داد. اگر آشکارساز به درستی کار می کرد و نوترینوها را می شمرد، سیگنال باید در زمان خاموش شدن راکتور به سمت صفر می رفت. در عوض، آن‌ها دریافتند که سیگنال‌های آشکارساز در زمانی که راکتور کار نمی‌کند به سختی کاهش می‌یابد. علیرغم روش اندازه‌گیری همزمانی تأخیری، تابش پس‌زمینه آنقدر زیاد بود که نمی‌شد به وضوح نوترینوها را در داده‌ها تشخیص داد. شمارش ها از نظر آماری یکسان بودند، چه راکتور کار می کرد چه نمی کرد.

در سال ۱۹۵۳، آنها مقاله ای با عنوان "شناسایی نوترینوی آزاد" منتشر کردند که در آن آزمایش را تشریح کرده بودند و اذعان کرده بودند که نتایج، اگرچه وسوسه انگیز است، اما به سطح تشخیص قطعی نمی رسد.

آقای چشم ناامید کننده بود.

با این حال، کوان و رینز نشانه‌های احتمالی نوترینوها را به اندازه کافی تشویق کننده یافتند و به لوس آلاموس بازگشتند تا تیمی را برای ساختن یک آشکارساز پیچیده‌تر و محافظ بهتر جمع‌آوری کنند. طرح جدید شامل پنج لایه بود که باعث شد تیم آنها، در مقاله رسمی خود در مجله Science آن را «ساندویچ باشگاهی» بنامد. سه لایه، «نان»، مخازن پر از سوسوزن بود. دو لایه میانی، «گوشت»، حاوی آب با کلرید کادمیوم محلول در آن بود. فعل و انفعالات اساسی پادنوترینو زمانی در آب (گوشت) اتفاق می افتد که یک نوترینو یکی از پروتون های مولکول آب را به یک نوترون و یک پوزیترون تبدیل کند. نابودی سریع پوزیترون به تابش دو پرتو گاما در دو جهت مخالف منجر می‌شود و تقریباً همزمان برق‌هایی از نور را در دو لایه ی سوسوزن (نان) در دو طرف ایجاد می‌کند. چند میکروثانیه بعد، زمانی که یک اتم کادمیوم یک نوترون را می گیرد، انفجار دیگری از پرتوهای گاما در دو قسمت مختلف سوسوزن برق می زند. شدت چشمک‌های نور تقریباً انرژی پرتوهای گاما را نشان می‌دهد و فرصت دیگری را فراهم می‌کند تا آنها نویزهایی را که نمی‌توانستند در اثر نابودی یا جذب نوترون باشند، حذف کنند، حتی اگر این فلاش‌های تصادفی با زمان‌بندی صحیح اتفاق بیفتند.

احتمال اینکه تابش‌های تصادفی، سیگنال‌هایی با همزمانی و انرژی مناسب برای تقلید از یک پادنوترینو در ساندویچ باشگاه تولید کنند، بسیار کمتر از احتمال آن در طرح نسبتاً ساده‌تر Herr Auge بود، و این نوید نسبت سیگنال نوترینو به نویز بالاتری را می‌داد.

در سال ۱۹۵۶، آشکارساز جدید آماده شد. محققان، ساندویچ باشگاه خود را بارگیری کردند و به سمت رآکتوری در کارخانه رودخانه ساوانا متعلق به کمیسیون انرژی اتمی ایالات متحده (در حال حاضر آزمایشگاه ملی رودخانه ساوانا) حرکت کردند. تاسیسات راکتور، خارج از جکسون، کارولینای جنوبی، پلوتونیوم را برای برنامه تسلیحاتی کشور تولید می کرد و تصور بر این بود که مقدار زیادی نوترینو را هم به عنوان محصول جانبی تولید می کند. اما کوان و رینز در تعقیب نوترینوها در کارخانه تنها نبودند.

مسابقه در جریان است

مدت کوتاهی پس از نصب ساندویچ باشگاه در راکتور P در ساوانا ریور، ری دیویس از آزمایشگاه ملی بروکهاون، یک آشکارساز را در راکتور R در همان نزدیکی راه اندازی کرد. آزمایش دیویس بر روی اصول اساسی متفاوتی از سیستم مبتنی بر آب و سوسوزن همکاران لوس آلاموسی اش کار می کرد و بر واکنشی متکی بود که توسط فیزیکدان نوترینو، برونو پونتکوروو در سال ۱۹۴۶ شناسایی شده بود، که در آن زمان در آزمایشگاه رودخانه چالک در کانادا کار می کرد.

پونتکوروو در گزارشی به شورای تحقیقات ملی کانادا در بخش انرژی اتمی توضیح داده بود که چگونه یک نوترینو می تواند اتم کلر را به اتم رادیواکتیو آرگون تبدیل کند. اگر مقدار زیادی کلر یا یک ماده شیمیایی غنی از کلر در نزدیکی یک منبع نوترینو قرار داده شود، تنها کاری که محقق باید انجام دهد این است که منتظر بماند تا ماده شیمیایی در معرض شار نوترینو قرار گیرد، سپس ماده شیمیایی را برای پیدا کردن اتم های آرگون بررسی کند. در عمل، این آزمایش مراحل پیچیده ای داشت تا بتوان ده‌ها یا صدها اتم آرگون را در یک مخزن، پر از سه تن مایع خشک‌شویی غنی از کلر، پس از ماه‌ها نشستن در کنار یک راکتور در حال کار، پیدا کرد.

از سوی دیگر، ساندویچ باشگاه، شواهدی از برهمکنش‌های نوترینوها را در همان زمان وقوع، از طریق ردیابی‌هایی که بر روی صفحه‌های نمایش ثبت می شد، ارائه می‌کرد، که همزمان قابل عکس‌برداری هم بود.

بزرگترین مزیت آنها در مقایسه با دیویس، ناشی از نحوه ی طراحی آزمایش نبود، بلکه از حدس هایی بود که کوان و رینز سال ها قبل زده بودند - اینکه نوترینوها و شرکای پادماده ی آنها به طور متفاوتی با ماده برهمکنش می کنند، و به خصوص اینکه، این پادنوترینوها هستند که در انفجار بمب های اتمی و راکتورهای شکافت تولید می شوند. واکنش کلری که دیویس از آن استفاده می کرد، برای نوترینوها جواب می داد نه برای پادنوترینوها.

و همین طور شد، کوان و رینز خیلی سریع دریافتند که آزمایش آنها یک سیگنال واضح با تقریباً سه شمارش در ساعت را ثبت می کند. این بار، هنگامی که راکتور خاموش شد، سیگنال به نحو قابل توجهی کاهش یافت، که نشان می داد ردیابی‌ها واقعی بوده و کاذب نیستند.

