Пол Хэлперн - Коллайдер

• Название: Коллайдер
• Автор: Пол Хэлперн
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Физика
• Год: 2010

Осенью 2008 года газеты запестрели заголовками, сообщавшими» будто в недрах Большого адронного коллайдера (БАК), на котором физики собирались расщепить вещество на элементарные частицы, родятся микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю.

Какое значение имеет БАК для науки? Что ученые ищут? Почему физика, возможно, вскоре совершит один из величайших рывков в своей истории? Все эти вопросы обсуждаются в книге «Коллайдер». Автор, кроме всего прочего, доказывает, почему невозможно ни практически, ни теоретически, что на БАК появятся черные мини-дыры, которых все так боятся.

---

Следующей на повестке стояла непростая задача довезти гигантский магнит до лаборатории. С помощью еще одного мецената Лоуренс и в третий раз вытянул счастливый билет - и это в Великую депрессию, когда банкирам пришлось потуже затянуть пояса. Необходимое оборудование, место в избытке - у ученого теперь было все, чтобы соорудить мощную машину.

1932 г. стал для ядерной физики знаковым годом. Многие замечательные эксперименты, как прожектором, выхватили из темноты хитросплетения атомного мира. В Колумбийском университете химик Харольд Юри открыл дейтерий, водородный изотоп, который примерно в два раза тяжелее обычного водорода. Нейтрон, обнаруженный Джеймсом Чэдвиком в Кавендишской лаборатории после обработки кропотливых наблюдений, навел на мысль, почему дейтерий по массе в два раза превосходит своего собрата с тем же зарядом. Более тяжелый изотоп обременен лишними нейтронами. Возникли разговоры о том, можно ли, собственно, считать нейтрон отдельной частицей, или же протон и электрон как-то соединяются и дают электрически нейтральный объект.

В научном мире ходило несколько альтернативных гипотез, и только эксперимент мог выбрать какую-либо одну из них. Есть, скажем, бета-распад, когда радиоактивный образец испускает электроны. Этим электронам, думали некоторые, больше неоткуда идти, кроме как из нейтронов, разваливающихся на протоны и электроны. (Сегодня мы знаем: эти превращения происходят за счет слабого взаимодействия, вовлекающего кварки внутри протонов и нейтронов, а также вылетающий электрон и нейтрино).

Еще одну теорию о взаимосвязи нейтрона и протона позволял выдвинуть открытый Карлом Андерсоном позитрон. На фотографиях, отображавших треки в камере Вильсона, ученый из Калтеха[19] обнаружил положительно заряженную компоненту космических лучей (космические частицы, прошедшие через земную атмосферу), причем масса частиц в ней была как у электрона. Сейчас нам известно, что позитрон - это античастица электрона, но в свое время Андерсон задавался вопросом, элементарен ли нейтрон, и если да, то, может быть, протон - это слившиеся воедино нейтрон и позитрон? Чтобы докопаться до истины, требовались точные измерения масс протона и нейтрона. Тогда можно было бы судить, покрывает ли разница в массах массу электрона или позитрона. (Как мы сейчас знаем, нейтрон действительно тяжелее протона, но состоит из кварков, а не из протонов и электронов.)

Пока Лоуренс с аспирантом Мильтоном Стэнли Ливингстоном, приехавшим из Висконсина, в поте лица трудился над укрупнением циклотрона, пальма первенства в погоне за расщеплением литиевого ядра обрела хозяина. Первыми финишную черту на Кавендишском линейном ускорителе преодолели Кокрофт и Уолтон. Второй потом вспоминал, как произошло открытие, как они обстреливали литиевую мишень и, наконец, получили потрясающие результаты. «Утром 14 апреля 1932 г. я проводил обычный осмотр и подготовку аппаратуры. Когда напряжение достигло 400 000 вольт, я решил взглянуть в микроскоп, нацеленный на флуоресцентный экран. Пробираясь ползком на руках и коленях, чтобы избежать удара током, я в конце концов дотянулся до дна ускорительной трубки. Меня обуяла радость, когда я увидел мелкие вспышки света вроде тех сцинтилляций, что дают альфа-частицы. Я читал о них в книгах, но своими глазами никогда раньше не видел»36.

Обнаружив явление, которое очень походило на распад лития, Уолтон позвал в лабораторию Кокрофта, который подтвердил эти подозрения. Потом они сходили за Резерфордом, чтобы тот слазил в камеру и сам посмотрел на сцинтилляции. Они отключили напряжение, и Резерфорд, пригнувшись, протиснулся внутрь. Выйдя оттуда, он сказал: «Эти сцинтилляции сильно напоминают вспышки от альфа-частиц. Я вряд ли их спутаю с чем-либо еще. Они вошли в науку на моей памяти, и с тех пор я такие вспышки наблюдал не раз»37.

На этот раз Резерфорд вдруг попросил Кокрофта и Уолтона держать рот на замке, пока они не проведут новые измерения. В письме своей невесте Фреде Уилсон (на ней он женился в 1934 г) Уолтон писал: «Он [Резерфорд] решил так поступить, потому что боится, что не успеешь и глазом моргнуть, как эта новость облетит все физические лаборатории в мире. Нельзя допустить, чтобы ежедневные газеты запестрели сенсационными заявлениями прежде, чем мы сделаем свое собственное»38.

