Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц бесплатное чтение

Глава 1

Электронно-лучевая трубка: рентгеновское излучение и электрон

Наша история начинается в 1895 году. Германия, лаборатория в Вюрцбурге… Тогдашние лаборатории были не очень похожи на чистые белые пространства, в которых работают современные ученые. Здесь были красивые паркетные полы и впечатляющие высокие окна, выходящие на парк и виноградники напротив. Физик Вильгельм Конрад Рентген закрыл ставни и вернулся к своей работе. На длинном деревянном столе он установил стеклянную трубку размером с небольшую винную бутылку, из которой с помощью вакуумного насоса была удалена большая часть воздуха[2]. От металлических электродов отходили провода – один в конце трубки (отрицательно заряженный катод) и один примерно посередине (положительно заряженный анод). При подаче высоковольтного электричества внутри появлялось свечение – так называемые катодные лучи, которые и дали трубке название[3]. Пока все шло так, как Рентген и ожидал. Затем краем глаза он заметил маленький светящийся экран на другой стороне лаборатории.

Он подошел к экрану. Экран с люминофорным покрытием излучал зеленый свет. Когда Рентген выключил электроннолучевую трубку, свечение исчезло. Когда снова включил, оно вернулось. Может быть, это просто обман зрения, отражение света от светящейся электронно-лучевой трубки? Он накрыл трубку черным картоном, но обнаружил, что экран по-прежнему светится. Рентген никогда раньше не видел ничего подобного, но посчитал свою находку важной.

С этого момента физика уже никогда не будет прежней. Это первое случайное наблюдение вывело эксперименты с использованием электронно-лучевых трубок и физику в целом на совершенно новую территорию, перевернув принятые веками представления о природе. Со временем электроннолучевая трубка приведет к появлению технологий, которые изменят образ жизни, работы и общения людей. Все началось здесь, в Вюрцбурге, с этого светящегося экрана и любопытства одного человека.

Вильгельм Рентген, как и большинство ученых по всему миру в конце XIX века, согласился с тем, что физика почти разгадана. Вселенная создана из материи, которая состоит из «атомов». Было выяснено, что существуют различные типы атомов, которые соответствуют различным химическим элементам. От деревьев до металлов, от воды до меха – все разнообразие окружающего нас материального мира отличается твердостью, цветом и текстурой, потому что все построено из разных атомов, которые ученым представлялись крошечными сферическими деталями вроде Lego. Будь у вас правильная инструкция, вы могли бы взять определенный набор атомов и создать все, что захочется. Физики также знали, что существуют силы, благодаря которым все взаимодействует. Гравитация удерживает звезды в нашей галактике и заставляет Землю вращаться вокруг Солнца. Даже таинственные силы электричества и магнетизма в конце концов были объединены в единую силу – электромагнетизм. Вселенная стала предсказуемой: если вам известен принцип работы внутренних механизмов и вы приводите их в движение, то можете с точностью предсказать поведение всей материи.

Теперь оставалось исследовать только детали – например, то, как именно работает электронно-лучевая трубка. Одна из немногих мелочей, которые ученые не могли до конца объяснить. Конечно, выдвигались разные теории, в том числе идея о том, что свечение внутри связано с колебаниями гипотетического эфира – среды, через которую, как считалось, свет распространяется почти так же, как звук передается по воздуху. Но, исследуя особенности электронно-лучевой трубки, Рентген столкнулся с трудностями: мало того, что внутри трубки происходит что-то необъяснимое, так еще и снаружи обнаружился странный эффект.

В детстве Вильгельм казался обычным ребенком. Сын торговца тканями, он любил исследовать природу в сельской местности и лесах[4]. Единственное, в чем у него действительно были незаурядные способности, – создание механизмов[5], и это оказалось весьма полезным для его дальнейшей экспериментальной работы. Когда Рентген стал взрослым, его темные волосы постоянно вставали дыбом на лбу, «как будто он постоянно был наэлектризован собственным энтузиазмом»[6].

Рентген был застенчивым человеком, читал лекции невыносимо тихим голосом, был строг со своими студентами и даже испытывал легкий дискомфорт при мысли о том, что в его лаборатории будут ассистенты. Но он искренне любил науку, иногда цитируя великого инженера Вернера фон Сименса, который сказал: «Интеллектуальная жизнь порой доставляет нам, возможно, самую чистую и высшую радость, на которую способен человек».

И вот Рентген обнаружил то, чего раньше никто не видел. Когда он заметил странный светящийся экран, то предположил, что смотрит не на тот же «луч», который заставлял светиться электронно-лучевую трубку, поскольку этот эффект, казалось, заключен внутри трубки. Он нашел новый вид невидимого луча, который мог простираться гораздо дальше. Рентген сразу же направил все свое время и энергию на дальнейшие исследования. Когда позже его спросили, что он в то время думал, он сказал: «Я не думал, я исследовал».

Он расставил несколько подобных трубок по лаборатории[7], методично и тщательно настраивая каждую, чтобы определить природу новых лучей. Он помещал различные материалы между трубкой и люминофорным экраном, опробовав бумагу, дерево и даже твердую резину. Лучи проходили сквозь них, почти не ослабевая. Когда Рентген направил лучи через толстую деревянную дверь в соседнюю лабораторию, он смог их обнаружить с другой стороны. Только когда он поместил алюминиевую фольгу перед трубкой, лучи, казалось, проникли сквозь нее с трудом.

Рентген провел семь напряженных недель в своей лаборатории, его жена Анна Берта время от времени напоминала ему, что надо поесть. На этом их общение заканчивалось: Рентген работал почти полностью в одиночку и молчал о своих исследованиях. Он ничего не сказал своим помощникам, не говоря уже о зарубежных коллегах, хотя знал, что, если не объявит о своем открытии первым, сотни других ученых, проводивших аналогичные эксперименты в своих лабораториях, опередят его. Только однажды Рентген сказал о своей работе хорошему другу: «Я обнаружил кое-что интересное, но не знаю, верны ли мои наблюдения»[8].

Затем он поставил руку на пути лучей и сообщил: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, видна темная тень костей на фоне чуть менее темного изображения самой руки…». Он использовал лучи, чтобы сделать изображение руки жены на фотографической пластинке, что подтвердило его мысль: лучи легко проходят через кожу и плоть, но не так легко – через кость или металл. Кости руки и обручальное кольцо темнели на фоне плоти, которую мы обычно видим глазом. Способность блокировать новые лучи была связана с плотностью объекта. Согласно легенде, когда Анна Берта увидела кости своей руки, она воскликнула: «Я видела свою смерть!» – и никогда больше нога ее не ступала в лабораторию мужа.

Оставалось дать новым лучам название. В науке мы обычно обозначаем неизвестное буквой X, и поэтому Рентген придумал, возможно, лучший непреднамеренный брендинг в истории физики. Он назвал свое новое открытие икс-излучением.

Убедившись, что понимает, как работают икс-лучи, Рентген встал перед выбором. Должен ли он запатентовать идею и опубликовать свои результаты или проделать дополнительную работу до заявления о своем открытии? Его все еще интересовало многое – например, как эти лучи связаны со светом и материей, из чего они сделаны и как формируются. Он решил, что больше не может откладывать объявление: вероятность того, что кто-то другой найдет икс-излучение, слишком высока.

Если он опубликует открытие до подачи заявки на патент, он никогда не заработает на нем никаких денег, если оно окажется полезным в медицине. Но Рентген был физиком, а не врачом, поэтому не знал, заинтересует медиков его идея или нет. Он решил, что лучше всего опубликовать свое открытие и сообщить о нем медицинскому сообществу.

Преодолев свою обычную застенчивость, 23 января 1896 года Рентген установил тяжелый стол для своего эксперимента в лекционном зале Вюрцбургского физико-медицинского общества, всего в нескольких минутах ходьбы от его лаборатории. Толпа уже разузнала о его открытии из газетных статей, в зале было так много народу, что люди стояли даже в проходах. Рентген прочитал первую в истории лекцию о том, что он обнаружил. Он показал аудитории, как икс-лучи могут проходить через дерево и резину, но не через металл. Он показал им фотографию руки Анны Берты и рассказал о своей идее использовать такие снимки, чтобы заглянуть внутрь человеческого тела. Чтобы довести дело до конца, он решил продемонстрировать, насколько легко можно сделать подобный снимок.

Стоя перед залом, он пригласил президента общества, известного анатома, поместить свою руку на пути лучей. Рентген включил электронно-лучевую трубку и сделал снимок руки президента. Присутствовавшие врачи были поражены. Они сразу же поняли ценность этого открытия, а президент был настолько впечатлен, что вместе с толпой трижды прокричал «ура». Они даже предложили назвать новые лучи в честь Рентгена[9].

Слухи об этом новом явлении распространялись по всему миру как лесной пожар, вызывая восхищение, страх и даже вдохновляя поэтов. Книги Жюля Верна о путешествии к центру Земли уже вовсю захватили воображение публики, а теперь Рентген обнаружил возможность заглядывать внутрь человеческого тела. Это привело к некоторым интересным заблуждениям – например, о том, что с помощью рентгеновских лучей можно заглядывать под женскую одежду (про заглядывание под мужскую одежду не упоминалось). Предприниматели того времени начали продавать свинцовое нижнее белье, защищающее от рентгеновского излучения, по-видимому, только для женщин, а «рентгеновские очки» были запрещены в нескольких оперных театрах, несмотря на то что таких очков не существовало. Философы же опасались, что рентгеновские лучи могут заглянуть в самую сущность человека.

