Коллайдер: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Пока от Резерфорда один за другим уезжали соратники, в Беркли Лоуренс уже собирал средства на еще более мощную машину. Деньги текли к нему рекой, и расширить Радиационную лабораторию не представляло никакого труда. Олифант, однажды навестивший Лоуренса, так объяснил отличие его от Резерфорда: «Кавендишская лаборатория и во времена Резерфорда, и до него всегда была на мели. Резерфорд был не способен, да и не хотел добывать деньги… Лоуренс, наоборот, обладал деловой хваткой и быстро набил руку, добывая деньги для своей лаборатории».

Олифант обратил внимание, что Лоуренс, начинавший в университете с медицины, вовремя предугадал медицинские приложения циклотронов и с этим козырем в руках успешно привлекал средства. В 1935 г. Лоуренс писал Бору: «Как Вы знаете, на медицинские исследования дают деньги гораздо охотнее».

В отличие от Резерфорда, который планировал и лично следил почти за всеми экспериментами в своей лаборатории, Лоуренс предпочитал не взваливать все на себя. Его организационным талантом восхищались люди в правительстве и промышленности, от которых зависело, будет расширяться его лаборатория или нет, и она расширялась. Как отмечал Олифант: «Его прямой подход к делу, уверенность в себе, достижения его опытных сотрудников и целеустремленность исследователей, работавших под его началом, рождали уверенность и в тех, у кого были деньги. Он безошибочно выбирал людей и проекты, за которые стоило взяться. Его отличала редкая способность найти применение всем без исключения навыкам и знаниям, которыми обладали члены его разношерстной группы. Он стал живым примером того, каким должен быть директор большой современной лаборатории. Кстати о лаборатории, ее бюджет вырос до заоблачных высот, а управленческий талант ее руководителя привел к таким скачкам на научном поприще, которые полностью стоили потраченных на них усилий»⁴¹.

19 октября 1937 г. от ущемления грыжи скончался Резерфорд. Как и полагается пэру (за шесть лет до смерти он был удостоен этого титула), «высокочтимого лорда Нельсона» похоронили со всеми почестями. В гербе Резерфорда нашли отражение как его происхождение, так и научные взгляды. Цитата из Лукреция, соседствующая с изображениями птицы киви, символа Новой Зеландии, и воина маори, гласит: «Primordia Quaerare Rerum» («Познать первопринципы сущего»). Могила с прахом Резерфорда заняла подобающее место в Вестминстерском аббатстве рядом с местами последнего упокоения Ньютона и лорда Кельвина.

Фундаментальные силы - занимательный квартет

В 1939 г. в строжайшей тайне в Принстон приехал Нильс Бор. Он недавно узнал, что фашистская Германия хочет одной из первых научиться делить ядра урана и других массивных элементов. В воздухе витал немой вопрос, попробует ли Гитлер превратить неконтролируемую энергию атомных ядер в смертельное оружие. Бор вместе с Джоном Уилером пытались лучше изучить ядерное деление и построить модель, как ядро деформируется и разлетается на осколки.

Из уважения Бор посетил одну из лекций Эйнштейна по теории объединения. Эйнштейн там рассказывал о своей новой математической схеме, позволявшей описать гравитацию наряду с электромагнетизмом. Ядерные силы в ней не упоминались, да и к квантовой механике она не имела отношения. Говорят, Бор посреди доклада незаметно вышел. Его, как и почти всех тогда, интересовали теперь другие вещи. На переднем крае науки было атомное ядро.

Ядерная физика в то время перешла в основном в политическую плоскость. Годом ранее Отто Хан - немецкий химик, входивший в группу Резерфорда в Макгилле, - в сотрудничестве с Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманом обнаружил, что ядро одного из изотопов урана можно расщепить, если бомбардировать его нейтронами. Вскоре после этого Мейтнер сбежала от нацистов, которые только что аннексировали Австрию, и принесла весть об открытии своему племяннику Отто Фришу, работавшему с Бором. Бора совсем не обрадовала перспектива того, что фашисты могут благодаря этой находке сделать бомбу. Его беспокойство разделяли и остальные посвященные в тайну. Их тревога возросла еще больше, когда Сцилард и итальянец Энрико Ферми продемонстрировали, что распавшееся урановое ядро испускает новые нейтроны, которые могут попасть по соседним ядрам, расщепить их и запустить цепную реакцию, высвободив таким образом немыслимое количество энергии. Сцилард написал письмо Рузвельту и убедил Эйнштейна тоже под ним подписаться. В итоге был организован «Манхэттенский проект», и Америка взялась за разработку атомной бомбы.

