Космические лучи представлялись идеальным инструментом исследований по
двум соображениям: их получение не требовало ни малейших расходов, и они
обладали фантастически широким спектром энергий. Зато работа с ними
основывалась на не слишком приятном принципе "ждать у моря погоды" и
требовала невероятного терпения. Космическая частица с нужной энергией могла
попасть в регистрирующее устройство сегодня, завтра, через год. Предположим,
что небеса все-таки "являли милость", но это было одно, два, от силы
десяток-другой событий. Что с ними можно сделать? Можно увидеть следы
"неведомых зверей" - открыть новые частицы, можно зафиксировать новый тип
процессов; в общем, установить уникальные факты существования чего-либо. Но
получить более детальную информацию о поведении той же самой вновь открытой
частицы в различных реакциях и при различных энергиях оказывается
чрезвычайно сложным и слишком длительным делом. Ведь необходимо набирать
сотни тысяч событий. В этом плане космические лучи могли оказать лишь одну
услугу - дать предварительный сигнал о каких-то новых закономерностях.
Именно такова их основная специальность в настоящее время; и надо
отметить, что зарекомендовали они себя в этом деле с лучшей стороны. Если
учесть, что сейчас в составе космических лучей зарегистрированы частицы с
энергиями до 1021 электрон-вольт, а на ускорителях изучают реакции при
энергиях частиц лишь до 1012 эВ, то становится ясно - им еще долго предстоит
выполнять функции "стратегической разведки".
Все это неплохо - одним поставят памятник, другие уйдут в разведку. А
кто же станет работать? Природа не позаботилась о достойной замене и не
предложила ни одного естественного источника радиации, который помог бы
обойти все наметившиеся трудности. Но физики уже представляли себе путь, по
которому следовало двигаться, - частицы должны ускоряться электрическим
полем; в принципе так же, как и при получении катодных лучей (электронов с
большими скоростями). Только электроны ускорялись разностью потенциалов
всего в несколько тысяч электрон-вольт, а теперь нужны миллионы.
Следовательно, необходимо решать электротехнические проблемы с созданием
высоковольтных установок...
Между этими ранними идеями и действующими установками лежат годы
трудных поисков, великолепные находки и тягостные сомнения, радужные и
пессимистические прогнозы.
1918 год. Петроград. Город борется за новую жизнь. Трудно с хлебом,
трудно с работой, по ночам на вымерзших, пустынных улицах нет-нет и
вспыхивают короткие ожесточенные перестрелки... Но и здесь, в центре
великого социального потрясения, с невероятным напряжением сил идет битва за
будущее русской науки, закладывается основа уверенного взлета. И одним из
первых пунктов программы научного развития стала организация радиевого
отделения при Радиологическом и рентгенологическом институте.
Огромную роль в создании нового отдела сыграл энтузиазм тридцатилетнего
Л. Мысовского, который уже несколько лет успешно занимался проблемами новой
физики. Фактически он был первым и едва ли не единственным физиком России,
приступившим к исследованиям радиоактивности в дореволюционное время. В
начале 1922 года радиевое отделение преобразуется в знаменитый Радиевый
институт, где были сконцентрированы работы с применением ядерных излучений в
самых различных областях науки. Руководство физическим отделом этого
института было поручено Л. Мысовскому. Летом этого же года он представил на
заседание ученого совета доклад по своей совместной со студентом
Петроградского электротехнического института В. Рукавишниковым работе, где
была сформулирована идея использования генераторов высокого напряжения для
ускорения альфа-частиц до нескольких миллионов электрон-вольт.
Практически в это же время Патентное ведомство США рассматривало
оригинальную заявку, поступившую из штата Пенсильвания. В ней молодой
сотрудник исследовательской лаборатории фирмы Вестингауз Дж. Слепян
предлагал несколько иную конструкцию установки для ускорения заряженных
частиц, так называемый индукционный ускоритель электронов.
Так общие идеи превратились в конкретные, осязаемые проекты. Но лишь
последующее десятилетие перевело интересные предложения на язык действующих
моделей. В 1929 году в Принстонском университете заработал первый
электростатический генератор Р. Ван де Граафа с ускоряющим напряжением до 80
тысяч вольт. Через два года на третьем варианте его установки было
достигнуто напряжение в полтора миллиона вольт!