У сотен ученых по всему миру уже были электронно-лучевые трубки – стандартное оборудование в физических лабораториях. Так что сначала они подтвердили открытие Рентгена, а затем приступили к запуску трубок в работу – и все это в течение нескольких месяцев. В течение года после открытия, в 1896 году, рентгеновские лучи использовались для обнаружения переломов костей и осколков в телах солдат на полях сражений в войне между Италией и Абиссинией, а в Королевской больнице Глазго впервые в мире открыли рентгенологическое отделение.

Предприниматели извлекали выгоду из возможностей рентгеновских лучей в других целях. Популярным в то время был «педоскоп», который делал рентгеновские снимки ног клиентов, пока они примеряли обувь, но позже эта практика была прекращена – когда стали появляться доказательства того, что рентгеновские лучи могут вызывать повреждение кожи или тканей. К этой теме мы вернемся позже. Сам Рентген предложил другое применение, сделав снимок металлических гирек внутри непрозрачной коробки, чтобы показать их потенциальное использование в промышленности. Так первые «рентгенограммы» проложили путь к современным сканерам безопасности, которые можно найти в аэропортах.

Поскольку Рентген решил не патентовать свое открытие, чтобы не препятствовать его медицинскому применению, он не получал никакого дохода от своего изобретения. Он мудро оставил ответственность за разработку этих методов на медицинских работниках, заявив, что слишком занят другими своими исследованиями, но продолжал предлагать свою помощь там, где это было необходимо.

Рентген может показаться странным персонажем: «одинокий гений», сделавший «случайное открытие». В конце концов, любой, кому посчастливилось иметь поблизости люминофорный экран, мог открыть это излучение. Но если мы посмотрим немного внимательнее, то увидим, что здесь задействованы и другие факторы. У него был доступ к большой сети экспертов по всему миру, много лет экспериментальной практики и необычайное терпение и смирение. Когда он заметил светящийся экран, у него хватило мудрости осознать значение своего открытия, и любопытства, чтобы копнуть глубже.

Несмотря на всю шумиху, никто на самом деле не знал, что такое рентгеновские лучи. Рентген доказал, что они не обладают такими же свойствами отражения или преломления, как видимый свет или ультрафиолетовый и инфракрасный свет за пределами обычного видимого спектра. Не было четкого представления о том, как рентгеновские лучи формируются из катодных лучей или как они взаимодействуют с другой материей, такой как люминофорный экран. Его открытие поставило целый ряд новых вопросов о том, из чего состоят материя и свет и как они взаимодействуют. Ответы на эти вопросы требовали дальнейших экспериментов с электроннолучевой трубкой, которая продолжала играть центральную роль в последующих открытиях.

В начале 1897 года в Кембридже, Англия, Джозеф Джон («Джей Джей») Томсон, директор-основатель крупнейшей в мире физической лаборатории, попытался разрешить двадцатилетний спор. Он решил сосредоточиться не на рентгеновских лучах снаружи трубки, а на том, что из себя представляют катодные лучи внутри трубки.

Томсон придерживался непопулярной гипотезы. Он считал, что катодные лучи представляют собой некую корпускулу или частицу. Это противоречило мнению Рентгена, который вместе со своими немецкими коллегами считал, что катодные лучи нематериальны, это форма света[10]. Томсон использовал имеющиеся в его лаборатории трубки для изучения процесса протекания электрического тока в газах, но теперь он принялся за новые эксперименты, чтобы ответить на вопрос: какова природа катодных лучей?

Томсон был застенчивым сыном манчестерского книготорговца. В 11 лет мальчик объявил о своем намерении заняться собственными исследованиями. Откуда взялось это не по годам серьезное желание, неясно. Когда Томсону было всего 16, его отец скончался, не оставив сыну денег на образование. Поскольку стипендий по физике не выделялось, Томсон поступил в Тринити-колледж Кембриджа, чтобы изучать математику. Его спокойное чувство юмора, часто выражающееся в мальчишеской усмешке, в сочетании с непоколебимой уверенностью в своих способностях пугали многих его сокурсников, вселяя в них почти благоговение[11].

В возрасте 27 лет Томсон был назначен профессором и руководителем Кавендишской лаборатории в Кембридже. Он был невысоким, с черными волосами, которые он разделял на прямой пробор, и торчащими усами. И очень мало интересовался своим внешним видом. Кто-то из друзей позже вспоминал, как его галстук-бабочка иногда задирался к уху, пока Томсон кружил по лаборатории, пребывая в блаженном неведении. Его домашняя жизнь была ничем не примечательна, но когда дело доходило до размышлений о природе материи и Вселенной, тут Томсон становился настоящим революционером.

Он начал свои исследования с тщательного повторения экспериментов тех, кто был до него. Во-первых, Томсон хотел установить, что катодные лучи и электрический заряд, который они несут, не могут быть разделены. Магнитом он изгибал катодные лучи, направляя их в электроскоп – устройство для оценки электрического заряда. Был зарегистрирован удивительно большой отрицательный заряд[12], подтвердивший его мнение о том, что лучи действительно несут электрический заряд.

Затем он повторил этот эксперимент, пытаясь искривить лучи электрическим полем, используя напряжение, удерживаемое между двумя пластинами, которые его помощник установил внутри специально сконструированной вакуумной трубки. Лучи – будь они частицами, как он думал, – должны были отклоняться под воздействием напряжения. Если же лучи представляют собой свет, то отклонения быть не должно, точно так же, как свет от фонарика беспрепятственно проходит сквозь напряжение.

Томсон предполагал, что при меньшем напряжении катодные лучи будут меньше отклоняться, чем при большем. Генрих Герц, немецкий физик, который ранее открыл электромагнитные волны, провел тот же эксперимент до Томсона и обнаружил, что, хотя большие напряжения отклоняют лучи, меньшие напряжения, по-видимому, не оказывают никакого эффекта. Когда Томсон впервые воспроизвел этот эксперимент в своей лаборатории, он был разочарован, получив те же результаты, что и Герц. Все выглядело так, будто катодные лучи действуют как частицы при больших напряжениях и как свет при более низких напряжениях, что немало препятствовало гипотезе Томсона об истинной природе катодных лучей.

Томсон продолжал экспериментировать, пытаясь понять, что же он видит. Сначала он изменил тип газа в трубке, но результат остался тем же. Затем он попробовал изменить количество газа, уменьшив его для получения низкого вакуума, и получил новый результат: он увидел небольшие отклонения луча при небольшом напряжении и большие отклонения при большом напряжении, как и ожидал. Чтобы удостовериться, Томсон снова пустил немного газа – и небольшие отклонения снова исчезли. Небольшое количество газа, оставшегося в трубке, становилось электрически заряженным, подавляя небольшое напряжение, в результате чего катодные лучи просто на него не реагировали в присутствии газа. Вот причина результатов Герца и разочарований Томсона. Как позже физик писал в своих мемуарах: «Пока техника чувствительных приборов, используемых в физических лабораториях, не до конца освоена, в один день они могут дать один результат и совершенно противоречивый – в другой. Что иллюстрирует истинность высказывания о том, что закон постоянства природы невозможно изучить в физической лаборатории»[13].

Все эти результаты позволили Томсону заключить, что «путь лучей не зависит от природы газа»[14]. Другими словами, демонстрируемые им эффекты были вызваны не газом в трубке. И это не просто потоки заряженных молекул газа, как утверждали другие. Здесь было что-то куда более сложное. Это побудило Томсона выдвинуть ключевой аргумент: все эти результаты возможны в том случае, если лучи действительно являют собой отрицательно заряженные частицы.

Оставалось только показать, что это за частицы: атомы, молекулы или что-то еще. Чтобы это понять, Томсон использовал электрическое и магнитное поля для определения их заряда и массы, в частности, их отношения e/m. Это оказалось гораздо большим числом, чем он мог ожидать. Такой загадочный результат не соответствовал ни одному известному атому или молекуле, которые, как тогда считали, были мельчайшими составляющими природы. У Томсона было два возможных объяснения: либо частицы были «тяжелыми», как атомы, с чрезвычайно большим отрицательным электрическим зарядом, либо они были очень легкими, со стандартным отрицательным электрическим зарядом. Ни один из вариантов не казался Томсону привлекательным. Если бы частицы были атомами с очень большим электрическим зарядом, ему бы пришлось полностью переосмыслить само понятие заряда. С другой стороны, если частицы на самом деле легкие, это значит, что атом – вовсе не неделимая элементарная частица.

Томсон изменил почти все переменные, какие только мог придумать, использовал разные газы в трубке, разные металлы для электродов и снова менял уровень вакуума. Каждый эксперимент приводил к тому же результату – новой частице того же типа с таким же большим отношением заряда к массе. В своих рассуждениях о природе частиц он использовал знания о химических экспериментах, о наблюдениях за спектром света от звезд и даже о конфигурациях магнитов. Медленно, но верно Томсон отклонялся от идеи о том, что частицы представляют собой атомы с очень большим зарядом. Он был готов объявить о своих результатах.