Ядро оставалось тайной за семью печатями. Что его держит? Почему оно распадается, как распадается? Из-за чего одни изотопы менее устойчивы, чем другие? И почему это нейтронов в атомах, как правило, намного больше протонов? Что ядрам природных элементов как будто бы мешает вырасти больше определенного размера? Можно ли в лаборатории создать ядро любого заданного размера?

Одним из первопроходцев, пустившихся на поиски ответов на эти вопросы в смутные годы Второй мировой войны, стал Ферми. Он родился в Риме 29 сентября 1901 г. и с детства прослыл вундеркиндом. Маленький Энрико схватывал математику и физику с молниеносной быстротой. В 10 лет его к себе влекли тонкости геометрических уравнений вроде уравнения окружности. После трагической смерти старшего брата-подростка Энрико по-своему справлялся с горем: с головой ушел в книги, благодаря чему его знания теперь росли не по дням, а по часам. Долго не засиживаясь ни на школьной, ни на университетской скамье, в возрасте 21 года он уже был обладателем докторской степени Пизанского университета. В середине 20-х гг. Ферми успел побывать в Гёттингене, Лейдене и Флоренции, а потом пошел в Римский университет преподавать физику.

Важным вкладом Ферми в ядерную физику и физику элементарных частиц стала в 1933 г. первая математическая модель бета-распада. Ферми к ней подтолкнула гипотеза нейтрино, незадолго до этого впервые публично высказанная Паули на Седьмом Сольвеевском конгрессе. Паули объяснил, что, когда происходит радиоактивный распад ядра в бета-лучи, обязательно должна рождаться ускользающая от экспериментаторов незаряженная и почти невесомая частица, ответственная за недостаток энергии. Ученый сначала ее называл нейтроном, но когда был открыт настоящий, «тяжелый» нейтрон, Паули принял предложение Ферми и решил взять итальянскую уменьшительно-ласкательную форму. А Ферми принялся рассчитывать процесс распада. Хотя в его модели, как потом оказалось, отсутствовали некоторые важные звенья, в ней впервые была приоткрыта завеса над совершенно новой силой природы - слабым взаимодействием. Как раз эта сила вызывает превращения определенных частиц друг в друга, приводя к неустойчивости, например к бета-распаду.

Эмилио Сегре, физик, работавший вместе с Ферми, вспоминал: «Об этой теории Ферми впервые рассказал в кругу друзей, когда мы проводили рождественские каникулы 1933 г. в Альпах. Это было вечером, и все мы сидели на одной кровати в номере отеля; день был целиком отдан лыжам, и я едва мог сидеть тихо - все у меня болело после нескольких падений на фирне. Ферми полностью сознавал, сколь важного успеха он добился, и сказал, что это лучшая его работа и, как он думает, о нем будут помнить по этой работе»⁴³.

В модели Ферми бета-распад представляет собой процесс обмена между частицами, встретившимися в одной точке. Например, протон подходит к электрону и передает ему свой положительный заряд. Сам он при этом становится нейтроном, а электрон превращается в нейтрино. Или же протон может избавиться от своего заряда и стать нейтроном, дав также жизнь позитрону и нейтрино. Есть и третий путь: нейтрон дает протон, а спутниками идут электрон и антинейтрино (античастица нейтрино). В любом случае частицы подходят друг к другу поближе и делают передачу. Это как в футболе: к игроку с мячом подбегает футболист команды-противника, отбирает мяч и удаляется в неизвестном направлении.

В электромагнетизме два электрических тока (потоки зарядов) действуют друг на друга посредством обмена фотонами. Фотон - частица электрически нейтральная, а значит, в процессе взаимодействия передачи заряда не происходит. Благодаря фотонному обмену токи лишь могут начать - в зависимости от направления скорости зарядов - либо притягиваться, либо отталкиваться.