تیم آنها حدس زده بود که این واکنش‌ها به دلیل پادنوترینوها باشد، اما این نکته زمانی واضح شد که دیویس به دنبال اتم‌های رادیواکتیو آرگون در مخزن مایع خشک‌شویی گشت و آنها را پیدا نکرد: واکنش‌های شکافت، پادنوترینو تولید می‌کردند، و آنها متفاوت از نوترینوهایی بودند که دیویس به دنبالشان بود.

دیویس در سال ۱۹۷۹ در مراسم یادبودی به افتخار کلاید کوان فقید گفت: "در یک مورد، آنها مرا به راکتور خود دعوت کردند، در را بستند، از من قول گرفتند که به کسی نگویم، و سپس برای اولین بار به من گفتند که آنها متقاعد شده اند که سیگنال مثبت تقریباً درستی دارند. در آن زمان مشخص شده بود که آزمایش من پادنوترینوها را تشخیص نخواهد داد.» با این حال، نتیجه ی صفر دیویس اطلاعات مهمی در مورد ماهیت نوترینوها ارائه کرد. دیویس بعداً در سخنرانی جایزه نوبل خود در سال ۲۰۰۲ گفت: "آزمایش من نشان داد که نوترینو پادذره خودش نیست."

همانطور که اکنون می دانیم، نوترینوها دارای جرم کمی هستند، از این رو، نتیجه گیری دیویس مبنی بر اینکه نوترینو و پادنوترینو لزوماً متمایز هستند، ناپخته بود. همانطور که دیویس فرض کرد، نوترینو ممکن است واقعاً از پادذره خود متمایز باشد، یا ممکن است نوترینو یک احتمال بسیار کم برای تبدیل شدن به یک پادنوترینو داشته باشد، و بالعکس، و این به این معنی است که آنها در واقع یکی هستند. این سؤالی است که آزمایش‌گران باید به آن پاسخ دهند و در حال حاضر موضوع تحقیقات فعال است.

دیویس بعداً آزمایش خود را برای مطالعه ی خورشید تغییر داد. این امر منجر به یک معمای جدید نوترینوی گم شده و همچنین راه حل نهایی آن شد. اما کوان و رینز در مسابقه ی یافتن نوترینو پیروز شده بودند.

در نهایت، ۴۲ سال پس از کشف معمای واپاشی بتا، ۲۶ سال پس از راه‌حل ابداع شده ی پائولی، و ۲۲ سال پس از آن که بته و پیرلز این ذره را کاملاً غیرقابل شناسایی اعلام کردند، آزمایش کوان-رینز به طور قطعی ثابت کرد که نوترینوها واقعی هستند. در سال ۱۹۹۵، این دستاورد با تنها جایزه ی نوبلی که تاکنون برای تحقیقات انجام شده تحت نظارت آزمایشگاه تسلیحات هسته ای لوس آلاموس اعطا شده است، به رسمیت شناخته شد.

پایان سرگرمی در لس آلاموس

کوان و رینز مشتاق بودند که تحقیقات خود را در مورد نوترینو ادامه دهند، موضوعی که معماهای اضافی متعددی از جمله برخی از معماهایی که امروزه حل نشده باقی مانده است را ارائه می کرد. مدیران لوس آلاموس برنامه های دیگری داشتند. رینز در خاطرات خود به یاد می آورد که وقتی او و کوان آزمایش های بعدی را برای تلاش های پیشگامانه خود پیشنهاد کردند، پاسخی که دریافت کردند این بود: «شما دوستان به اندازه ی کافی خوش گذرانده اید. چرا برنمی گردید به سر کار؟»

پاسخ کوان، پس از چشیدن طعم هیجان انگیز تحقیقات نوترینو، این بود که تقریباً بلافاصله استعفا داد. او نیومکزیکو را ترک کرد و در دانشگاه جورج واشنگتن در واشنگتن دی سی مشغول به کار شد. رینز کمی بیشتر استقامت کرد و دو سال بعد به دانشگاه کالیفرنیا در ایروین رفت.

زمانی که جایزه ی نوبل پروژه Poltergeist بالاخره اهدا شد، ۴۰ سال پس از کشف، رینس حال خوبی نداشت. او مدت‌ها بود که هر گونه امید برای دریافت جایزه به دلیل موفقیت آزمایش خارق‌العاده‌شان را از دست داده بود. کوان در سال ۱۹۷۴ بر اثر سکته قلبی درگذشته بود. از آنجایی که جایزه نوبل پس از مرگ اعطا نمی شود، او این افتخار را از دست داد.

اسامی نامزدهای جایزه نوبل حداقل به مدت ۵۰ سال محرمانه می ماند. سوابق اکنون نشان می دهد که کوان و رینز در سال ۱۹۵۷ نامزد دریافت جایزه فیزیک شده اند، یعنی یک سال پس از انتشار مقاله ی کشف نوترینو، و همچنین سال های بعد از آن.

تأخیر بین اکتشافات و جوایز نوبل اغلب طولانی است، و دلایل آن عموماً نامشخص است، اما در مورد رینز، عجیب تر است. تصدیق اهمیت کشف نوترینو در جامعه ی علمی تقریباً جهانی بود. کشف نوترینوی میون، شش سال پس از موفقیت پروژه پولترگیست، منجر به اهدای جایزه نوبل در سال ۱۹۸۸ به لئون لدرمن، جک اشتاین برگر، و ملوین شوارتز شده بود.

پنهان کاری ذاتی برنامه تسلیحات هسته ای، که منجر به وقفه ای هشت ساله قبل از تایید نتایج کشف نوترینو به طور مستقل شد، یکی از موانع احتمالی در راه رسیدن به جایزه نوبل بود. رینز در خاطرات شخصی خود از شکار نوترینو در سال ۱۹۸۲ نوشت: "من گمان می کنم که تاخیر به دلیل این واقعیت است که دستاورد ما غیرمنتظره نبود، اما ممکن است به ماهیت خیلی طبقه بندی شده ی منبع نوترینوی ما نیز مربوط شود."

به رسمیت نشناحتن موفقیت کوان و رینز برای مدتی طولانی، ممکن است به این دلیل باشد که آزمایش آنها در برنامه ی تسلیحات هسته ای ریشه داشت، چیزی که باعث شده بود آنها به ترکیب نادری از منابع دسترسی پیدا کنند و به موفقیتی برسند که برای بسیاری غیر ممکن بود. خود آلفرد نوبل از تولید مواد منفجره که مسئول کشتارهای عظیم در میدان جنگ بود، ثروتمند شده بود. او پس از اطلاع از انتشار اشتباهی آگهی ترحیم خود و دیدن اینکه صدها اختراع غیر مرتبط با جنگ او نادیده گرفته شده است و بر کارهای او در ارتباط با تسلیحات نظامی تمرکز شده است، تصمیم گرفت که بخش اعظم ثروت خود را به علم تقدیم کند و از این طریق سایر اقداماتش را جبران کند.