В пятницу 30 апреля 1897 года, всего через год после того, как Рентген объявил о своем открытии, Томсон стоял в вечернем костюме перед битком набитым залом Королевского института в Лондоне, готовый воссоздать серию экспериментов в рамках Пятничной вечерней конференции. Эти публичные лекции проводились каждую пятницу и привлекали огромные толпы состоятельных лондонцев[15]: в те дни новейшие научные открытия считались модными. В кульминации лекции Томсон объявил, что таинственные катодные лучи действительно представляют собой отрицательно заряженный тип частиц, который, по его определению, примерно в 2000 раз легче водорода, самого легкого атома. Томсон открыл электрон, первую субатомную частицу[16].

Это был интеллектуальный триумф. Томсон углубился в таинственное свечение катодных лучей и пришел к новому выводу о природе материи. К октябрю того же года он совершил еще один прорыв: мало того что катодные лучи состояли из крошечных частиц, но эти частицы были неизвестным до сих пор компонентом материи, который разрушил представление об атомах как о мельчайшей неделимой частице. Томсон еще не был уверен, откуда берутся электроны, но полагал, что они почти наверняка удерживаются атомами. Учитывая доказательства, даже Рентген и его немецкие коллеги были вынуждены признать, что Томсон прав. Итак, Рентген и Томсон, используя одно и то же оборудование, открыли два совершенно новых аспекта природы, никем прежде не замеченные.

Теперь мы можем собрать их идеи воедино, чтобы объяснить, что происходило внутри электронно-лучевой трубки. Высокое напряжение на катоде с высокой скоростью испускает электроны, которые притягиваются к положительно заряженному аноду. Но некоторые электроны, не попадая на анод, пролетают мимо него с высокой скоростью и врезаются в газ и стеклянную стенку, и энергия, передаваемая во время этого процесса, создает свет – то самое свечение, которое десятилетиями озадачивало ученых. Этот процесс называется «тормозное излучение». Если электроны теряют достаточно энергии, они создают рентгеновские лучи – высокоэнергетическую форму света, электромагнитное излучение, способное проходить сквозь руки (и другие части тела).

В отличие от рентгеновских лучей, полезность открытия Томсона в то время не была очевидна. Томсон сам задавался вопросом, может ли такая маленькая, несущественная вещь, как электрон, представлять интерес вне физики. В начале 1900-х годов на ежегодной вечеринке в Кавендишской лаборатории, где он сделал это открытие, был произнесен шутливый тост: «За электрон, пускай он никогда никому и не пригодится!»[17] Однако через 20 лет после своего открытия Томсон прочитал еще одну пятничную лекцию в Королевском институте, на этот раз на тему «Промышленное применение электронов», и, оглядываясь назад, мы видим, что его открытие стало основой всей электроники.

Как это произошло? Конечно, на первый взгляд все довольно логично, поскольку электроника, как следует из названия, зависит от движения электронов. Но имело ли к этому какое-то отношение открытие Томсона? Нуждались ли мы в его исследованиях или электроника все равно возникла бы? Чтобы понять взаимосвязь между любопытством Томсона и революцией в электронике, мы должны оценить контекст его работы.

В Музее науки в Лондоне есть постоянная галерея под названием «Создание современного мира». В скромной витрине выставлено несколько стеклянных предметов с лаконичными пояснительными надписями. Один из таких предметов – оригинальная электронно-лучевая трубка, использованная Дж. Дж. Томсоном при открытии электрона. В той же витрине можно увидеть первую лампочку, а с другой стороны – два странного вида объекта, называемые вентилями Флеминга, которые выглядят как лампочки с тремя штыревыми ножками. Эта витрина представляет краткую историю изобретения электроники.

Витрина неподалеку посвящена другому известному изобретателю – Эдисону. В 1880 году, пока ученые, подобные Томсону, корпели в своих лабораториях над электронно-лучевыми трубками, Эдисон и его помощники наткнулись на аналогичную технологию в своих попытках создать электрические лампы. В это время Эдисону было 33 года, он был на девять лет старше Томсона и придерживался совершенно иного подхода, чем ученые-экспериментаторы, поскольку им двигали другие мотивы, а именно желание получить деньги за свои изобретения. Вместо того чтобы подробно изучать физику электрических лампочек, команда Эдисона просто перепробовала огромное количество материалов и конфигураций, применив своего рода метод грубой силы. Большинство лампочек сгорали почти сразу, но один из членов команды, Льюис Латимер, афроамериканский изобретатель, изготовил лампочку с использованием угольной нити, которая могла работать около пяти часов[18].

Однако возникла проблема: стеклянная поверхность колбы чернела, когда лампа работала, будто бы частицы углерода «переносились» от нити к стеклу. Несмотря на изменения уровней вакуума, насколько это было возможно, лампочки продолжали перегорать. Теперь мы знаем, что дело в испарении материала с поверхности нити накаливания, но тогда Эдисон этого не знал. В одной из попыток решить проблему он попробовал поймать частицы углерода, поместив в колбу дополнительный электрод, и случайно обнаружил, что это вызывает протекание электрического тока, но только в одном направлении. Это не решило проблему почернения, но устройство, казалось, управляло потоком электричества, как клапан управляет потоком воды. Изобретатель назвал это явление «эффектом Эдисона». Его не интересовало, как управляется поток электрического тока, – ему было достаточно знать, что такой эффект есть. Эдисон получил патент на «лампу накаливания, работающую на эффекте Эдисона», а затем отбросил эту идею, так как не видел ей применения. Он продолжил свою работу над лампочками, внося небольшие улучшения, в конечном итоге продлившие срок службы угольной нити до 600 часов, чтобы лампы стали коммерчески жизнеспособными. Что касается «лампы накаливания Эдисона», то, когда кто-то позже поинтересовался, как она работает, он сказал, что у него нет времени углубляться в «эстетическую» часть своей работы[19].

Однако время на эстетику – принципы, лежащие в основе работы, – было у Джей Джей Томсона. В 1899 году, всего через два года после открытия электронов, Томсон доказал, что нити накаливания в лампочках испускают электроны точно так же, как электронно-лучевые трубки. При нагреве нити накаливания происходил выброс электронов в процессе, который мы теперь называем термоэлектронной эмиссией. Это сильно отличалось от испарения нити накаливания и послужило ключом к раскрытию эффекта Эдисона. Казалось бы, бесполезное изобретение Эдисона оставалось неиспользованным в течение почти двух десятилетий, пока работа Томсона наконец не показала, как дополнительный электрод заставляет ток течь. Когда электрод заряжен положительно, он притягивает поток электронов через вакуум и замыкает цепь, но при отрицательном заряде он отталкивает электроны и отключает ток. С этим пониманием изобретение Эдисона могло бы найти применение в быстро развивающемся мире.

Следующий этап нашей истории восходит к 1904 году и работе в Marconi’s Wireless Telegraph Company – телеграфной компании, где зарождались радио и телекоммуникация. Чтобы заставить телефон работать, британскому физику Джону Амброзу Флемингу нужно было преобразовать слабый переменный ток в постоянный[20]. Он столкнулся с эффектом Эдисона в 1889 году, когда работал консультантом в компании Edison and Swan United Electric Light Company[21]. Слабых сигналов, излучаемых радиопередачами, было достаточно для того, чтобы спровоцировать включение и выключение тока. Эта связь внезапно натолкнула Флеминга на идею, и позже он писал: «К моему удовольствию я… обнаружил, что в этой своеобразной электрической лампе кроется наше решение…»

Знания об электронно-лучевой трубке и угольной лампе привели к изобретению первого «термоэлектронного диода», или «вентиля Флеминга» – первого электронного устройства. Там, где электрические устройства подразумевают поток электронов по проводам, электроника подразумевает электроны, движущиеся в вакууме, которыми можно было быстро и легко управлять без механического движения более ранних электрических устройств. Изобретение Флеминга вызвало технологическую революцию. Несколько лет спустя американский изобретатель добавил третий электрод внутрь термоэлектронного диода, следуя теории Томсона[22]. К 1911 году «триод» использовался в качестве усилителя, а вскоре после этого потоки электронов в вакуумных лампах использовались в качестве осцилляторов, модуляторов электрических сигналов и многого другого. Благодаря этим чисто электронным устройствам затем появились радиосвязь и телекоммуникация на большие расстояния, радары и первые компьютеры. Зародилась электронная промышленность.

Важно ненадолго остановиться на двух различных подходах, показанных в этой истории. С одной стороны, подход, движимый любопытством Томсона, безусловно, оказался ключом к пониманию работы вакуумных ламп. Но у Томсона не было цели что-либо создавать – только знания. С другой стороны, метод проб и ошибок Эдисона окончился предпринимательским успехом. Но Эдисон не был заинтересован в детальном понимании того, как и почему эти технологии работают именно так. Флеминг смог в некотором смысле объединить эти два подхода и создать сложную технологию. Все они, несомненно, сыграли важную роль в становлении электронной промышленности, но все это было бы невозможно без ученых, проводящих эксперименты с электронно-лучевыми трубками без каких-либо коммерческих намерений.

Особенность поиска знаний и понимания посредством научного процесса, а не изобретения нового продукта методом проб и ошибок, заключается в том, что этот процесс обычно имеет кумулятивный эффект – тенденцию со временем становиться все более и более полезным. Это верно в отношении электрона, и это также верно и в отношении рентгеновского излучения, так как они связаны между собой. С появлением электронной промышленности появилась возможность производить специальные трубки для производства рентгеновских лучей, что способствовало росту рынка рентгеновских трубок для медицинского и промышленного использования. Образцы этих трубок также находятся в галерее Музея науки, рядом с электронно-лучевой трубкой Дж. Дж. Томсона и первыми вентилями Флеминга.