Если говорить на современном языке, фотон - это переносчик электромагнитного взаимодействия. Переносчики, в том числе фотон, относятся к классу частиц под названием бозоны. Мельчайшие кирпичики материи - как нам сегодня известно, это кварки и лептоны - все являются фермионами. Если фермионы - это кости и мускулы тела, то бозоны - это нервные импульсы, запускающие тело в ход.

Что касается слабых сил, Ферми заметил, что два «тока», один из протонов и нейтронов, второй из электронов и нейтрино, в процессе взаимодействия могут обмениваться между собой зарядом и менять свою сущность. То есть Ферми расширил понятие тока с течения движущихся зарядов на поток любых частиц, меняют они в процессе взаимодействия какие-то свои свойства или нет.

Точно так же, как масса служит мерой воздействия силы тяготения, а заряд определяет интенсивность электромагнитных сил, слабая константа связи Ферми (именно он ввел этот множитель) служит мерой слабого взаимодействия. Ферми этим воспользовался, когда выводил метод, известный как «золотое правило» Ферми. Оно позволяет вычислить вероятность реализации конкретного распадного процесса. Так, ни с того ни с сего, в давно сложившуюся компанию гравитационного и электромагнитного взаимодействий вторгся незваный гость. В то время никто не догадывался, как наладить отношения между новеньким и старожилами.

Типы элементарных частиц

Не хватало еще, чтобы в 1934 г. японский физик Хидэки Юкава постулировал наличие четвертого фундаментального взаимодействия и тоже на ядерных масштабах. Бета-распад - сравнительно редкое явление, но между протонами и нейтронами, заметил Юкава, есть более тесная связь. Она и гораздо чаще встречается в природе, и значительно крепче. Вместо распада она, наоборот, стремится связать частицы воедино. Если слабые силы приводят к развалу, то что-то более мощное должно работать им в противовес, иначе почти все частицы распались бы. Чтобы отличать фермиевские силы от ядерного взаимодействия Юкавы, второе стали называть сильным.

В сильном взаимодействии возникла необходимость, когда задумались, почему нуклоны (частицы в ядре) так компактно упакованы. Это тем более удивительно в отношении одноименно заряженных протонов. Если б других сил не было, протоны бы и близко друг к другу не подошли. Сила электростатического отталкивания стремилась бы их развести как можно дальше. Это как пытаться приставить вплотную два северных магнитных полюса. Вместе с уменьшением расстояния у обоих протонов растет желание сбежать куда-нибудь далеко-далеко. Почему же они все-таки уживаются в битком набитом ядре размером в какие-то ничтожные 10 ^-13 см?

Юкава, появившийся на свет в Токио 23 января 1907 г., рос в такое время, когда японское физическое сообщество находилось в глубокой изоляции и почти не имело контактов с европейскими учеными. Его отец, университетский преподаватель геологии, всячески поддерживал научные увлечения сына. Еще в период учебы в Киотском университете (там же работал его отец) Юкава умел творчески подойти к математическим головоломкам. Благодаря как раз творческому подходу он фактически стал основателем теоретической школы у себя на родине. Еще в аспирантуре, когда ему было 27, Юкава придумал изящный способ описания ядерных взаимодействий, который лег в основу модели, подходящей под все силы природы.

Юкава отметил, что, в отличие от электромагнитных сил, простирающихся на любые расстояния, ядерные быстро сходят к нулю. Взять хотя бы железное ядро Земли: его магнитное воздействие ощущают на себе компасы, находящиеся за тысячи километров. А вот «вязкости» ядерных сил едва хватает на то, чтобы удержать частицы в радиусе одной триллионной длины блохи. Эту разницу в масштабах Юкава приписал типу бозона, который переносит взаимодействия. (Бозоны, напомним, - это нечто вроде вселенской нервной системы, передающей сигналы.) Фотон, безмассовый бозон, отвечает за поле электрических токов, заполняющее пространство вплоть до самых больших расстояний. Если бы у него была масса, радиус взаимодействия оказался бы существенно меньше. Дело в том, что спад электростатической силы по закону обратных квадратов, следующему из уравнений электромагнитного поля Максвелла, происходил бы в соответствии с функцией с крутым экспоненциальным завалом. Для наглядности можно представить, как будто игрокам во фрисби вместо обычного диска, с легкостью летающего туда-обратно, вручили свинцовую гирю. Если после этого они захотят продолжить игру, им, конечно, придется подойти вплотную друг к другу.