پس شاید تعجب آور نباشد که کمیته ی نوبل تمایلی به اعطای جایزه به تحقیقاتی که با اختراع سلاح‌های هسته‌ای مرتبط بود، نداشت؛ تحقیقاتی که توسط محققانی انجام شده بود که تلاش اصلی شان، لااقل در ابتدا، بر افزایش بازدهی این تسلیحات و بهینه‌سازی مرگ‌آوری آن‌ها متمرکز بود.

این روزها، دستگاه Herr Auge آخرین بقایای فیزیکی به جا مانده از آن تلاش‌های اولیه در لوس آلاموس است؛ تلاش هایی که برای اثبات اینکه نوترینوها ذراتی واقعی هستند و نه یک تدبیر ریاضی، انجام شد. این دستگاه، هنوز هم با آشکارسازهای نوری که در دیواره ی یک لوله ی استوانه‌ای به اندازه یک میز ناهارخوری نصب شده است، پوشانده شده است، و در انبار موزه ی علوم Bradbury در مرکز شهر قرار دارد. تمام فضای نمایش در موزه ی Bradbury به نمایش تسلیحات هسته‌ای و امنیت ملی اختصاص داده شده است و هیچ جایی برای مشهورترین دستاورد صرفا علمی در تاریخ آزمایشگاه ملی لوس آلاموس باقی نمانده است.

به عنوان آخرین طعنه، نسخه ای از مدال نوبلی که در سال ۱۹۹۵ به رینز اعطا شد، اکنون در مرکز کلبه ای در لوس آلاموس قرار داده شده است. این کلبه در محله ای واقع شده است که زمانی محل زندگی دانشمندان و مدیران ارشد آزمایشگاه بود. محله ی وان حمام، که این منطقه هنوز هم به این نام شناخته می شود، دارای خانه هایی بود که حمام داشتند؛ برخلاف سایر خانه هایی که کارمندان سطح پایین، در روزهای اولیه ی تحقیقات مرتبط با تسلیحات هسته ای در آنها ساکن بودند.

موزه ی هانس بته، به روی عموم باز است و یکی از مشهورترین ساکنان شهر را گرامی می دارد، کسی که اتفاقاً همان شخصی است که در سال ۱۹۳۴ به طور قانع کننده ای استدلال کرد که نوترینوهای حاصل از واپاشی بتا هرگز قابل شناسایی نیستند. اگرچه بث و پیرلز در زمانی که محاسبات خود را انجام دادند، با توجه به منابع نوترینو و تکنیک های آزمایشی موجود در آن زمان، درست فکر می کردند، اما بته یکی از برجسته ترین افرادی بود که کارش بر روی بمب شکافت منجر به ایجاد شرایطی شد که آزمایش کوآن-رینز را ممکن ساخت. رینز در نهایت این شانس را داشت که از بته در مورد محاسباتش برای اثبات غیرقابل کشف بودن ذاتی نوترینوها سوال کند. بته پاسخ داد: "خب، شما نباید هر چیزی را که در مجله ها می خوانید باور کنید."

۴
غوطه ور در دریایی از ذرات

بهترین راه حل، ساده ترین راه حل است.
— ویلیام اوکام

ما در دریایی از ذرات غوطه ور هستیم که تعداد آنها بی نهایت است و در سراسر جهان گسترده اند. در بیشتر موارد، برای ما کاملاً نامرئی هستند.

حداقل، این مفهوم اجتناب ناپذیری بود که پل دیراک با آن مواجه شد، زمانی که در اوایل دهه ۱۹۳۰ نظریه جدیدی را برای توصیف فیزیک کوانتومی نور و ماده ایجاد کرد. برای فیزیکدان ایتالیایی اتوره مایورانا، یک شاگرد جوان با استعداد و از نظر عاطفی شکننده ی انریکو فرمی، این یک عارضه ی عجیب برای یک نظریه درخشان بود.

نظریه دیراک به ویژه برای الکترون هایی که آزادانه در فضا حرکت می کنند به کار می رود. شما همیشه می توانید به حرکت یک الکترون انرژی اضافه کنید و آن را کمی سریعتر حرکت دهید. همانطور که ممکن است تصور کنید، هیچ حد بالایی برای انرژی یک الکترون وجود ندارد، اما برای تقویت آن نیاز به انجام کار دارید. یک الکترون پرانرژی، هر از گاهی فوتون‌هایی را ساطع می‌کند و مقداری از انرژی خود را از دست می‌دهد تا دوباره به سطح پایین‌تری سقوط کند.

یک مشکل در نظریه ی دیراک به وجود می آید زیرا برای هر راه حل انرژی مثبت، راه حلی با انرژی منفی وجود دارد. همانطور که راه حل های انرژی مثبت در بالا محدود نیستند و یک الکترون را می‌توان همیشه به سطوح بالاتری برد، راه حل های انرژی منفی نیز در پایین محدود نیستند و یک الکترون باید بتواند در آنها بیفتد. دیراک متوجه شد که یک الکترون با انرژی مثبت می تواند یک فوتون ساطع کند و در حالت انرژی منفی قرار گیرد. از آنجا که همیشه سطح پایین تری برای سقوط وجود دارد، این فرآیند را بارها و بارها تکرار می کند، هر بار انرژی خود را از دست می دهد و فوتون های بیشتری تولید می کند، در یک آبشار بی پایان که مقدار بی نهایت انرژی آزاد می کند. این یک فاجعه ی پر انرژی خواهد بود که برای هر الکترون آزاد تکرار می شود. وجود ما در یک جهان نسبتا سرد، بدون هیچ نشانه ای از آتش سوزی های کیهانی ناشی از الکترون ها، به این معنا است که این فجایع اتفاق نمی افتند.

دیراک برای حل اختلاف بین نظریه اش و واقعیت، این ایده را مطرح کرد که تمام حالات انرژی منفی در دریای بی نهایت عمیق انرژی منفی پر شده است. هنگامی که یک حالت پر شد، هیچ ذره دیگری نمی تواند آن را اشغال کند. بنابراین، دیگر هیچ خطری برای سقوط یک الکترون انرژی مثبت در دریا وجود ندارد. به سادگی جایی برای سقوط آنها وجود ندارد. مشکل این است که برای پذیرش نظریه ی درخشان دیراک، باید به دریای بی نهایت عمیق انرژی منفی ایمان داشته باشید.