Остальная часть истории рентгеновского излучения представлена всего в нескольких шагах от описанных выше витрин в Музее науки – в виде большой медицинской машины, ставшей реальностью благодаря электронной промышленности и рентгеновским лучам – спасительной технологии, известной как компьютерная томография (КТ).

До 1970-х годов, если пациенту требовалось сделать сканирование мозга, врачи выполняли так называемую пневмоэнцефалографию. В основании позвоночника или непосредственно в черепе просверливали отверстие, после чего откачивалась большая часть спинномозговой жидкости (ликвора). Затем в полости мозга закачивался воздух или гелий, чтобы создать пузырь между мозгом и черепом. Пациента пристегивали ремнями к вращающемуся креслу, ставя его в разные положения (например, вверх ногами и боком), чтобы пузырь воздуха перемещался в головном мозге и позвоночнике, пока делались рентгеновские снимки в каждом положении. И без того больной человек был вынужден терпеть ужасную боль и тошноту, причем часто процедура проводилась без анестезии. Все это делалось только для того, чтобы получить достаточный контраст на рентгеновском снимке и суметь отличить мозг от (теперь уже откачанной) мозговой жидкости. После этого мучительного опыта врачи изучали рентгеновские снимки, надеясь определить, была ли форма мозга слегка искажена из-за повреждений или наростов. Очень жестокая процедура. И все же это был единственный выход с 1919 по 1970-е годы.

В то время рентгеновские лучи давали только двумерные изображения. Представьте себе тело как коробку с жидкостью, в которой находится ряд объектов (кости, органы и мышцы): рентгеновский снимок с трудом увидит объект в середине такой коробки, так как со всех сторон что-то находится на пути лучей. Врачам трудно разобраться в 3D-структурах, отображаемых в 2D. Что действительно было необходимо, так это инновация, которая могла бы создавать правильное трехмерное изображение.

В 1960-х годах Годфри Хаунсфилд, сотрудник компании EMI (Electric and Music Industries), крупной британской корпорации, которая также занималась электроникой и другим оборудованием, искал новые области применения компьютеров и придумал инновационный способ их использования для улучшения рентгеновского аппарата. Его идея заключалась во вращении источника и детектора вокруг пациента для получения серии рентгеновских снимков, которые можно было бы затем реконструировать в цифровом виде с помощью компьютеров. Так создание полного 3D-изображения внутренней части тела стало возможным, а сам аппарат получил название «компьютерный томограф», или КТ[23].

Чтобы воплотить свою идею в реальность, Хаунсфилд сначала построил экспериментальную установку сканера мозга. Он отправился на местные скотобойни, где вырезал коровьи мозги для дальнейшего сканирования[24]. В интервью он затем писал с типичным британским юмором, что «сложнее всего было тащить [мозги] через весь Лондон в бумажном пакете»[25].

Его первые тесты с удивительной четкостью показали полное 3D-изображение внутренней органической ткани. Компьютерный томограф даже выявил мельчайшие различия в тканях, которые, по мнению Рентгена, было невозможно запечатлеть: на первых рентгеновских снимках ткани были прозрачными, но объединение нескольких изображений позволяло их увидеть. Для этого потребовались вычислительные мощности, вращающаяся установка и немного хитроумной математики, но метод сработал. Первый сканер испытывался в лондонской больнице Аткинсона Морли в 1971 году. Он состоял из специально сконструированной подвижной кровати, на которой пациент лежал, поместив голову в круглое отверстие со встроенным в него сканирующим оборудованием. На самом деле установка не сильно отличалась от того, как КТ выглядит сегодня.

Первой пациенткой, прошедшей сканирование в 1971 году, стала женщина с подозрением на опухоль в левой лобной доле. Компьютерная томография успешно выявила опухоль, а последующая операция восстановила здоровье пациентки. Тогда Хаунсфилд и его команда «прыгали, как футболисты, забившие победный гол»[26]. Он осознал значимость своей работы: его изобретение положило конец мучениям, связанным с анализом традиционных рентгеновских снимков черепа.

Хаунсфилд не остановился на сканере мозга, который был представлен миру в 1972 году, – он взялся за создание машины, которая могла бы раскрыть внутреннюю работу остального человеческого тела. К 1973 году первые компьютерные томографы установили в больницах Соединенных Штатов, а к 1980 году 3 млн компьютерных томографов было установлено по всему миру. Со временем компьютерные томографы стали настолько повсеместными, что к 2005 году ежегодно проводилось 68 млн сканирований.

С тех пор новые идеи привели к созданию изображений в реальном времени, сочетанию с другими методами визуализации (с которыми мы познакомимся позже) и первостепенному использованию КТ в отделениях неотложной помощи. В 1970-х годах для получения изображения требовалось около получаса, современные машины получают его менее чем за секунду. Были разработаны методы компьютерной томографии, которые помогают врачам перемещаться по сердцу в 3D-формате во время установки стентов, повышая вероятность успеха процедуры. Также при помощи компьютерной томографии изучается внутренняя структура органа, которую затем печатают на 3D-принтере для лучшего понимания того, что на самом деле происходит в организме пациента. Все это помогает планировать операцию и имплантацию без единого разреза на коже. Технологии и возможности продолжают совершенствоваться, особое внимание уделяется увеличению скорости сканирования, снижению дозы облучения и получению все более детальных 3D-изображений.

Путь от открытия рентгеновского излучения до современных компьютерных томографов занял более 70 лет. Для этого потребовалась серия изобретений, прорывов в математических методах и появление компьютеров. Вы можете найти ту или иную форму этой технологии практически в любой больнице мира. Если бы вы спросили врачей во времена Рентгена, как лучше изучить внутреннее строение человеческого тела, они бы просто предложили найти скальпель поострее. Революция в медицине многим обязана стремлению Рентгена и Томсона лучше понять, казалось бы, малоизвестную область физики. Это стремление привело к созданию совершенно нового инструмента и его усовершенствованию Хаунсфилдом и другими учеными.

Конечно, не только медицина выиграла от рентгеновских лучей. В следующий раз, когда будете проезжать через аэропорт, обратите внимание на рентгеновские аппараты для сканирования багажа: они тоже зародились в лаборатории Вюрцбурга.

Наш материальный и физический мир зависит от знаний о рентгеновских лучах. Компании, производящие нефтяные трубы и самолеты, мосты и лестницы, теперь используют рентгеновские снимки, чтобы убедиться, что их продукция соответствует стандартам. Рентгеновские лучи первыми обнаруживают, где образовалась трещина или появился пузырь воздуха, точно так же, как это было в оригинальных экспериментах Рентгена. Этот «неразрушающий контроль» – скрытая часть созданного человеком мира, но именно благодаря ему наши трубы редко лопаются, а самолеты редко падают с неба. «Неразрушающий контроль» – это постоянно развивающаяся отрасль стоимостью 13 млрд долл., а на рентгеновские лучи приходится около 30 % этого рынка.

Электронике потребовалось полвека, а рентгеновскому излучению – почти целое столетие, чтобы реализовать свой нынешний потенциал, но даже открытия, описанные в этой главе, – всего лишь малая часть всей истории. В своей полноте она охватывает столетия постепенного накопления знаний и технологий – от первой вакуумной камеры, созданной в 1643 году Эванджелистой Торричелли, до изобретения первого вакуумного насоса Отто фон Герике в 1654 году. Для создания точного, но в то же время деликатного устройства с хорошо герметичными соединениями для удержания вакуума требовались опытные стеклодувы. Было необходимо оборудование, которое могло бы обеспечить достаточно высокое напряжение, чтобы высвободить электроны из металлических катодов. Таким образом, полный процесс охватывает многие поколения, даже если кажется, что прорыв произошел в мгновение ока.

Просто удивительно, как эксперименты с электронно-лучевой трубкой, проведенные между 1895 и 1897 годами, расширили наше представление об электромагнитном спектре, разрушили идею о том, что атомы – мельчайшие частицы в природе, и привели к открытию первой субатомной частицы. Если бы кого-то попросили предсказать исход этих экспериментов, он бы совершенно точно не смог оценить их влияние на наши знания о физике. Но еще вероятнее, не получилось бы предсказать влияние этих открытий на общество.

Открытия Рентгена и Томсона объединяет и тот факт, что они были быстро внедрены в технологию. Обе идеи стали неотъемлемой частью инноваций в области электроники и медицинского оборудования в последующие десятилетия. Однако фундаментальные концепции, на которых основывались эти технологии, пришли не из промышленности. Они исходили от пытливых умов, экспериментирующих в поисках новых знаний. Сегодня у многих электронно-лучевая трубка, также известная как кинескоп, ассоциируется со старыми телевизорами, но это нечто гораздо большее. Она олицетворяет ту силу, которой обладают движимые любопытством исследования.

Эксперименты с электронно-лучевыми трубками опровергли идею о том, что физика уже почти вся понятна. С зарождением субатомной физики перед любознательными учеными открылись новые перспективы. Следующие важные эксперименты будут проведены одним из учеников Томсона, когда физики начнут спрашивать, что же еще находится внутри атома.