Еще через год английские физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон коротенькой
заметкой в журнале "Нейче" ("Природа") оповещают научную общественность о
первой впечатляющей победе ускорительной эры. С помощью двухкаскадного
генератора напряжения они создали пучок протонов с энергией 710 тысяч
электрон-вольт и обстреляли литиевую мишень. В результате столкновения
протона с ядром лития образовывались две энергичные альфа-частицы, то есть
наблюдалась реакция расщепления ядра. Таким образом, искусственная
радиоактивность была получена при помощи искусственных же источников быстрых
частиц!
Вскоре был придуман совершенно иной, оригинальный принцип ускорения. В
1929 году двадцативосьмилетний адъюнкт-профессор Калифорнийского
университета Э. Лоренс изобрел циклотрон - прибор, основанный на резонансном
ускорении заряженных частиц высокочастотным полем, по справедливости
считающийся родоначальником обширного семейства современных гигантских
машин.
Несколько уточняя генеалогию ускорителей, нельзя не напомнить, что по
современным масштабам предки рода гигантов были воистину карликами. Первая
модель циклотрона имела диаметр магнитных полюсов 10 (!) сантиметров и
представляла собой крайне нелепое сооружение из стеклянных пластинок,
скрепленных сургучом. Но самое любопытное в том, что эта конструкция,
хранящаяся ныне в Лондонском научном музее, все же работала - по мере
"слабых своих возможностей"- и ускоряла ионы водорода. Спустя некоторое
время Э. Лоренс получил в подарок от крупной телеграфной компании 74-тонный
электромагнит, который более десяти лет провалялся у нее на складе
(выбросить жалко, продать - никто не купит). Магнит разместили в старом
деревянном доме вблизи университета и стали монтировать большой циклотрон.
На фасаде появилась интригующая вывеска: "Радиационная лаборатория"; и все
просвещенное население небольшого городка Беркли с нетерпением ожидало
приобщения к ядерным "таинствам". Монтаж и запуск
ускорителя прошли вполне успешно, и в 1932 году физики получили хороший
пучок протонов с энергией 3,6 миллиона электрон-вольт. Так произошло
рождение замечательного прибора - циклотрона. А с небольшого деревянного
дома начинался один из крупнейших в мире центров ядерных исследований -
Берклиевская радиационная лаборатория имени Э. Лоренса.
Принцип действия лоренсовского ускорителя довольно прост и в основных
чертах используется в последующих проектах, включая самые современные.
Заряженные частицы нужно гонять по кругу, периодически подхлестывая
высокочастотным электрическим полем так, чтобы в каждом цикле они
приобретали дополнительный импульс. А удерживать их на круговой траектории
должно особое магнитное поле, причем чем сильней действует магнит, тем
меньше радиус окружности, по которой несутся частицы.
Но возможности проникновения в область миллиардов электрон-вольт с
помощью такого циклотрона оказались закрытыми. На пути замечательной идеи
стояли основные принципы теории относительности. Чем больше скорость
частицы, тем больше ее масса, и этот рост массы разрушает цикличность
процесса - поле начинает не вовремя подстегивать отяжелевшие частицы.
Выход из трудного положения был найден только в 1944 году советским
физиком В. Векслером. Раз массы ускоряемых частиц растут, рассуждал он,
значит, для сохранения их "нормальных отношений" с полями последние должны
также меняться синхронным образом. При этом можно идти одним из двух путей:
либо менять частоту электрического поля, либо - интенсивность магнитного.
Выбор пути предоставлялся экспериментаторам и конструкторам.
Метод Векслера получил название автофазировки. Соответственно
ускорители, где подстраивается частота электрического поля, стали называться
красивым "высоконаучным" словом синхрофазотрон, а те, в которых нарастает
магнитное поле, - немного короче: синхротрон. Как это нередко случается,
краткость оказалась родной сестрой таланта - именно синхротроны обеспечили
прорыв к самым высоким из достигнутых энергий.
В 1957 году в Дубне вступил в строй самый крупный в мире
синхрофазотрон, разгоняющий протоны до энергии 10 гигаэлектрон-вольт. На
этой машине физики Объединенного института ядерных исследований - крупнейшей
международной организации, объединяющей усилия ученых социалистических
стран, - выполнили ряд важных работ в ранее недоступном диапазоне энергий.