به عنوان یک قاعده، ما نمی توانیم هیچ اثری از الکترون های انرژی منفی ببینیم. یعنی دریای انرژی منفی که همیشه ما را احاطه کرده، در تمام فضا امتداد می‌یابد، و شامل تعداد نامتناهی الکترون با انرژی‌هایی است که تا منفی بی‌نهایت امتداد می‌یابند؛ و این دریا تقریباً همیشه برای ما نامرئی و غیرقابل دسترس است زیرا کاملاً پر شده است. طبق این تئوری، تنها زمانی می‌توانیم از وجود این دریا آگاه شویم که یکی از الکترون‌های انرژی منفی به نحوی انرژی مثبت کافی به دست آورد و از آن خارج شود و حفره‌ای را پشت سر بگذارد. این ذره تازه آزاد شده، مانند هر الکترون دیگری در جهان قابل مشاهده، با انرژی مثبت و مقدار بار الکتریکی طبیعی خواهد بود. حفره ای که این الکترون پشت سر می گذارد، تصویر آینه ای آن است و بار مخالف یک الکترون را حمل می کند و آزادانه در دریای انرژی منفی حرکت می کند، با این تفاوت که چون یک کمبود در انرژی منفی است، اکنون انرژی مثبت نیز دارد و آن را برای ما قابل مشاهده می کند.

دیراک در ابتدا فرض کرد که پروتون ها می توانند مظاهر حفره هایی باشند که توسط الکترون هایی که از دریای انرژی منفی فرار کرده اند به جا مانده اند. اما انریکو فرمی اشاره کرد که یک حفره باید دقیقاً همان جرم الکترونی را داشته باشد که قبلاً آن را پر کرده بود، که به معنای تقریباً دو هزار بار کمتر از جرم یک پروتون است. یعنی یک حفره در دریای انرژی منفی، طبق تفسیر الکترودینامیک کوانتومی (QED) که دیراک توسعه داد، باید نوع جدیدی از ذره باشد: باید یک پادالکترون باشد.

دریای نامرئی دیراک، پر شده با الکترون‌های انرژی منفی و حفره‌هایی با بار مثبت که در آن حرکت می‌کنند، ممکن است عجیب به نظر برسد، اما کشف شریک پادماده ی الکترون، که ما اکنون آن را پوزیترون می‌نامیم، چند سال پس از اینکه دیراک نظریه‌اش را ارائه کرد، تأییدی پیروزمندانه برای این مفهوم بود، صرف نظر از اینکه دریای انرژی منفی واقعی باشد یا یک افسانه ی فیزیک. پوزیترون تمام خصوصیات یک حفره در دریای انرژی منفی را دارد، تا جایی که اگر یک الکترون آزاد با آن برخورد کند، انفجاری از انرژی همراه با ناپدید شدن هر دو ذره رخ می دهد، به ظاهر در نتیجه ی سقوط الکترون در حفره. از دیدگاه مدرن، مواجهه ی یک الکترون با یک حفره ی انرژی منفی، دقیقاً شبیه نابود شدن آن با یک پوزیترون است.

علیرغم اینکه به نظر می آید که از مطالب یک کتاب علمی-تخیلی انتخاب شده باشد، نسخه ی مدرن نظریه دیراک، الکترودینامیک کوانتومی، به عنوان یکی از بزرگترین پیشرفت های فیزیک عصر مدرن شناخته می شود. نظریه ای که نسبیت، مکانیک کوانتومی، و الکترومغناطیس را با هم ترکیب می کند تا خواص و برهم کنش های کوچکترین اجزای سازنده ماده را با صحت و دقت فوق العاده ای توصیف کند. چیزی که فیزیکدان افسانه ای، ریچارد فاینمن، آن را "جواهر فیزیک" نامید.

اتفاقا، مخفف الکترودینامیک کوانتومی، QED، همچنین مخفف عبارت لاتین quod erat demonstrandum به معنای "آنچه قرار بود نشان داده شود" است. این حروف به طور سنتی به استدلال های منطقی و ریاضی اضافه می شوند تا نشان دهند که یک مساله به طور کامل و در نهایت حل شده است و محاسبات به پایان رسیده است. البته QED پایان فیزیک نیست، بلکه گامی مهم در توسعه ی تئوری های میدان کوانتومی است که نحوه درک دانشمندان از فیزیک ذرات و کیهان را تغییر داده است.

تخلیه ی دریای دیراک

در حالی که او اذعان داشت که توسعه QED توسط دیراک به یک نظریه ی کارآمد منجر شده است، مایورانا در مقاله ای که در سال ۱۹۳۳ نوشت و در نهایت در سال ۱۹۳۷ منتشر شد، اشاره کرد که مقدمات نظریه ی دیراک بی ظرافت است. مایورانا شروع به ارائه ی یک جایگزین مشتق شده از QED دیراک کرد که منجر به همان پیش‌بینی‌ها می شد، و در عین حال از دریای انرژی منفی عجیبی که رویکرد دیراک نیاز داشت، اجتناب می کرد. مایورانا در طول این مسیر، اگرچه هدف اعلام شده ی او نبود، اما مدلی از نوترینو را کشف کرد که در تئوری و آزمایش های فیزیک مدرن دیده می شود. بیست و سه سال قبل از کشف تجربی آن، مایورانا نشان داد که ساده ترین و زیباترین مدل نوترینو نشان می دهد که نوترینو پادذره ی خودش است.

رویکرد مایورانا، و بینش‌هایی که مشتق جدید او از الکترودینامیک کوانتومی ارائه کرد، انقلاب‌های بسیاری را در علم و ریاضیات در طول هزاره‌ها منعکس می‌کند، از جمله یکی از دگرگون‌کننده‌ترین دوره‌های علمی تاریخ: توسعه مدل خورشید-مرکز منظومه ی شمسی. زمانی که بطلمیوس، تقریباً ۲۰۰۰ سال پیش، برای توصیف حرکات خورشید و سیارات در آسمان اقدام کرد، با فرضی شروع کرد که در آن زمان معقول به نظر می رسید. او فرض کرد که بشریت و در نتیجه زمین، در مرکز جهان قرار دارند. برای شروع حدس بدی نبود. در حالی که دیدگاه او اغلب به باورهای دینی نسبت داده می شود که انسان ها خاص هستند و بنابراین باید در مرکز آفرینش باشند، ولی عمدتاً بر اساس این مشاهده بود که به نظر می رسید ستارگان در آسمان نسبت به زمین ثابت هستند. با روش‌ها و ابزارهای رصدی موجود در آن زمان، ستاره‌شناسان اولیه هیچ نشانه‌ای مبنی بر حرکت ما در جهان مشاهده نکردند.