Глава 2

Эксперимент с золотой фольгой: строение атома

Эрнест Резерфорд пробыл в Монреале всего несколько месяцев, когда получил приглашение на дебаты от местного физического общества. Это был 1900 год, и тема была сформулирована так: «Существование тел, меньших, чем атомы». Резерфорд горел желанием принять участие в дебатах и написал своему бывшему наставнику Дж. Дж. Томсону, что надеется победить своего оппонента Фредерика Содди, химика, получившего образование в Оксфорде. Содди был младше Резерфорда на шесть лет. Его всегда интересовали проблемы на стыке физики и химии, но в Резерфорде он нашел физика, который потряс саму основу химии[27]. Эти дебаты положили начало одной из самых удивительных серий открытий в науке и побудили не только ученых, но и художников, философов и историков полностью пересмотреть свои представления об окружающем мире.

Содди заговорил первым. Это был высокий серьезный блондин с голубыми глазами. Младший из семи братьев, родившийся на юге Англии, еще школьником преодолел дефект речи и превратил свою бывшую детскую в химическую лабораторию, где мог проводить эксперименты, пускай иногда и был близок к тому, чтобы поджечь дом. У него были две непоколебимые ценности – правдолюбие и красота[28].

Содди пришел защищать атом. Его позиция заключалась в том, что электрон, открытый Томсоном и другими, должен быть чем-то отличным от «материи», известной ему и другим химикам. «Химики сохранят веру и благоговение перед атомами как постоянными сущностями, если не неизменными, то уж точно еще не преобразованными», – сказал Содди. Затем он бросил вызов Резерфорду: «Возможно, профессор Резерфорд сможет убедить нас в том, что материя, известная ему, действительно та же самая, что известна и нам»[29].

Резерфорд выступил в защиту своей позиции. Электроны, согласно его теории, составляли часть обычной материи. Он описал работу Томсона и тех, кто был до него: Генриха Герца и Филиппа Ленарда в Германии, Жана Перрена во Франции и Уильяма Крукса в Англии. Резерфорд проанализировал эксперименты Томсона по открытию электрона и объяснил, что, поскольку электроны, по-видимому, происходят из материи, они должны составлять часть атома. Он так хорошо объяснил новые экспериментальные результаты, что покинул аудиторию студентов и сотрудников университета Макгилла, будучи уверенным, что теперь уж они изменят свое давнее представление об атомах как о мельчайших неделимых строительных блоках материи. Но хотя Резерфорд и выиграл дебаты, оставалось много вопросов о том, что происходит внутри материи. Химики и физики так и не достигли согласия.

Эрнест Резерфорд – Эрн для друзей – был физиком, но он был настолько далек от стереотипа физика-интроверта, насколько можно себе представить. Он был высоким, атлетически сложенным и говорил таким громким голосом, что мог нарушить работу чувствительного научного оборудования в лаборатории. В отчаянии его ученики в конце концов соорудили светящуюся вывеску, которая висела над их экспериментами и гласила: «Говорите тише, пожалуйста». По словам научного писателя Ричарда П. Бреннана, у Резерфорда было «глубоко укоренившееся убеждение, что брань во время эксперимента помогает ему лучше работать, и, учитывая его результаты, он, возможно, был прав»[30].

Когда Резерфорд прибыл в университет Макгилла, он выглядел слишком молодым для своей новой роли профессора физики: его карьерный путь набрал обороты благодаря настоятельной рекомендации его старого советника Томсона. Всего за несколько лет до этого Резерфорд переехал из своей родной Новой Зеландии в Англию, ступив на путь новых открытий в области радиации с энтузиазмом блестящего молодого ума, стремящегося себя проявить. Он быстро стал звездным студентом в Кембридже, демонстрируя независимость в исследованиях, пока его наставник был занят (справедливости ради, его наставник в то время открывал электрон).

Открытие радиоактивности произошло несколько случайно в 1896 году, когда французский физик Анри Беккерель изучал светоизлучающие эффекты кристаллов урана. В 1898 году Мария Кюри обнаружила излучение, испускаемое элементом торием, и вместе со своим мужем Пьером, присоединившимся к ней в исследованиях, она объявила об открытии полония[31] и радия, дав радиоактивности ее название, – и все это в один знаменательный год. Еще учась в аспирантуре в Кембридже, Резерфорд присоединился к этой работе и продемонстрировал, что существует по крайней мере два различных типа излучения: альфа-излучение, которое можно остановить листом бумаги, и бета-излучение, которое можно остановить куском дерева[32]. Альфа, бета и, несколько лет спустя, гамма-излучение были названы с использованием первых трех букв греческого алфавита. Сначала их природа была неизвестна, хотя прошло совсем немного времени, прежде чем в 1899 году Беккерель идентифицировал бета-излучение как электроны, а в 1907 году Резерфорд выяснил, что альфа-излучение состоит из атомов гелия, потерявших два электрона, что дает им двойной положительный электрический заряд. Хотя в то время об этом не было известно, гамма-излучение состояло из высокоэнергетического света, похожего на рентгеновские лучи. Открытия Резерфорда в области радиоактивности, безусловно, привлекли внимание Томсона.

Получив должность профессора в Макгилле, свою первую исследовательскую группу и собственную лабораторию, Резерфорд хотел еще глубже проникнуть в феномен радиоактивности. В Канаде царила атмосфера, несколько отличающаяся от Кембриджской, но она, казалось, освободила его от социальных ограничений старого английского университета, так что он мог поступать так, как ему хотелось. Он поставил перед собой высокую цель: понять структуру атома.

После их первых дебатов в 1900 году между Содди и Резерфордом возник неподдельный интерес, который привел к сотрудничеству: каждый все больше хотел понять работу другого. Содди так увлекся изучением радиации, что прослушал продвинутый курс Резерфорда, в котором ученый рассказывал о рентгеновских лучах, излучении урана и тория, а также о практическом применении электрометра. Как химика, Содди больше всего впечатлил электрометр, который мог обнаруживать даже мельчайшее количество тория по испускаемому им излучению. Этот метод оказался гораздо более точным, чем простое взвешивание материалов, как это делали химики. Электрический метод мог обнаружить количество материала в 10¹² (1 триллион) раз меньшее, чем самые лучшие аналитические весы.

Тем временем Резерфорд принял на работу свою первую аспирантку: женщину по имени Гарриет Брукс. Женщины-аспирантки в то время были чрезвычайно редки, хотя, возможно, успех Марии Кюри оказал некоторое влияние. Брукс, третья из девяти детей, родилась в маленьком городке в западном Онтарио. Ее отец продавал муку, семье часто недоставало еды. К сожалению, мало что известно о том, как она обнаружила свою любовь к физике, а также о ее личности или характере: все это просто не было записано[33]. Что кажется очевидным, так это тот шанс, который может дать ей высшее образование: возможность покинуть семейный дом и стать независимой. После четырех лет учебы в Макгилле Гарриет получила степень бакалавра с отличием и несколько стипендий по математике и немецкому языку, что избавило семью от необходимости ее содержать. Она была очень способной студенткой, и неудивительно, что Резерфорд – который не питал никаких предрассудков касательно женщин в науке, – пригласил ее работать с ним.

Вместе Резерфорд и Брукс исследовали элемент торий, обнаружив, что он испускает таинственную «эманацию», своего рода газ, который не был похож ни на что из виденного ими прежде. Но еще более странным показалось то, что излучение, судя по всему, делало радиоактивными близлежащие объекты. То есть, когда излучение вступало в контакт с объектом, оно, казалось, воздействовало на объект так, что он спонтанно испускал альфа-, бета– или гамма-излучение, точно так же, как это делают природные радиоактивные материалы, такие как радий и полоний.

Брукс получила стипендию за свою докторскую работу с Резерфордом и потратила ее на поездку из Канады в Англию в 1902 году, чтобы работать с Дж. Дж. Томсоном. Она стала первой женщиной, обучавшейся в Кавендишской лаборатории.

Пытаясь понять полученные результаты, Резерфорд начал думать, что ему мог бы помочь кто-то, владеющий химическими методами, и пригласил Содди, который немедленно согласился, отказавшись от своей предыдущей исследовательской работы[34].

Содди продолжил работу Брукс, используя химические методы, чтобы выяснить, вступит ли эманация тория в реакцию с различными химическими агентами, но безрезультатно. Он обнаружил, что температура не имела никакого значения, равно как и то, где протекал эксперимент: в углекислом газе или воздухе. Излучение казалось каким-то инертным газом. Содди был уверен, что это не сам торий, а что-то им образованное.

Наконец, все прояснилось. Торий превращался в газ. Атомы тория самопроизвольно меняли форму. Это было не совсем похоже на мечту алхимика превратить свинец в золото, но атомы менялись. Содди «стоял, потрясенный колоссальным значением этого явления», и воскликнул: «Резерфорд, это трансмутация!»[35]

Теперь мы знаем, что Резерфорд и Содди наблюдали распад радиоактивных элементов, которые превращаются в другие элементы, испуская альфа– и бета-частицы, и в конечном итоге образуя стабильные вещества. Природа все это время занималась алхимией бесплатно. Содди, который всего несколькими годами ранее настаивал на неизменности химических атомов, нашел доказательства того, что полностью перевернуло его мировоззрение.

Далее они определили, что радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону. В течение определенного времени, известного как период полураспада, половина атомов в куске радиоактивного материала превращается в атом другого типа. Если вы начнете со 100 атомов кислорода-15 (радиоактивный изотоп кислорода с атомной массой, в пять раз превышающей атомную массу атома водорода), то через две минуты останется всего 50 атомов. Остальные 50 замените на азот-15. В последующие две минуты останется всего 25 атомов (50 ÷ 2). В следующие две минуты останется 12,5 атомов, и так далее. (Технически у вас не может быть половины атома, но период полураспада в две минуты остается прежним.) Материя больше не представлялась стабильной, неизменной субстанцией, как раньше.