С той поры прошло немало лет. За это время свершилось множество
замечательных событий. Энергии, полученные на ускорителях, возросли в 40(!)
раз. В 1967 году, словно отмечая юбилейное десятилетие дубненского
ускорителя, заработал синхротрон Института физики высоких энергий в
небольшом лесном поселке на берегу Протвы, вблизи старинного русского города
Серпухова. А уже через пять лет неподалеку от Чикаго, в Батавии, вошел в
строй еще более мощный ускоритель.
На серпуховской машине была достигнута рекордная для своего времени
энергия протонов - 76 гигаэлектрон-вольт. В 1972 году на батавийском
синхротроне был поставлен новый "мировой рекорд" - после многих переживаний
и даже крупного срыва удалось получить 200-гэвный пучок протонов. Трудное
начало словно подхлестнуло американских физиков. К настоящему времени в
Национальной ускорительной лаборатории имени Э. Ферми - так стал официально
именоваться батавийский центр - достигнут рубеж в 400 ГэВ, и, по-видимому,
когда вы будете читать эти строки, в научных журналах появятся первые
сообщения о результатах экспериментов при 500 ГэВ.
Замечательных успехов добились и в Европейском центре ядерных
исследований, ЦЕРНе (так звучит сокращенное название этого центра,
составленное из начальных букв французского выражения). Часть пучка
"старого" ускорителя на 30 ГэВ, расположенного вблизи Женевского озера в
Швейцарии, отводилась в специально построенное накопительное кольцо, а потом
устраивалось почти лобовое столкновение основного и накопленного пучков.
Благодаря этому физики смогли заглянуть в мир процессов, которые при
использовании обычной неподвижной мишени могли бы наблюдаться только при
2000 ГэВ!
Мы не станем теперь по традиции останавливаться на главных итогах
прорыва в мир высоких энергий - этому посвящены следующие главы книги.
Отметим лишь следующее.
Появление мощных ускорителей сделало протоны основным инструментом
исследований микромира, и в то же время они сами стали наиболее доступным
предметом изучения. Поэтому не следует удивляться, что на передний план
современной физики высоких энергий выдвинулись определяющие свойства этой
замечательной частицы, прежде всего ее способность сильно взаимодействовать
с веществом. Следующий этап развития физики элементарных частиц представляет
собой преимущественно "адронную эру", которая пришла на смену
"электронно-радиационной эре".
Советский физик, член-корреспондент Академии наук СССР Л. Окунь назвал
адронами (от греческого "хадрос" - тяжелый) семейство
сильновзаимодействующих элементарных частиц, в основном потому, что они
обладают большими массами. Впрочем, адроны оправдали свое название и в ином
отношении - их описание оказалось, пожалуй, весьма тяжелой проблемой даже
для закаленной в электронных, квантовых, релятивистских и многих других
сражениях, неустрашимой физики XX века...
(C) Александр Потупа (Alexander Potupa)
Бег за бесконечностью. Молодая гвардия (Эврика), Москва, 1977 (Run for
Infinity; переводы: на венгерский - Utazas az elemi reszecskek vilagaba.
Muszaki Konyvkiado,Budapest, 1980; на болгарский - Гонене на безкрайността.
Наука и изкуство (Еврика), София, 1980)
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ,
ПОВЕСТВУЮЩАЯ О ПОТОПЕ ОТКРЫТИЙ И СПОСОБАХ НАСКОРО СООРУДИТЬ КОМФОРТАБЕЛЬНЫЙ
КОВЧЕГ
Кстати, о призраках... На днях я с огромным
интересом прочел книгу одного ученого-психиатра
"Записки о встречах с призраками"
По этой книжке выходит, что призраки
поддаются довольно точному определению.
К. Абэ
СЧАСТЛИВЫЕ "ДОПОТОПНЫЕ ВРЕМЕНА"
Тридцатые годы. Время великих свершений и иллюзий... Посудите сами.
Устройство микромира постепенно выстраивалось в не столь уж сложную систему.
Есть фотоны, и есть электроны. С помощью фотонов осуществляется
взаимодействие между электронами и любыми другими электрическими зарядами.
