Британский физик Патрик Блэкетт и итальянец Джузеппе Оккиалини, работавшие в Кембриджском университете, обнаружили, что при улавливании детектором космического луча с очень большой энергией наблюдается поток частиц, по всей видимости, возникающих при столкновении луча с ядрами атомов свинца, которым был покрыт детектор. Вскоре после этого открытия американский ученый Карл Дейвид Андерсон выявил позитрон, существование которого было предсказано уравнением Дирака. При столкновении электрон и позитрон уничтожаются, и рождаются два фотона, которые разлетаются в противоположных направлениях в соответствии с самым знаменитым уравнением физики Е = mc2 .

Верно и обратное: фотон, обладающий достаточно большой энергией, способен породить электрон и позитрон. Согласно закону сохранения импульса, чтобы это произошло, фотон должен столкнуться с ядром атома. Эти открытия вновь пробудили в Гейзенберге интерес к квантовой электродинамике. Он ожидал, что сможет связать свою гипотетическую минимальную единицу длины с длиной волны фотонов, которые присутствуют в потоке частиц, порождаемых космическими лучами. В «дожде частиц» возникают новые частицы, начиная с легчайших – пионов и мюонов. Описание всех этих частиц и античастиц было непростой задачей, ведь следовало учесть все возможные взаимодействия, все возможные процессы и их вероятности. Гейзенберг не мог четко сформулировать квантовую теорию поля (она стала постепенно вырисовываться лишь в 1940-е годы), однако именно он разработал многие основные ее элементы.

Космические лучи – это заряженные частицы, попадающие на Землю из космоса. В большинстве своем это протоны, которые попадают на Землю с поверхности Солнца. До изобретения ускорителей изучить столкновения частиц высоких энергий можно было только с помощью космических лучей. Когда протон, движущийся к Земле с космическими лучами, сталкивается с ядром атома в верхних слоях атмосферы, возникает цепная реакция, в результате которой образуется большое число частиц. Пример подобной реакции представлен на рисунке.

В конце января 1933 года Гитлер был провозглашен рейхсканцлером Германии, то есть главой правительства. Он получил все полномочия, позволявшие управлять страной в обход конституции, и немедленно принял особый закон о правительственных чиновниках, который подразумевал снятие со всех государственных должностей евреев, социалистов, коммунистов и противников режима. В результате последовавших увольнений и отставок университеты потеряли 15 % профессуры, а некоторые научные центры, в частности Гёттингенский университет, практически опустели.

Эйнштейн нашел убежище в США и заявил, что не вернется в Германию, пока в ней будут править нацисты. Он ушел в отставку со всех постов и заявил, что отказывается от членства в Прусской академии наук:

«Первейшая задача всякой академии заключается в поддержке и защите научной жизни страны. Однако члены научного общества Германии, насколько мне известно, стали молчаливыми свидетелями того, как немецких ученых, студентов и преподавателей лишили возможности трудиться и зарабатывать средства к существованию. У меня нет ни малейшего желания принадлежать к научному обществу, которое способно, даже под давлением извне, вести себя подобным образом».

Некоторые ученые вступили в нацистскую партию или открыто симпатизировали ей – например, соавтор матричной механики Паскуаль Йордан, а также два лауреата Нобелевской премии по физике: Филипп фон Ленард, получивший премию в 1905 году за работы о фотоэффекте, и Йоханнес Штарк, удостоенный премии в 1919 году за открытие удвоения лучей спектра в электрическом поле. Штарк вступил в ряды нацистской партии в 1930 году и в течение нескольких лет оказывал большое влияние на научную жизнь страны; Йордан примкнул к нацистам в мае 1933 года.

Большинство ученых, как и многие в Германии, считали, что в условиях экономического и социального кризиса необходима новая политическая сила, поэтому идеи Гитлера они восприняли с надеждой. Люди верили, что перегибы нового режима вскоре будут устранены и ситуация улучшится. Примерно так же считал и Гейзенберг. В частности, он попытался убедить Борна, уволенного из института за то, что его деды были евреями, не покидать Германию. В июне Гейзенберг писал:

«Я знаю, что среди ответственных за сложившуюся политическую ситуацию есть люди, ради которых стоит набраться терпения. Разумеется, пройдет некоторое время, и прекрасное будет отделено от ужасного».

Ученый считал, что радикальные законы коснутся лишь немногих незначительных лиц, и «политическая революция пройдет без ущерба для гёттингенской физики». Вероятно, Гейзенберга на этот счет обнадеживал и фон Вайцзеккер, отец которого занимал высокий пост и в итоге стал членом правительства. К счастью для себя и своей семьи, Борн не внял советам Гейзенберга и покинул страну. Шрёдингер стал одним из немногих, кто покинул Германию добровольно, из-за несогласия со сложившейся политической ситуацией. Гейзенберг не понял этого поступка, заметив: «Он не был евреем, и ему ничего не угрожало».

Ученые, как могли, выражали протест режиму. Макс Планк и Макс фон Лауэ, используя весь свой авторитет, пытались не допустить того, чтобы немецкая наука попала под влияние политики. Планк в свои 75 лет добился приема у Гитлера, чтобы рассказать лидеру нации об огромном ущербе, который был нанесен немецким университетам из-за антисемитизма, однако в ответ услышал лишь о том, что и сам он может разделить судьбу своих протеже и попасть в концентрационный лагерь. Гейзенберг, в котором Планк видел будущее немецкой физики, никогда не выступал против нацистского режима в открытую, однако присоединился к этим двум видным ученым, чтобы защитить немецкую науку от нападок нацистов.

Макс Борн (1882-1970) по образованию был математиком. Он учился в университетах Бреслау (ныне – Вроцлав, Польша), Гейдельберга и Цюриха. Докторскую степень (1906) и хабилитацию (1909) получил в Гёттингенском университете.

Там же он сменил профиль деятельности и посвятил себя теоретической физике. Некоторое время Борн был профессором в университетах Берлина и Франкфурта, а в 1921 году вернулся в Гёттинген, где возглавил кафедру теоретической физики. Среди докторантов ученого были такие известные в последующем физики, как Виктор Фредерик Вайскопф, Роберт Оппенгеймер, Мария Гёпперт-Майер и Макс Дельбрюк. В 1933 году Борн, еврей по происхождению, покинул нацистскую Германию. Он работал в Кембриджском университете, затем возглавил кафедру математической физики в Эдинбурге. Несмотря на всю важность его открытий, имя Борна не всегда упоминается в числе создателей квантовой механики. Некоторые считают, что ученый должен был вместе с Гейзенбергом получить Нобелевскую премию 1932 года. Признание пришло позднее, в 1954 году, когда Борн был удостоен Нобелевской премии по физике «за фундаментальные исследования по квантовой механике, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции».

В ноябре 1933 года члены Лиги преподавателей подписали письмо в поддержку решения правительства Германии выйти из Лиги Наций. Гейзенберг отказался ставить свою подпись, и глава Лиги преподавателей, которым был не кто иной, как Йоханнес Штарк, попытался настроить против ученого студентов. Впрочем, эти усилия были напрасными. Несколько месяцев спустя Штарк предложил, чтобы все немецкие лауреаты Нобелевской премии отправили Гитлеру телеграмму со словами поддержки. Планк, Лауэ, Нернст и Гейзенберг отказались, мотивируя свое решение тем, что даже если бы они лично были согласны с текстом телеграммы, ученым не следует высказывать мнение о политических вопросах. Штарк с негодованием ответил, что они уже занимались политикой, когда преподавали теорию относительности и говорили об Эйнштейне.