Идеи Резерфорда и Содди были радикальными по меркам начала ХХ века, поэтому реакция научного сообщества оказалась неоднозначной. В Лондоне лорд Кельвин (Уильям Томсон), самая высокопоставленная фигура в британской физике, просто отказывался верить в распад атомов. Химики, которые верили в нерушимость материи, тоже восстали против этой работы. В Макгилле выходки Резерфорда и его теории радиоактивности также начали беспокоить других профессоров. Остальные преподаватели считали, что его неортодоксальные идеи о материи могут навлечь на университет дурную славу: члены Физического общества, где он и Содди дискутировали, были настроены крайне критично и посоветовали Резерфорду отложить публикацию и быть осторожнее[36]. Как-то его коллеги-профессора затащили его на встречу и недвусмысленно посоветовали оставить эту ситуацию. Резерфорд выбежал из аудитории, с трудом скрывая негодование.

Резерфорд не стал ходить по струнке. В 1904 году, прогуливаясь по кампусу, он наткнулся на профессора геологии Фрэнка Доусона Адамса. Без всяких предисловий он спросил Адамса, сколько предположительно лет Земле. Адамс рискнул дать цифру в 100 миллионов лет, основываясь на различных методах оценки того времени. Резерфорд сунул руку в карман, вытащил черный камень и выпалил: «Адамс, я без всяких сомнений знаю, что этому куску смоляной обманки 700 миллионов лет», – а затем ушел.

Постоянно распадающееся радиоактивное вещество в природе, как предположил Резерфорд, можно использовать для оценки возраста Земли. Камни содержали небольшое количество радиоактивных атомов, которые он и Содди изучали. Если бы он знал скорость распада от одного атома к другому, он мог бы подсчитать количество неразложившихся атомов по сравнению с количеством «превращенных» частиц и вычислить, как долго просуществовал этот объект. Резерфорду пришла в голову идея радиометрического датирования. Свои первые оценки он проводил с ураном-238, где 238 означает массовое число атомного ядра. Элементы с различным массовым числом называются изотопами и могут обладать различными радиоактивными свойствами, несмотря на то что являются одним и тем же химическим элементом (Содди открыл изотопы и придумал этот термин в 1913 году). Период полураспада урана-238 составляет 4,51 миллиарда лет, через ряд промежуточных стадий с образованием стабильного свинца-206. Используя приблизительные оценки периодов полураспада, полученные в лаборатории, Резерфорд сравнил количество урана и свинца в образце смоляной обманки и обнаружил, что он намного старше предполагаемого возраста Земли.

Одно дело – красоваться перед профессорами геологии, но совсем другое – убеждать в своей правоте физиков и химиков. Резерфорд отправился в Англию, где 20 мая 1904 г. выступил с речью в Королевском институте и рассказал о своих открытиях в области радиоактивности. В зале он заметил лорда Кельвина. Кельвин и так был против идеи распада атомов, и Резерфорд знал, что последняя часть его речи о возрасте Земли будет для него особенно трудной. Кельвин считался авторитетным специалистом в определении возраста нашей планеты, основанном на расчетах скорости ее остывания[37]. Резерфорд вспоминал: «К моему облегчению, Кельвин быстро заснул, но когда я дошел до самого важного момента, я увидел, как этот стреляный воробей сел, приоткрыл один глаз и злобно уставился на меня! И тут на меня снизошло вдохновение, и я сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли, исходя из того, что не будет открыт новый источник [энергии]. Это пророческое высказывание относится к тому, что мы рассматриваем сегодня вечером, – радий! Узрите! Старик просиял, глядя на меня»[38].

Данные из других лабораторий продолжали подтверждать идею о том, что многие элементы нестабильны и имеют периоды полураспада. Лорд Кельвин публично отказался от своей прежней позиции против радиоактивности на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки и в результате был вынужден выплатить пари другому физику, лорду Рэлею. Остальная часть сообщества постепенно признала, что радиоактивность действительно происходит так, как предполагали Резерфорд и Содди.

Когда в 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии, он заметил, что стал свидетелем многих превращений в своей лаборатории, но ни одно из них не было таким быстрым, как его внезапное превращение из физика в химика. Содди тоже получил Нобелевскую премию – в 1921 году, за вклад в развитие радиохимии. Что касается Гарриет Брукс, она была в Кембридже, когда Содди и Резерфорд открыли процесс трансмутации в 1902 году, но Джей Джей Томсон был слишком занят, чтобы заметить ее работу. Позже, в 1903 году, она вернулась в Канаду и продолжала проводить исследования в области радиоактивности до своей помолвки в 1905 году. Но колледж, в котором преподавала Брукс, сказал, что ей придется уйти с работы, если она выйдет замуж[39]. Она разорвала свою помолвку и продолжила работать. В 1907 году, после знакомства, а затем и работы с мадам Кюри в Париже, Брукс оказалась перед трудным выбором: другой канадский профессор, ее бывший лаборант, начал делать ей романтические предложения через серию писем. Ей был 31 год, и общественное давление, требующее выйти замуж и завести детей, было очень сильным. Резерфорд – к тому времени уже в Манчестере – изо всех сил старался обеспечить ей финансовую поддержку, пытаясь нанять ее. В своем рекомендательном письме он подтвердил, что Брукс была самой выдающейся женщиной-физиком в области радиоактивности после Кюри. В конце концов Гарриет Брукс решила принять предложение руки и сердца и вернулась в Канаду, вышла замуж, у нее родились трое детей. Ее карьера в области физики подошла к концу. Только в 1980-х годах признали, что ее работа была неотъемлемой частью открытия радиоактивного распада Резерфорда и Содди[40].

Для большинства ученых Нобелевская премия стала бы пиком их карьеры, но для Резерфорда это казалось только первым шагом. Он все еще не ответил на свой первый вопрос: какова структура атома? Его воображение, богатое идеями, и умение их воплощать простыми, но действенными экспериментами сделали ему имя. В 1907 году Резерфорд вернулся в Великобританию, где возглавил физический факультет Манчестерского университета. То, что он тогда обнаружил, потребовало бы еще большего воображения физиков и химиков, а само его открытие строилось на одном из самых простых, но самых известных исследований в области физики: эксперименте с золотой фольгой.

Несмотря на многочисленные достижения Резерфорда, эксперименты, которые он проводил до 1908 года, были очень примитивными. Он сам лучше всего описал свой подход: «У нас нет денег, поэтому придется думать». Студенты и сотрудники исследовательской группы Резерфорда были известны тем, что в своих экспериментах использовали жестяные банки, табачные коробки, сургуч и невероятное усердие. В таких простых, но хитрых методах познать природу таилось особое удовольствие. Один из студентов Резерфорда, австралийский физик Марк Олифант, позже напишет: «Он был полон идей, но это всегда были простые идеи. Ему нравилось словами описывать происходящее»[41]. Это же касалось и его взгляда на атом.

Резерфорд описал свое представление об атоме на рубеже ХХ века в следующих словах: «довольно твердый парень, красного или серого цвета, судя по вкусу». Легко представить, что крошечные атомы, из которых состоит наша пища, наши тела и наша планета, похожи на маленькие бильярдные шары, – картина, которой нас часто учат в школе[42]. В 1908 году уже прошло 10 лет с тех пор, как Томсон открыл электрон, но физики все еще не имели четкого представления о внутренней структуре атома. Однако Резерфорд начал догадываться, что состав атома и радиоактивность тесно связаны.

Точка зрения Томсона и многих других ученых заключалась в том, что атом представляет собой сферу с положительным зарядом, в которую – как изюм в пудинг – встроены отрицательно заряженные электроны. Эта идея получила название «модель сливового пудинга». Было несколько других идей, таких как «сатурнианская модель», выдвинутая японским физиком Хантаро Нагаока, – о «центральной притягивающей массе, окруженной кольцами вращающихся электронов», но не было никаких доказательств того, что эта модель хоть в какой-то степени точна[43]. Резерфорд очень высоко ценил Томсона, но начинал сомневаться в своем старом наставнике.

Влияние Резерфорда росло, как и его обязанности. Теперь он руководил целым отделом в Манчестере, расположенным во впечатляющем здании из красного кирпича со специально построенными лабораториями и офисами. Одну из них Резерфорд выделил для себя. Как и во многих других лабораториях, здесь были тяжелые деревянные полы, а стены были покрыты плиткой: горчично-желтая плитка у пола, темно-красная полоса на высоте стола, затем кремовая плитка, простирающаяся до самого потолка. Место казалось отчасти суровым, но было в высшей степени практичным. Здесь Резерфорд мог приступить к изучению вопроса о том, как на самом деле выглядит атом внутри. Если быть точным, могли приступить его сотрудники и ученики.