مدل بطلمیوس به طرز شگفت‌آوری درست و دقیق بود، اما برای پیش‌بینی، به حرکات پیچیده سیارات متکی بود. این به نوبه خود حاکی از یک ماشین پیچیده ی آسمانی بود که اجرام آسمانی را در مسیرهای پیچیده و حلقوی هدایت می کرد. بطلمیوس پیشنهاد کرد که خورشید و سیارات به کره های عظیمی چسبیده اند که یک مکانیسم منظم را با زمین در مرکز ایجاد می کنند. این کره ها به هیچ وجه قابل شناسایی نبودند، به جز کنترل آنها بر حرکت سیارات و خورشید.

کوپرنیک، ستاره شناس و ریاضیدان دوره رنسانس متوجه شد که مدل سازی منظومه شمسی با خورشید در مرکز، چارچوب بسیار شهودی تری ارائه می دهد که می تواند پیش بینی های قابل مقایسه ای را با منظومه بطلمیوس ارائه دهد - اما بدون کره های مرموز.

اکنون می دانیم که نه زمین و نه خورشید در مرکز جهان و یا حتی در مرکز کهکشان ما قرار ندارند. با این حال، سادگی مدل خورشید-مرکز منظومه شمسی، نمونه ای از یک دیدگاه مفهومی قدرتمند را ارائه می دهد که ما می توانیم از آن برای درک حرکات هر مجموعه ای از سیارات و ستاره ها استفاده کنیم. این بسیار بهتر از مدل زمین-مرکز بطلمیوس است، که حتی منظومه شمسی نسبتاً ساده ی ما را با عبارات پیچیده ترسیم می‌کند، و استفاده از آن برای هر چیزی فراتر از خورشید و سیارات مجاور، تقریباً غیر ممکن است. مدل بطلمیوس از حرکت سیارات و خورشید، اگرچه عملاً مفید و از نظر ریاضی به اندازه کافی درست بود، اما فاقد تقارن و سادگی برای القای پیشرفت علمی گسترده‌تری بود. در مقابل، مدل زیبای خورشید-مرکز کوپرنیک جرقه انقلابی را زد که علوم را در طی چند صد سال متحول کرد.

مایورانا ایرادهایی که مدل بطلمیوس از منظومه شمسی را گرفتار کرده بود در اشتقاق دیراک از الکترودینامیک کوانتومی دید. در هر دو مورد، اشتقاق‌ها با مفروضات معقولی آغاز می‌شوند که به مدل‌های ساختگی و ریاضیات پیچیده ای نیاز دارند، تا بتوانند نظریاتی که از لحاظ ریاضی صحیح و قدرتمند هستند را بسازند.

در مورد بطلمیوس، مشکل از این فرض ناشی می شود که زمین خاص است و با آن نسبت به سایر سیارات به صورت نامتقارن رفتار می شود. در مورد دیراک، مقدماتی که او با آن شروع می کند، با الکترون نسبت به پادذره ی آن، پوزیترون، به طور نامتقارن برخورد می کند.

مایورانا مقاله ی پیشگامانه خود را «نظریه متقارن الکترون ها و پوزیترون ها» نامید و روشن کرد که قصد او حذف مشکلاتی است که رویکرد دیراک ایجاد کرده است. همانند جایگزین کردن مدل خورشید-مرکز منظومه شمسی به جای مدل زمین-مرکز آن، مشتق متقارن مایورانا از QED هم بلافاصله به درک عمیق تری منجر شد، به علاوه، با خود برخی مزایای دیگری را به همراه آورد که امروزه تلاش های آزمایشی بزرگی را هدایت می کنند.

اساساً، هیچ دلیلی برای مواجهه ی متفاوت با الکترون ها و پوزیترون ها وجود ندارد، به جز این واقعیت که وجود الکترون چندین دهه قبل از اینکه دیراک روی این مشکل کار کند، ثابت شده بود، ولی زمانی که او QED را توسعه می داد، پوزیترون ها هنوز کشف نشده بودند. الکترون و پوزیترون شرکای مکمل هم هستند، با جرم یکسان اما با بار مخالف. بنابراین، مایورانا استدلال می کند که آنها مستحق برخورد برابر در نظریه هایی هستند که آنها را توصیف می کنند.

درست همانطور که بطلمیوس بر اساس مشاهدات و اطلاعاتی که در اختیار داشت، فرض معقول، اما گیج کننده ای را مطرح کرد - که مکان ما در جهان خاص است، دیراک نیز با الکترون به طور نامتقارن نسبت به پوزیترون برخورد کرد، صرفاً به این دلیل که هیچ کس از شریک ضد ماده ی الکترون در آن زمان اطلاعی نداشت.

همان طور که بررسی مدل‌های منظومه شمسی نشان می‌دهد، یک نظریه چیزی بیشتر از ارائه ی اطلاعات و پیش‌بینی‌های درست و مفید است، بلکه پتانسیل آن را دارد که ما را به درکی عمیق تر برساند و منجر به اکتشافات جدید شود. دریای انرژی منفی دیراک مثل کره‌هایی بود که حرکت سیارات را در مدل خورشیدی بطلمیوس هدایت می‌کردند: نامرئی، غیرقابل فهم، و غیرقابل شناسایی به هر شکلی جز از طریق آثاری که قرار بود توضیح دهند.

در هر دو مورد، مکانیسم‌های زیربنایی عجیب و غریب، بخشی از استدلال‌های دواری بودند که طبیعت را به جای روشن کردن مبهم می‌کردند: سیارات در سراسر آسمان حرکت می‌کنند، زیرا به سیستمی از کره‌های نامرئی متصل هستند، و کره‌های نامرئی باید وجود داشته باشند، به دلیل نحوه ی حرکت سیارات؛ دریای انرژی منفی باید وجود داشته باشد تا از انتشار بی نهایت انرژی الکترون ها جلوگیری کند وگرنه آنها به درون انرژی های منفی بی نهایت می افتند، و این واقعیت که الکترون ها مقادیر بی نهایت انرژی ساطع نمی کنند باید به این دلیل باشد که دریای انرژی منفی وجود دارد.

نیاز به الکترون‌های انرژی منفی در QED، تا آنجا که به مایورانا مربوط می‌شد، نشانه‌ای از مفروضات ناخوشایندی بود که از ابتدای توسعه ی این نظریه در نظر گرفته شده بود، همان طور که در مورد کره‌های هدایت سیارات بطلمیوس اتفاق افتاده بود. مایورانا خاطرنشان می کند که عملا، اشتقاق او، پیش بینی های QED را تا جایی که به ذرات باردار مانند الکترون ها و پوزیترون ها مربوط می شود تغییر نمی دهد، همانطور که مدل کوپرنیک هیچ پیش بینی ای در مورد حرکت سیارات انجام نداد که با پیش بینی های بطلمیوس در تضاد باشد. با این وجود، مایورانا با برخورد یکسان با الکترون و پوزیترون، مفاهیم نگران‌کننده‌ای را که اشتقاق دیراک به آنها نیاز داشت، حذف کرد.