Кокрофт и Уолтон повторяли эксперимент снова и снова, но уже с камерой Вильсона, регистрирующей следы альфа-частиц. (Камера Вильсона, напомним, - это ящик с пересыщенным паром, проходя сквозь который радиоактивные частицы - альфа и бета - оставляют видимый конденсационный след.) Составив баланс масс до и после удара, физики доказали, что литиевое ядро из трех протонов и четырех нейтронов, сдобренное еще одним протоном, разлеталось на две альфа-частицы, в каждой по паре протонов и нейтронов. Группа из Кембриджа в самом что ни на есть прямом смысле разрезала ядро лития пополам.

Более того, энергия, высвобождаемая в каждом столкновении, в точности равнялась разнице в массах начального и конечного состояния, помноженной на скорость света в квадрате. Эксперимент подтвердил знаменитую формулу Эйнштейна! Убедившись в точности и значимости своих результатов, исследователи опубликовали их в авторитетном журнале «Нэйчур». За свою беспрецедентную работу Кокрофт и Уолтон получили в 1951 г. Нобелевскую премию по физике.

Новости из Кембриджа Лоуренса ни капли не расстроили. Ему тоже было что праздновать. Во-первых, они с Молли только что поженились, и медовый месяц у них был в самом разгаре. Железная настойчивость приносила Лоуренсу плоды, в том числе и в любовной науке. Боязливая девушка постепенно полюбила своего талантливого, хоть и странноватого ухажера. Со временем их семью ждало изрядное пополнение - четыре девочки и два мальчика.

За оптимизмом Лоуренса скрывалась и вторая причина: ничто не могло переубедить его в том, что он стоит на пороге новой эры в науке. Он со всей полнотой осознал, что по энергии циклотронам предстоит перегнать линейные ускорители, а потому в будущих исследованиях ядра именно циклотронам принадлежит решающая роль. Лоуренс не стал терять времени на проверку результатов Кокрофта и Уолтона по расщеплению лития на 28-сантиметровом ускорителе. А модель покрупнее с 8-тонным магнитом в «Рэд Лабе» еще строилась. В марте 1933 г. ее завершили, и Лоуренс обстрелял литий протонами и получил целый ливень высокоэнергетичных альфа-частиц, которые, отскакивая рикошетом, пролетали весьма приличное расстояние. Он также на разных элементах испробовал дейтоны (ядра дейтерия). В результате этих столкновений вылетали протоны с прямо-таки олимпийской выносливостью, совершавшие забеги до почти 40 см. Вот теперь он был готов поделиться своими находками с мировым физическим сообществом.

На Седьмом Сольвеевском конгрессе, прошедшем в Брюсселе в последнюю неделю октября 1933 г., обсуждались новейшие успехи ядерной физики. Среди присутствовавших светил науки были пионеры квантовой механики Бор, де Бройль, Паули, Дирак, Гейзенберг и Шрёдингер. Из Парижа приехала Мария Склодовская-Кюри вместе со своей дочерью Ирен Жолио-Кюри и зятем Фредериком Жолио, выдающимися ядерными химиками и будущими нобелевскими лауреатами.

Прибыл из СССР Гамов, и, как потом выяснилось, этот год стал началом его жизни в эмиграции. За пару лет до этого он через Копенгаген все-таки вернулся на родину'. Однако ходить по указке Сталина он и его жена не хотели, поэтому попытались через Черное море переплыть в Турцию, но из-за ненастной погоды все сорвалось. На их счастье благодаря приглашению Бора оба смогли отправиться в Бельгию, где Гамов, к удивлению гостеприимного хозяина, объявил, что возвращаться они не собираются.

Впечатляюще смотрелась и делегация из Кавендиша во главе с Резерфордом: Кокрофт, Уолтон, Чэдвик и Блэкетт. А без Лоуренса, хоть он и был единственным представителем Америки, картина уж точно была бы неполной. Циклотронам предстояло стать незаменимым инструментом ядерных исследований, а США - на десятилетия превратиться для этих устройств в главную экспериментальную площадку.

Первым шел доклад Кокрофта «Расщепление элементов ускоренными протонами». Лоуренс, которому не терпелось продемонстрировать превосходство циклотронов в этой задаче, жадно ловил каждое его слово. Пробегая глазами листовку Кокрофта, Лоуренс натолкнулся на фразу, будто от циклотронов «можно добиться только маленьких токов», и жирно ее перечеркнул. Выражая свое явное несогласие с заявлениями Кокрофта, он на полях написал: «Неправда»39.

Когда подошло время его доклада, Лоуренс за словом в карман не полез. Теперь он уже рассказывал о своем приборе и убеждал, что для исследований ядра ничего лучше этой схемы нет. Он также дал свою собственную оценку массы нейтрона, которая, будучи намного ниже цифры Чэдвика, вступала с последней в противоречие. Эксперименты, проведенные в том же году Туве, указали на ошибку Лоуренса, и он честно ее признал. Нейтрон, получалось, попадал в более высокую весовую категорию, нежели протон.