Как директор лаборатории, Резерфорд был слишком занят, чтобы проводить большинство экспериментов собственноручно, даже если он сам того хотел. Его задачей было собрать команду людей, которые вместе будут работать над достижением поставленной цели, а он будет заходить, проверять результаты, давать предложения и поддерживать мотивацию. Во время одного из таких лабораторных обходов Резерфорд познакомился с Эрнестом «Эрни» Марсденом, двадцатилетним студентом-старшекурсником из Ланкашира, сгустком энергии и энтузиазма. Резерфорд возвышался над невысоким Марсденом, как и над всеми остальными. Сын ткача, Марсден вырос, обожая музыку и литературу, а также естественные науки, и, под влиянием учителей в средней школе, решил изучать физику. Он был склонен к заразительному смеху и, по словам его коллег, с ним всегда было приятно находиться[44]. Марсдену был нужен исследовательский проект для магистерской диссертации, и Резерфорд подкинул ему идею.

Еще в Канаде Резерфорд заметил, что, когда он пропускал альфа-частицы через тонкий кусок металла, они образовывали нечеткое изображение на фотопластинке. Если убрать металлический лист, изображение на фотографии получалось четким. Альфа-частицы, казалось, рассеивались, будто отраженные атомами металла, но он не знал почему. Столь крошечный эффект многие, может, и не заметили бы. Но Резерфорд предложил Марсдену провести дополнительные эксперименты и лучше проверить этот эффект.

Резерфорд поручил ему работать под руководством Ханса Гейгера, физика немецкого происхождения, который был на шесть лет старше Марсдена. Гейгер родился в Нойштадте, в Рейнланд-Пфальце, прекрасном винодельческом районе. Он был очарован миром природы и получал удовольствие и гордость от проведения экспериментов. Он недавно защитил докторскую диссертацию и переехал в Манчестер, когда туда приехал Резерфорд. Позже он стал широко известен благодаря изобретению счетчика, названного его именем – счетчик Гейгера. Резерфорд предложил двум молодым людям свою личную лабораторию для экспериментов.

Члены группы Резерфорда уже изучали, как электроны рассеиваются, проходя через металлы. Они обнаружили, что электроны подвергаются серии столкновений с атомами металла, при этом несколько электронов отражаются обратно. Теперь вопрос заключался в том, как будут вести себя альфа-частицы в подобном эксперименте. Альфа-частицы (или ядра гелия, как мы теперь знаем) практически в 7000 раз тяжелее электронов, и это означает, что для смены их курса потребуется очень большая сила. Интуитивно понятно, что они должны проходить прямо сквозь тонкий кусок металла. Тем не менее тот факт, что альфа-частицы формируют нечеткое изображение на пластинке, проходя через металлический лист, показался Резерфорду довольно интересным. Вопрос был ясен: если направить альфа-частицы одну за одной на металл, как толщина металла повлияет на рассеивание и отражение частиц?

Помощь в постановке этого эксперимента стала бы для Марсдена хорошей практикой, а сам эксперимент был довольно типичен для лаборатории Резерфорда. Эксперименты такого рода включали в себя пристальное – час за часом – вглядывание в окуляр микроскопа и подсчет маленьких вспышек света от альфа-частиц. Для такой работы нужно немало времени и выдержки, потому Гейгер и Марсден без промедления принялись за дело.

В эксперименте использовалась разновидность вакуумной трубки. Вместо электронно-лучевой трубки, испускающей электроны, Гейгер и Марсден намеревались использовать альфа-частицы. В один конец трубки был помещен сильный радиоактивный альфа-источник, изготовленный из радия, а другой конец был запечатан слоем слюды, тонкого материала, через который могли проходить альфа-частицы. Трубка располагалась под углом 45 градусов по направлению к толстому куску металла и экрану, покрытому сульфидом цинка, который испускал вспышку света всякий раз, когда в него попадала альфа-частица. Между альфа-излучающей трубкой и экраном был предусмотрительно расположен кусок свинца, чтобы предотвратить попадание случайных альфа-частиц непосредственно в детектор и последующее искажение результатов. Установка была разработана таким образом, чтобы улавливались только те альфа-частицы, которые действительно отражаются от металла. Затем Гейгер и Марсден принялись следить за вспышками на экране.

Сначала они пронаблюдали за тем, что происходит при попадании альфа-частицы на поверхность толстого куска металла. Так же, как и в случае с электронами, несколько альфа-частиц отразились. В случае с толстыми листами металла альфа-частицы вели себя примерно так же, как электроны. Ожидалось, что отклонение альфа-частиц от каждого отдельного атома будет небольшим. Толстый лист металла содержит много слоев атомов, и, хотя альфа-частицы в 7000 раз тяжелее электронов, результат подтвердил предположение о том, что даже такие тяжелые «снаряды» иногда поворачивают вспять после достаточного количества столкновений. Играет ли роль тип металла? Как оказалось, да. Металлы, изготовленные из более тяжелых элементов, таких как золото, отражают больше альфа-частиц, чем легкие, такие как алюминий.

Затем Гейгер и Марсден проверили, имеет ли значение толщина металла. Они рассудили, что если они сделают металлическую фольгу достаточно тонкой, то все альфа-частицы будут проходить прямо сквозь нее, при этом немного рассеиваясь, как ранее отмечал Резерфорд. Для этой части эксперимента они выбрали золото, потому что из него можно было легко сделать тонкую фольгу. Постепенно меняя толщину золотой фольги, ученые проверяли, сколько вспышек промелькнет на экране датчика. По мере уменьшения толщины фольги альфа-частицы, как и ожидалось, начали проходить прямо сквозь нее. Но потом исследователи заметили кое-что странное: какой бы тонкой ни была золотая фольга, экран с сульфидом цинка все равно иногда загорался. Примерно одна из каждых 8000 альфа-частиц отскакивала от фольги. И причиной тому был не простой толчок, который слегка изменил направление альфа-частиц, а сильное воздействие, которое полностью отразило альфа-частицу. Но как такое возможно? Внутри атомов золота не было ничего, что могло бы вызвать этот эффект. Казалось, это противоречит всем известным законам физики. Как тяжелая альфа-частица может быть отклонена крошечными электронами или разницей в положительном заряде атома?

Гейгер и Марсден сообщили эту новость Резерфорду. Позже он описал это так: «… самое невероятное событие, которое когда-либо случалось в моей жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы запустили 38 см[45] снарядом в лист тонкой бумаги, а он бы отскочил и попал в вас». Узнав результаты, Резерфорд попытался дать все правдоподобные объяснения, которые могли бы подтвердить данные, и исключал их одно за другим. Если бы модель сливового пудинга была верна, отклонение альфа-частиц было бы небольшим, но Гейгер и Марсден наблюдали обратное. Чтобы объяснить отскакивание альфа-частиц, пришлось бы признать присутствие огромной силы в атомах золота. Было несколько вариантов: либо в эксперименте допущена ошибка и альфа-частицы могли каким-то образом поглощаться и переизлучаться атомами, либо, возможно, весь положительный заряд атома был сконцентрирован в самом центре атома.

Эксперимент был проведен в 1907–1908 годах, а его результаты опубликованы в 1909 году, но теория Резерфорда о строении атома появилась только в 1911 году. За это время Резерфорд произвел вычисления. И даже записался на курс математики, чтобы убедиться, что он все посчитал правильно. Раз за разом он понимал, что существует только одно объяснение, которое соответствует полученным данным: атомы по большей части должны состоять из пустого пространства с крошечным плотным ядром.

Если бы Резерфорд хотел опровергнуть принятую модель атома, ему пришлось бы, вне всякого сомнения, продемонстрировать, что новая модель верна. В течение следующих нескольких лет, благодаря изобретению Гейгером счетчика, Марсден и Гейгер провели еще одну серию экспериментов, в которых все встало на свои места. Только после этого Резерфорд представил миру свою новую теорию. Атом – не сливовый пудинг, усеянный отрицательно заряженными электронами: в его сердце крошечное ядро с положительным зарядом, достаточно плотное, чтобы оно могло отражать при приближении альфа-частицы. Электроны – тоже часть атомов, но они вращаются вокруг ядра на огромном расстоянии. Если бы атом был размером с собор, где электроны – его стены, ядро было бы размером с муху. А между ними не было бы вообще ничего.

Эксперименты Гейгера и Марсдена полностью изменили представление об атомах и, соответственно, о Вселенной. Атомы вовсе не были твердыми объектами, какими их считали на протяжении тысячелетий, они в основном состояли из пустого пространства. Трудно переоценить, насколько неожиданным был этот результат. Артур Эддингтон в 1928 году писал:

Когда мы сравниваем Вселенную, какой мы ее понимаем, со Вселенной, какой мы ее раньше представляли, самое поразительное изменение – не переосмысление пространства и времени Эйнштейном, а превращение всего того, что мы считали наиболее твердым, в крошечные частицы, плавающие в пустоте. Резкий толчок тем, кто думает, что вещи более или менее такие, какими кажутся. Открытие современной физикой пустоты внутри атома вызывает большее беспокойство, чем открытие астрономией огромной пустоты межзвездного пространства[46].

Понимание внутренней структуры атома может показаться просто занятной деталью. Тем не менее это открытие и понимание механизмов радиоактивного распада и трансмутации стали доминировать в науке, технике и даже политике на протяжении десятилетий. Тот факт, что атомы состоят из крошечного, плотного, положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами, породил целую область ядерной физики.

Простые эксперименты принесли огромное количество знаний. Это так взволновало Резерфорда, что однажды, как вспоминает Чарльз Перси Сноу – химик и один из сотрудников Резерфорда в Кембридже, который позже стал известным писателем, – ученый так настолько вышел из себя, что вскричал на собрании Британской ассоциации: «Мы живем в великий век науки!» – в то время как остальные в комнате сидели в ошеломленном молчании.