بعد در مقاله، Majorana مجموعه‌ای از معادلات فوق‌العاده مختصر را استخراج می‌کند که برای ذراتی که جرم دارند اما بار الکتریکی ندارند اعمال می‌شود.

در آن زمان، دو ذره بدون بار وجود داشت که مایورانا فکر می کرد این نظریه ممکن است در مورد آنها اعمال شود: نوترون که سال قبل از نوشتن مقاله مایورانا کشف شده بود و نوترینویی که پائولی در سال ۱۹۳۰ پیشنهاد کرده بود اما هنوز کشف نشده بود.

مایورانا در توضیح اهمیت این معادلات نوشت: «مزیت این است که اکنون دیگر نیازی به فرض کردن وجود پادنوترون یا پادنوترینو نیست.» یعنی معادلات پیشنهاد می‌کنند که نوترون‌ها و نوترینوها ترکیبی از دو حالت هستند: یک حالت که ما ذره می نامیم و دیگری که ما ضد ذره می نامیم.

به عنوان مثال، کودکی را روی تابی تصور کنید. هنگامی که کودک در حداکثر موقعیت چرخش رو به جلو قرار دارد، در یک حالت، و در حداکثر چرخش معکوس در حالت دیگر قرار دارد. در یک لحظه ی خاص، کودک ممکن است ۱۰ درصد از حالت رو به جلو و ۹۰ درصد از حالت معکوس فاصله داشته باشد. در زمان بعدی، ترکیب حالت ها تغییر خواهد کرد. و گاهی اوقات او کاملاً در حالت رو به جلو یا کاملاً در حالت معکوس خواهد بود. در هر صورت، کودک همان کودکی است که در تاب بوده است.

اگر مدل مایورانا درست باشد، مثال کودک را می توانیم در مورد برخی از ذرات خنثی نیز به کار ببریم. چنین ذراتی می‌توانند نقش‌هایی را که معمولاً به هر دو نسخه ی ماده و پادماده ی آن‌ها در آزمایش نسبت داده می‌شود، انجام دهند، با این احتمال که با توجه به نسبت این دو حالت، مانند یکی یا دیگری رفتار خواهند کند. اگر چنین باشد، تمایز قائل شدن بین ذرات و شرکای ضد ماده آنها بی معنی است.

در دنیای کوانتومی، ما نمی‌توانیم مستقیماً چرخش کودک را بین این دو حالت ببینیم. در عوض، آزمایش‌هایی که شامل معادل مکانیک کوانتومی یک تاب هستند، یک حالت یا حالت دیگر را با احتمالات متفاوت نشان می‌دهند. یک تاب کوانتومی که ۹۰ درصد رو به جلو است، در ۹۰ درصد مواقع مانند یک تاب کاملاً جلو به نظر می رسد، اما در ۱۰ درصد مواقع مانند یک تاب کاملاً عقب است. یعنی موقعیت‌های تاب (یا رفتار ماده/ضد ماده ی یک ذره ی خنثی، همانطور که مایورانا آن را تصور می‌کرد) حالت‌های کوانتیزه‌شده ی یک سیستم مکانیک کوانتومی هستند. در حالی که یک ذره از هر دو حالت ساخته شده است، فقط مثل یکی از آنها در آزمایش ها و تعاملات ظاهر می شود. تا زمانی که اندازه گیری نکنیم نمی توانیم بفهمیم که در کدام یک از دو حالت کوانتومی قرار دارد.

در رویکرد Majorana به QED، همین امر در مورد یک ذره ی خنثی که شریک ضد ماده خودش است نیز صادق است، یعنی در هر لحظه، ترکیبی از هر دو نسخه ی ماده و ضد ماده است، اما در آزمایش مشخص می‌شود که کدام است، با احتمالاتی که به محل آن در نوسان بین دو حالت بستگی دارد.

مایورانا در مورد نوترون‌ها اشتباه می‌کرد، احتمالاً به این دلیل که آنها تنها چند ماه قبل از نوشتن مقاله‌اش در آزمایش‌ها ظاهر شده بودند. برخلاف نوترینوها، نوترون‌ها از کوارک‌هایی تشکیل شده‌اند که هر کدام حامل یک بار الکتریکی و یک کمیت دیگر به نام عدد باریون هستند. در نتیجه، کوارک ها نمی توانند پادذره خودشان باشند. از آنجایی که نوترون ها از کوارک ها ساخته شده اند، آنها نیز نمی توانند پادذره خودشان باشند. با این حال، این موضوع هنوز در مورد نوترینوها که ذرات بنیادی بدون ساختار داخلی هستند، محل بحث است. این امکان وجود دارد، و بسیاری از فیزیکدانان احتمال زیاد می دهند که نوترینوها پادذرات خودشان هستند.

به افتخار مایورانا، نوترینوهایی که با مدلی که او در فرمول بندی مجدد QED کشف کرد، مطابقت دارند، اکنون نوترینوهای مایورانا نامیده می شوند. نوترینوهای دیراک، شرکای ضد ماده مشخصی خواهند داشت. هنوز هیچ اندازه‌گیری ای انجام نشده است که بتواند به طور قطع بگوید که نوترینوهایی که ما مشاهده می‌کنیم از نوع دیراک هستند یا از نوع مایورانا. آزمایش‌هایی که در حال حاضر در حال انجام هستند و آزمایش‌هایی که در حال برنامه ریزی هستند، می‌توانند به زودی این سؤال را جواب دهند. این آزمایش ها ممکن است در نهایت نشان دهند که نوترینوها همان گونه هستند که دیراک تصور می کرد، اما سادگی و تقارن نسخه ی QED مایورانا برای خودش جذاب است. کشف اینکه این ذرات، به جای نوترینوهای مایورانا، از نوع نوترینوهای دیراک هستند، با کشف اینکه زمین، واقعاً به نوعی در مرکز جهان قرار دارد، قابل مقایسه است - چیزی که امکان دارد، اما ناراضی کننده، نامطلوب، و بعید است.

ناپدید شدن عجیب اتوره مایورانا

مقاله مایورانا که الهام بخش جستجوی شواهدی از تقارن بین نوترینوهای ماده و نوترینوهای پادماده بوده است، آخرین کار علمی او بود، و همچنین یکی از شواهد کلیدی از ماه ها و روزهای پرفراز و نشیبی است که احتمالاً آخرین روزهای زندگی مایورانا بوده است.