Электроны вместе с ядрами формируют атомы. Ядра состоят из протонов и
нейтронов. Все пригоже и целесообразно - ничего лишнего. Правда, имеются две
нерешенные задачки - явные пробелы в общей картине.
Первая из них восходит к 1914 году, когда Дж. Чэдвик (будущий
открыватель нейтрона) обнаружил странное свойство бета-радиоактивности.
Быстрые бета-электроны явно испускались из атомного ядра в результате
какого-то внутриядерного катаклизма. Но вместо того, чтобы нести одну
постоянную и строго определенную
энергию, они создавали целый спектр, притом довольно широкий.
Если бета-электроны с таким непрерывным спектром вылетали
непосредственно из ядер, возникала явная энергетическая катастрофа - в
каждом акте испускания частицы обладали различными значениями энергии. Н Бор
со свойственной ему смелостью выдвинул гипотезу, что в этих конкретных актах
энергия не сохраняется, а закон сохранения следует относить только к
среднему значению энергии электрона. Простой путь к спасению великого закона
указала немка Л. Мейтнер. В 1922 году она высказала предположение, что
электроны "размазываются" по широкому энергетическому интервалу из-за
вторичных соударений. Однако к концу 20-х годов ее гипотеза была
опровергнута экспериментально
И все-таки спасение закона сохранения энергии пришло. Пришло в виде
письма, которое адресовал участникам небольшой конференции в Тюбингене в
декабре 1930 года молодой В. Паули.
В послании из Цюриха выдвигалась гипотеза, будто вместе с
бета-электроном ядро испускает новую частицу с очень малой массой и высокой
проникающей способностью, причем суммарная энергия бета-электрона и новой
частицы остается постоянной, то есть строго сохраняется в каждом акте. В.
Паули окрестил "спасителя" нейтроном. Это тяжеловесное название продержалось
недолго - лишь до открытия Дж. Чэдвиком настоящего, полноправного нейтрона.
Новая частица понравилась многим, но особые симпатии к ней стал
испытывать молодой итальянский физик Э. Ферми. По его предложению она стала
называться нейтрино (по-итальянски: нейтрончик), и конфликт между достойными
партнерами по ядерному миру был ликвидирован. В 1933 году Э. Ферми построил
первую теорию испускания бета-электронов, которая сыграла исключительную
роль в развитии представлений о микромире.
Прежде всего в ней была впервые четко зафиксирована идея о том, что в
атомном ядре содержатся только протоны и нейтроны, а бета-электроны
образуются лишь в результате реакции распада нейтрона. Тем самым было
защищено наиболее уязвимое место в протон-нейтронной гипотезе о строении
ядра, которая была выдвинута в работах В. Гейзенберга, советского
физика-теоретика Д. Иваненко и итальянца Э. Майорана. Эта гипотеза появилась
вслед за открытием нейтрона, но некоторое время физики думали, что в ядре
наряду с протонами и нейтронами все-таки должны содержаться электроны - те,
которые испускаются в виде бета-излучения. Во-вторых, теория Э. Ферми
сделала гипотезу В. Паули выдающимся примером предоткрытия. Между
предсказанием и прямой регистрацией нейтрино прошло около 35 лет, и
некоторые вполне естественные сомнения, возникавшие за столь долгий срок, не
идут ни в какое сравнение с редчайшим обстоятельством - на шатком, казалось
бы, фундаменте гипотетического нейтрино вырос целый раздел физики
элементарных частиц. И именно в этом главная заслуга работы Э. Ферми, где
впервые было показано, что бета-радиоактивность обусловлена новыми особыми
силами, которые значительно слабее электромагнитных. Благодаря слабому
взаимодействию нейтрон превращается в протон, испуская одновременно электрон
и антинейтрино.
Эта идея была в значительной степени основана на аналогии с квантовой
электродинамикой, которая трактовала взаимодействие как испускание или
поглощение фотона электрическими зарядами.
В теории Э. Ферми вместо электрических рассматривались особые "слабые
заряды", а аналогом фотона стали пары электрон - нейтрино.
В том, что решающий эксперимент по обнаружению новой частицы произошел
не скоро, "виноваты" сами нейтрино, точнее, их фантастическая проникающая
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг