Коллайдер: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Лоуренс показал свои чертежи Дональду Шейну, математику из Беркли, и тот подтвердил верность расчетов. Когда Шейн полюбопытствовал: «Зачем вам это?» - Лоуренс радостно ответил: «Я собираюсь обстрелять атомы и разломать их!»

На следующий день его воодушевление еще больше возросло, когда из новых вычислений он увидел, что в его проектируемом ускорителе частицы будут продолжать двигаться все быстрее и быстрее, и неважно, насколько сильно от центра они при этом удалились. Жена коллеги даже слышала, как вышагивающий по университетскому городку павлином Лоуренс воскликнул: «Я стану знаменитым!»³⁴

По привычке детства ему не терпелось поделиться своими изысканиями с Туве, работавшим тогда в Институте Карнеги в Вашингтоне. Но Туве встретил эту конструкцию без особого восторга. По иронии судьбы лучшие друзья превратились в соперников и в вопросе расщепления ядра не разделяли взглядов друг друга. Туве совместно с Грегори Брейтом и Лоуренсом Хафстадом сделали ставку на трансформатор Теслы. Низкое напряжение в одной из двух катушек этого устройства возбуждает высокое напряжение в своей соседке, причем перепад потенциала может быть огромным. Катушки Теслы, однако, было трудно заизолировать, а потери энергии оставляли желать лучшего. Едва появились высоковольтные генераторы Ван де Граафа, Туве осознал их эффективность и стал собирать собственные модели.

Из-за скептических отзывов Туве и его коллег Лоуренс поначалу сомневался в своей правоте. (Свой прибор он назвал магнитно-резонансным ускорителем, мы теперь его знаем как циклотрон.) И только подбадривающие слова уважаемого ученого помогли Лоуренсу поверить в свой проект. В 1929 г. на рождественских праздниках он за бутылкой подпольного вина (действовал сухой закон) показал свои наброски гостившему в США немецкому физику Отто Штерну. Тот пришел в восхищение и настоятельно посоветовал воплотить эту идею в жизнь. «Эрнест, ни слова больше, - убеждал Штерн. - Немедленно… принимайтесь за работу»³⁵.

Кокрофт, Уолтон, Ван де Грааф, Туве и другие ученые-ядерщики наступали Лоуренсу на пятки, и ему некогда было сидеть сложа руки, надо было срочно строить и запускать ускоритель. Он отвел в сторонку Нильса Эдлефсена, своего первого аспиранта, и задал вопрос: «Помните, мы обсуждали мою безумную идею? Там все так просто, что не пойму, почему никто до нее не додумался. Вы не видите никакой ошибки?»

Эдлефсен ответил, что идея вполне разумная. «Отлично! - сказал Лоуренс. - Тогда за работу. Приготовьте все, что нам может понадобиться».

И под руководством Лоуренса Эдлефсен из груды подручных материалов, отыскавшихся в лаборатории, принялся собирать опытный образец. Круглая медная цистерна, разрезанная пополам, превратилась в два электрода, которые подсоединили к радиочастотному генератору, выдающему регулярные импульсы напряжения. Эдлефсен упаковал весь прибор в стеклянный корпус, поместил его между 10-сантиментровыми полюсами направляющего магнита и - последний шаг - залил все стыки липким воском. Этот ускоритель, появившийся в начале 1930-х гг., элегантностью не отличался. Но зато после некоторой настройки исправно удерживал протоны на орбите - к вящему удовольствию Лоуренса.

Один из первых циклотронов - 94-сантиметровый экземпляр Радиационной лаборатории (ныне Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли)

Но чтобы пробиться в ядерную крепость, нужны были более высокие энергии, а значит, как Лоуренс быстро понял, более серьезный ускоритель с магнитом помощнее. К счастью, один промышленник, также читавший в университете лекции, предложил Лоуренсу взять 8-тонный магнит, пылившийся на складе в Пало Альто, в пятидесяти милях от Беркли. Когда-то он был частью радиопередатчика, но прогресс оставил его далеко за бортом.

Щедрый подарок требовал много места, и Лоуренс стал искать, где можно построить более крупный ускоритель. И снова удача! В 1931 г. ученому разрешили взять одно из старых университетских зданий, идущих под снос. Там свое первое пристанище (потом были и другие) нашла Радиационная лаборатория (или, как звали ее ученые, «Рэд Лаб»), в которой Лоуренс десятки лет вел свои исследования. Потом ее переименовали в Национальную лабораторию им. Лоуренса в Беркли, отдав тем самым дань уважения ее основателю.

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.

После Сольвеевского конгресса Лоуренс предпринял небольшое путешествие в Англию и провел пару дней в Кавендишской лаборатории. Резерфорд очень тепло его приветствовал и лично провел для него экскурсию. После жарких дискуссий о результатах бомбардировки лития Резерфорд сказал про Лоуренса: «Заносчивый молодой человек, но это пройдет»¹⁰.

Лоуренс попробовал уговорить Резерфорда построить циклотрон в Кавендише. Чэдвик, Кокрофт и Вильсон тоже в один голос твердили, что циклотрон - это единственный способ для лаборатории остаться на мировом уровне. Но Резерфорд был непреклонен. Он предпочитал все делать сам, и ему не хотелось брать идеи у других научных групп. К тому же циклотрон, он знал, недешевое удовольствие, а Резерфорд не любил клянчить деньги.

Но отсутствие циклотрона обошлось ему еще дороже. В 1935 г. Чэдвик, огорченный отсутствием новых успехов, отбыл в Ливерпульский университет, где начал выбивать средства на циклотрон. Во время его визита в Кембридж летом 1936 г. он и его бывший наставник едва обмолвились парой слов. Примерно в это же время австралийскому ученику Резерфорда Марку Олифанту предложили место в Бирмингемском университете, которое он не замедлил принять. В конце концов, удрученный потерей одних из своих лучших сотрудников, Резерфорд разрешил Кокрофту начать работу над кембриджским циклотроном.

[19] Калифорнийский технологический институт. - Примеч. пер.