از سال ۱۹۲۸، او یکی از امیدوارکننده ترین شاگردان انریکو فرمی بود. همراه با برونو پونتکوروو، مایورانا یکی از اعضای گروهی از فیزیکدانان بود که زیر نظر فرمی کار می کردند و به پسران Via Panisperna معروف بودند، نامی که به خاطر خیابانی که در رم محل موسسه ی فیزیک دانشگاه ساپینزا بود، بر آنها گذاشته شده بود. مایورانا به دلیل تمایلش به بازجویی دقیق از کار همسالان و مربیانش، به نام «بازرس بزرگ گروه» شناخته می شد. حتی او با فرمی که به او «پاپ پسران پانیسپرنا» می گفتند، گهگاه بحث های داغی می کرد. دوران تحصیل او در دانشگاه رم، پربارترین دوره ی زندگی حرفه ای مایورانا بود. البته کوتاه هم بود.

پس از سفری به آلمان در سال ۱۹۳۳ برای ملاقات با یکی از معماران برجسته ی مکانیک کوانتومی، ورنر هایزنبرگ، مایورانا بیمار شد. ناراحتی روده، احتمالاً به دلیل یک زخم، در ترکیب با آنچه خانواده و آشنایانش به عنوان کمرویی شدید توصیف می‌کردند، مایورانا را به گوشه‌نشینی در خانه ی خواهرش در رم سوق داد. او دیگر به دانشگاه نرفت و فقط گاهی به سواحل کرواسی در دریای آدریاتیک می رفت.

اگرچه مایورانا هرگز یک نویسنده ی پرکار نبود، ولی مقاله های مایورانا به طور کامل متوقف شده بود. خواهرش بعداً به یاد می‌آورد که مایورانا تا آخر شب روی آنچه که او معتقد بود مطالعات نظری بود کار می‌کرد، ولی به جز یک یا دو سطر در برخی از نامه ها، هیچ مقاله، یادداشت، یا سندی از هر نوع برای حمایت از این تصور به دست نیامده است.

مایورانا با وظیفه‌شناسی به نامه‌های عمویش کویرینو، فیزیکدان تجربی، پاسخ می‌داد و هر از گاهی معادلات را بررسی می‌کرد و بازخورد کوتاهی در مورد برخی مسائل نظری ارائه می‌داد. تا آنجا که هرکس به طور قطعی می تواند بگوید، پاسخ های سطحی و پراکنده، تمام فعالیت علمی او در این دوران انزوا بود.

در سال ۱۹۳۷، انریکو فرمی مصمم شد که شاگرد درخشان خود را به عرصه دانشگاهی بازگرداند. فرصتی که فرمی برای بیرون آوردن مایورانا به آن نیاز داشت، با رقابتی برای پر کردن چندین کرسی استادی در ایتالیا به وجود آمد. کمیته انتخاب متشکل از پنج فیزیکدان برجسته ایتالیایی بود. فرمی، به‌عنوان موفق‌ترین عضو و همچنین رئیس کمیته، موقعیتی ایده‌آل برای قرار دادن مایورانا در یکی از مؤسسات برجسته کشور داشت.

اما فرمی یک مشکل داشت: عدم فعالیت آکادمیک مایورانا و فهرست کوتاه مقالات، به این معنی بود که او نمی‌توانست با چندین متقاضی دیگر رقابت کند. فرمی با تحت فشار قرار دادن مایورانا برای ارائه مقاله خود در مورد نظریه متقارن الکترون و پوزیترون، که حداقل از سال ۱۹۳۳ بدون انتشار مانده بود، تا حدی به این مشکل پرداخت. مقاله ای که بعدها به بزرگترین میراث مایورانا تبدیل شد، بخش مهمی از برنامه فرمی برای دادن یک شغل دانشگاهی به مایورانا بود. با این حال، موضوع غیبت طولانی مایورانا از دانشگاه وجود داشت.

راه حلی که فرمی و کمیسیون به آن رسیدند این بود: اگر مایورانا نمی‌توانست با سایر متقاضیان بر اساس استانداردهای رایج رقابت کند، بهتر است اصلاً او را بر اساس آن استانداردها قضاوت نکنیم. در نامه‌ای به وزیر آموزش ملی ایتالیا، آن‌ها استدلال کردند که مایورانا در جامعه فیزیک در سراسر جهان به قدری مورد توجه قرار می‌گیرد که «کمیسیون در اعمال روش معمول رقابت دانشگاهی در مورد او تردید دارد».

کمیسیون همچنین در ضمیمه‌ای که به مقالات مایورانا می‌پردازد، متذکر شد که اگرچه کار او «به دلیل اصالت روش‌های به کار رفته و اهمیت نتایج به‌دست‌آمده کاملاً قابل توجه است»، آنها فهرست کامل مقالات او را ارسال نمی کنند. به‌جای فهرستی کوتاه و قدیمی، آن‌ها تنها سه مورد مهم را فهرست کردند. این انتخاب عاقلانه ای بود، با توجه به اینکه مجموع مقالات مایورانا، ۹ مقاله ناچیز بود.

سایر مدعیان پیشرو، فهرست انتشارات بسیار گسترده تری داشتند. در خلال پنج سال رکود مایورانا، جیان کارلو ویک حداقل پانزده تالیف داشت و جولیو راکا یازده مقاله یا بیشتر منتشر کرده بود. ویک مقام استادی را در دانشگاه پالرمو به دست آورد و راکا به دانشگاه پیزا رفت.

شکی نیست که سه مقاله ی منتخب Majorana برجسته بودند. در واقع، تمام مقالات مایورانا قابل توجه هستند. این امر، فرمی و کمیسیون را از به کارگیری آخرین ترفند باز نداشت. در خلاصه کردن کار مایورانا در مورد توصیف متقارن الکترون‌ها و پوزیترون‌ها، آن‌ها آن را به عنوان «مقاله‌ای اخیر» توصیف کردند. اگرچه این عنوان درست است، زیرا این آخرین مقاله مایورانا بود و چند ماه قبل از رقابت در Nuovo Cimento منتشر شد، ولی این تصور نادرست را القا می کرد که او فعالانه در خط مقدم فیزیک نظری کار می کند. اگرچه در سال ۱۹۳۷ هنوز استثنایی و بدیع بود، اما بیش از چهار سال از عمر این مقاله گذشته بود و هیچ بازتابی از فعالیت اخیر مایورانا - یا به طور دقیق تر، عدم فعالیت او در زمان رقابت - نداشت. این ترفند، موفقیت آمیز بود و مایورانا به عنوان استاد دانشگاه ناپل منصوب شد.

با توجه به نامه ای که او برای عموی فیزیکدانش فرستاده است، مایورانا قبل از انتساب خود از نقشه ی فرمی آگاه نبوده است. او برای کویرینو نوشته است: «من کمی به اتفاقات عجیبی که پیرامون رقابتم افتاده است خندیدم. البته هیچ اطلاعی از آنها نداشتم.»