Заменив электрический заряд ядерным, а фотоны - мезонами (массивными бозонами), Юкава нашел способ описать компактное, почти точечное взаимодействие между нуклонами. Стало понятно, почему ядерным силам удается крепко-накрепко зацементировать ядро, хотя за его пределами они мгновенно ослабевают. Для этого механизма нужна была самая малость: новая, никому не известная частица. Но если гипотетический позитрон Дирака в конце концов нашли, чем мезон хуже?

Однако природа иногда играет с нами злые шутки. В 1936 г. Карл Андерсон в потоке космических лучей заметил странную частицу. Магнитное поле отклоняло ее слабее, чем протоны, но сильнее, чем электроны с позитронами, а значит, ее масса лежала где-то посередине. У Андерсона незнакомка получилась в двести с небольшим раз тяжелее электрона. Все указывало на то, что заветная мечта физиков-ядерщиков исполнилась. Масса новой частицы хорошо согласовывалась с оценками Юкавы, дававшими массу переносчика сильного взаимодействия, и физики склонны были верить, что и вправду нашли недостающее звено.

Как бы то ни было, сходство между космическим пришельцем и гипотетической частицей Юкавы оказалось чисто случайным. Дальнейшие эксперименты показали, что новая частица совпадает с электроном по всем параметрам, кроме массы. То есть она к тому же лептон, а лептоны, в отличие от адронов - частиц, ощущающих на себе ядерные силы, - вообще не участвуют в сильных взаимодействиях. (Названия «лептон» и «адрон» - на греческом, соответственно, «легкий» и «тяжелый» - не всегда себя оправдывают: лептоны бывают тяжелее адронов.) Найденную Андерсоном частицу потом окрестили мюоном, чтобы не путать ее с частицей-переносчиком Юкавы. «Ну и кто его приглашал?» - таким риторическим вопросом физик Исидор А. Раби отреагировал на открытие мюона, не подходившего ни под одну из существовавших тогда теорий и казавшегося в научном мире незваным гостем.

Настоящих мезонов пришлось ждать больше десяти лет. В этот период не так уж много физиков-ядерщиков занимались чистой наукой - в войну они себе такую роскошь позволить не могли. Но когда пришел мир, исследования в физике элементарных частиц возобновились с новой силой.

В 1947 г. группа ученых под руководством Сесила Пауэлла из Бристольского университета (Англия) впервые различила треки мезона среди следов космических лучей на фотопластинке. Пауэлл родился 5 декабря 1903 г. в английском Тонбридже (графство Кент). Детство у него было трудное. Его дед, оружейный мастер, однажды по роковой случайности выстрелом лишил человека зрения. Последовал иск, а за ним банкротство. Отец Пауэлла попробовал возродить семейное дело, но с входившими в строй конвейерами конкурировать было бесполезно.

Сам Пауэлл, к счастью, выбрал себе другое поприще. Получив в 1921 г. в Кембридже стипендию, он поговорил с Резерфордом и попросился в кавендишскую группу аспирантом. Резерфорд принял его и в научные руководители к нему назначил Вильсона. Вскоре Пауэлл уже без труда собирал камеры Вильсона и с их помощью регистрировал частицы.

В середине 1930-х гг. Пауэлл вслед за Кокрофтом и Уолтоном построил собственный ускоритель и стал рьяно изучать столкновения между высокоэнергетичными протонами и нейтронами. К тому времени он уже обитал в Бристоле. Осколки столкновений Пауэлл сначала отслеживал в камерах Вильсона, но потом увидел, что особая фотоэмульсия (покрытый солями йода бромид серебра) дает более качественные изображения. На обработанных химическим раствором пластинках, которые Пауэлл ставил на пути потоков частиц, все распады оставляли след в виде черной «звездочки» на прозрачном фоне. Звездочка давала наглядную картину столкновения. А длина треков на фотопластинке позволяла достоверно судить об энергии осколков: ее недостаток указывал на присутствие контрабандистов вроде нейтрино, норовящих утащить с собой часть энергии.