مایورانا همچنین در نامه ای به دوست نزدیک خود، جووانینو جنتیله، که از طریق رقابت، مقام استادی را کسب کرده بود (بدون هیچ گونه دخالت غیرعادی)، در مورد تلاش فرمی جوکی را گفته است. پس از تبریک گفتن به جنتیله به خاطر موقعیت جدیدش در دانشگاه میلان، مایورانا می نویسد: «پیوس یازدهم بسیار پیر است، و من تعلیمات مسیحی خیلی خوبی دریافت کرده ام. اگر در کنفرانس بعدی مرا به خاطر شایستگی‌های استثنایی ام پاپ کنند، بدون شک می‌پذیرم.»

در ماه نوامبر، مایورانا در حال مکاتبه در مورد جزئیات شغلش با رئیس آینده خود آنتونیو کارلی، مدیر موسسه فیزیک در ناپل، بود. کارلی همچنین به عنوان عضو و دبیر کمیسیونی که فرمی ریاست آن را بر عهده داشت، خدمت کرده بود. در ۱۲ ژانویه ۱۹۳۸، مایورانا رسماً سمت خود را به عنوان فیزیکدان نظری در دانشگاه ناپل پذیرفت. او روز بعد اولین سخنرانی خود را در دانشگاه ارائه کرد.

کمی بیشتر از دو ماه بعد، مایورانا به طور کامل ناپدید شد. نه خانواده و نه همکارانش هرگز از او خبری نداشتند.

پرونده بسته شد

هفتاد و هفت سال پس از ناپدید شدن ناگهانی فیزیکدان جوان باهوش، پیرفیلیپو لاویانی، دادستان ایتالیا اعلام کرد که معمای مایورانا حل شده است. بعید است که این اعلام نظر قانونی، به بحث ماندگار در مورد آنچه واقعاً برای اتوره مایورانا اتفاق افتاده است، پایان دهد، که شغل مختصر و فهرست کوتاه انتشارات او تأثیر زیادی بر فیزیک ذرات داشته است.

حقایق در مورد معمای مایورانا اندک هستند. اتفاقات دو روز پایانی قبل از ناپدید شدن او، به شرح زیر است:

۲۵ مارس ۱۹۳۸

• مایورانا نامه ای به مدیر مؤسسه فیزیک ناپل می نویسد و اعلام می کند که تصمیمی اجتناب ناپذیر گرفته است. او در مورد تصمیمش واضح نیست، اما از ناپدید شدن ناگهانی خود عذرخواهی می کند.

• او یادداشتی برای خانواده اش می نویسد و آن را روی میز اتاق هتلی که آخرین بار در ناپل اقامت داشته است، می گذارد:

به خانواده ام [روی پاکت]

ناپل، ۲۵ مارس ۱۹۳۸، من فقط یک آرزو دارم: اینکه شما سیاه نپوشید. اگر می خواهید برای من عزاداری کنید، این کار را انجام دهید، اما نه بیشتر از سه روز. پس از آن، اگر می توانید، یاد من را در قلب خود نگه دارید و مرا ببخشید - با محبت، اتوره.

• مایورانا حساب بانکی خود را از حقوق چند ماهه خود خالی می کند و سوار یک کشتی بخار به سمت پالرمو می شود.

۲۶ مارس ۱۹۳۸

• در بدو ورود به پالرمو، مایورانا تلگرافی به مدیر موسسه می فرستد و نامه قبلی خود را لغو می کند. او سپس نامه دومی را به مدیر می نویسد و قول بازگشت را می دهد اما برنامه خود را برای استعفا از سمت تدریسش تأیید می کند.

• او یک بلیط در یک قایق که شب از پالرمو به سمت ناپل حرکت می کرد می خرد.

• مایورانا احتمالاً پس از سوار شدن به قایق و قبل از رسیدن به بندر ناپل ناپدید می شود.

در مورد ناپدید شدن مایورانا خیلی بحث شده است. تئوری های متعددی از جمله خودکشی، قتل، آدم ربایی، رفتن به یک صومعه، یا حتی تبدیل شدن به یک گدای خیابانی ارائه شده است. برای ۷۰ سال، چیزی فراتر از حدس و گمان وجود نداشت. سپس، در سال ۲۰۰۸، در طول یک برنامه ی تلویزیونی ایتالیایی که به یافتن افراد گمشده اختصاص داشت، یکی از تماس‌گیرندگان برنامه، ادعا کرد که سرنخ‌هایی در اختیار دارد.

روبرتو فاسانی روی آنتن گفت که در سال ۱۹۵۵ با مردی در کاراکاس ونزوئلا آشنا شده است که نامش آقای بینی بود. فاسانی به یاد آورد که شخصی به او گفته بود که نام واقعی بینی مایورانا است. او همچنین ادعا کرد که یک کارت پستال در ماشین آقای بینی به تاریخ ۱۹۲۰ کشف کرده است که از کویرینو مایورانا، عموی اتوره مایورانا خطاب به یک فیزیکدان آمریکایی نوشته شده بود.

هنگامی که پرونده به دادگاه رفت، فاسانی عکسی از آقای بینی نشان داد که شبیه مایورانا بود. به گفته دادستان، این کافی بود تا ثابت شود که مایورانا تمام روابط شخصی و حرفه ای خود را قطع کرده، به ونزوئلا گریخته و حداقل ۱۷ سال به میل خود به صورت ناشناس زندگی کرده است. بنابراین، دادستان در پایان گفت، هیچ نشانه ای از جنایت وجود ندارد و نیازی به باز نگه داشتن پرونده نیست.

بسیاری از مورخین، تصمیم قانونی دادستان را قانع کننده نمی دانند. این یک نقطه پایانی تلخ برای زندگی مرموز اتوره مایورانا است، که درک او از نوترینو، هنوز هم به شدت طنین انداز است.

ساده ترین پاسخ همیشه درست نیست، اما به عنوان اولین راه حل بد نیست. در مورد ناپدید شدن مایورانا، نوشته‌های خودش و شواهدی از حرکات نهایی‌اش نشان می‌دهد که هر کسی که تیغ اوکام را در دست داشته باشد، احتمالاً به این نتیجه ی اولیه می‌رسد که راه‌حل این معما واقعاً ساده است: مایورانا از یک قایق در حال سفر از پالرمو به ناپل در ۲۶ مارس ۱۹۳۸ به سمت مرگ پریده است. اگر چنین باشد، ما در دریای تیرنی کسی را که تلاش می کرد فیزیک را از دریای ذرات انرژی منفی بی نهایت دیراک نجات دهد، از دست دادیم.

قبلی، بعدی