Энтузиазм Резерфорда был оправдан: он видел потенциал, который кроется в понимании атомного ядра и того, как работает радиоактивность. Сегодня многие люди ассоциируют слова «ядерный» и «радиоактивность» с технологиями ядерной энергетики и ядерного оружия, появившимися спустя десятилетия после этих открытий. Сила ядра и невидимой природы радиоактивности иногда вселяет страх. И все же, если бы радиоактивности не существовало, если бы все элементы были стабильны, если бы ядро не было удивительно сложным, нас вместе с нашей планетой и всем, что на ней есть, просто бы не существовало. Радиоактивность возникает потому, что атом имеет структуру, и открытие этой структуры привело нас к более глубокому, более фундаментальному пониманию природы материи.

Радиоактивность – это естественный процесс. Она воплощает идею о том, что все в нашей жизни, даже сама материя, находится в постоянном изменении. В некоторых случаях это изменение происходит мучительно медленно, поэтому мы называем некоторые атомы «стабильными», что означает, что мы еще не видели, как они распадаются, поскольку их периоды полураспада намного больше возраста Вселенной. Но другие атомы решительно нестабильны. Их период полураспада – от миллиардов лет до дней или минут, и по этой причине они гораздо более интересны – и часто полезны – для нас.

Эти радиоактивные элементы естественным образом содержатся в горных породах, в воздухе, почти везде. Гранит вашей кухонной столешницы может содержать уран, торий и продукты их радиоактивного распада. Некоторые элементы, такие как калий (химический символ K), имеют как стабильные, так и нестабильные изотопы и различаются по атомной массе, поскольку их ядра имеют разное число нейтронов, которое может быть больше или меньше числа протонов. Изотопы одного и того же элемента могут обладать различными радиоактивными свойствами. Например, большая часть калия представляет собой стабильный изотоп К-39, но 0,0012 % приходится на изотоп К-40, который содержит один дополнительный нейтрон, испускающий в основном бета-излучение (электроны) с периодом полураспада 1,3 миллиарда лет. Это означает, что даже бананы, технически, радиоактивны. Однако доза облучения мизерна, и вам пришлось бы съесть 5 миллионов бананов за один присест, чтобы почувствовать ее вредные последствия. Наши собственные тела тоже неизбежно содержат эти изотопы. Мы все радиоактивны.

Сегодня мы полагаемся на природные радиоактивные элементы во многих технологиях, от датчиков дыма (где америций, источник альфа-частиц, создает небольшой ток, который отключается при появлении дыма) до радиоактивных источников, опускаемых в глубокие скважины и используемых для определения состава окружающей породы. Этот метод, известный как каротаж скважин, стимулирует гамма-излучение элементов в породе и позволяет с минимальными затратами оценить, есть ли нефть, газ или иные ценные продукты глубоко под землей. Другие радиоактивные источники уже много лет используются для лечения рака и стерилизации почты, особенно после того, как в 2001 году были предприняты попытки отравить письма сибирской язвой, – теперь правительственная почта США стерилизуется с помощью радиации[47].

Использование естественной радиоактивности в других сферах жизни общества – неотъемлемая часть нашего мира, и легко забыть, что ее не существовало до открытий Резерфорда, Содди, Брукс, Гейгера и Марсдена. Чтобы убедиться в этом, достаточно заглянуть в Манчестерский музей, расположенный всего в нескольких шагах от старой лаборатории Резерфорда. В нем нет никакого старого физического оборудования, но представлено много окаменелостей (в том числе огромный скелет тираннозавра по имени Стэн). Репродукция огромной корневой системы дерева из верхнего каменноугольного периода с табличкой, указывающей, что дереву 290–323 миллиона лет. Плезиозавр, который был найден в Северном Йоркшире группой студентов университета, – его окаменелые кости возрастом 180 миллионов лет выставлены в огромном стеклянном ящике. Легко предположить, что у нас всегда были методы определения возраста окаменелостей, горных пород и древних артефактов, но, как мы помним по разговору Резерфорда с геологом профессором Адамсом, это не так. Основная причина, по которой мы объективно знаем возраст практически любого исторического объекта, заключается в наших знаниях о радиоактивности.

После открытия Резерфордом ядра атома физикам потребовалось время, чтобы понять ядерную физику и то, почему периоды полураспада разных атомов различаются. В то же время открытие многих нестабильных атомов с различными периодами полураспада в природе дало нам широкий спектр инструментов и методов, позволяющих датировать не только окаменелости, но и практически все, что угодно. Невозможно перечислить все, о чем мы знаем благодаря радиометрическому датированию, но давайте рассмотрим несколько примеров.

Мы знаем, что Туринская плащаница – средневековая подделка[48], и можем датировать свитки Мертвого моря. Мы знаем, что Homo sapiens мигрировали из Африки не единожды, а в течение нескольких периодов[49], и мы знаем, как они распространились по всему земному шару, потому что можем датировать человеческие останки – например, останки возрастом 14 300 лет, найденные в пещере в Орегоне[50]. В археологии мы можем не только локально установить временную шкалу для объектов, но и сравнить их в разных странах и даже на разных континентах, чтобы восстановить доисторическую эпоху нашего мира. Мы можем определить возраст льда в 1,5 миллиона лет[51], чтобы понять древний климат по ледяным кернам. Благодаря радиометрическому датированию мы знаем, когда динозавры бродили по Земле, и знаем дату падения астероида, который уничтожил их 65 миллионов лет назад[52]. Углубляясь в прошлое, мы можем идентифицировать первые свидетельства окаменелостей, которые могли быть животными, – разновидность древней морской губки, найденной в породах возрастом 665 миллионов лет в формации Трезона на юге Австралии[53].

Это знание составляет огромную часть культурного и исторического контекста нашей жизни и нашего вида. Мы можем точно сопоставить все эти истории не только потому, что способны сравнивать слои горных пород и скелеты друг с другом, но и потому, что атомы самопроизвольно распадаются на другие атомы. Потому, что Резерфорд, его команда и другие ученые после него разработали и усовершенствовали эти методы. Стремление понять мельчайшие объекты в природе в то время могло показаться незначительным разделом физики, но оно стало основой для нашего понимания культуры, искусства, геологии и нашего места в мировой истории.

И опять причина тому – простые эксперименты нескольких ученых, которые привели к новым знаниям: в основе самой материи лежит крошечное ядро. Это открытие также породило множество вопросов, которые были важны для дальнейшего рассмотрения. Как удерживается ядро? Как электроны остаются в атоме? Первые ответы на эти вопросы пришли из начала квантовой механики, рожденной в результате экспериментов, направленных на изучение природы света и его взаимодействия с материей. Со временем физика превратилась в область все возрастающей сложности, и простые эксперименты, которые так любил Резерфорд, уже не могли раскрыть секреты атома. Даже радиоактивные вещества, обнаруженные в природе, не казались достаточно мощными или гибкими и в конечном итоге стали ограничением, а не инструментом открытия.

Технологический и теоретический прогресс начал идти рука об руку с экспериментами. Физики стали устанавливать удивительные связи между, казалось бы, несопоставимыми аспектами природы. Теперь наша история подводит нас к первому из этих сюрпризов, когда взаимодействие между светом и материей привело физиков к принятию поразительно нового взгляда на наш мир на его самом фундаментальном уровне.

Глава 3

Фотоэлектрический эффект: квант света

Что такое свет? Споры о природе света ведутся с XVII века. Сначала предполагалось, что свет подобен частице[54], объекту, движущемуся на скорости через гипотетический эфир по прямой линии, – идея, отстаиваемая Исааком Ньютоном. Другой точки зрения придерживался голландский физик Христиан Гюйгенс, крупная фигура научной революции, который открыл спутник Сатурна Титан, а затем предложил математическую основу волновой теории света в своем «Трактате о свете» 1690 года. Гюйгенс утверждал, что свет – это волна, вибрациями прокладывающая свой путь через эфир (которого, как выяснилось позже, не существует[55]). Хотя из-за большого авторитета Ньютона теория частиц долгое время преобладала, но, как всегда, эксперименты расставили все по своим местам: на первое место вышла волновая теория.

Главный эксперимент, который разрешил дебаты в пользу волновой теории, был впервые проведен Томасом Юнгом в Англии в 1801 году. Современную версию этого эксперимента достаточно легко воссоздать, и большинство студентов-физиков пытаются это сделать. Он начинается с лазерной указки, направленной на черную металлическую пластину с двумя крошечными прорезями-щелями в ней. Это и дало эксперименту его название – «двухщелевой опыт». За двумя прорезями находится проекционный экран. Вопрос: что мы увидим на экране? Наша интуиция воспроизводит аналогичный опыт. Представьте себе забор в лучах солнца, в заборе недостает двух планок: он блокирует солнечный свет и отбрасывает тень на тротуар, но в промежутках, где отсутствуют планки, появляются два ярких пятна. Большинство подумает, что лазерный луч создаст две ярко-красные линии света на экране, причем двойная щель будет эквивалентом недостающих планок и остальная часть экрана будет в тени. Мы этого ожидаем, но происходит совсем иное. На экране появляется набор интерференционных полос: полосы светлых и темных пятен, растекающиеся по ширине экрана[56].

Эта интерференция – уникальное свойство волн. Например, мы можем воссоздать похожую модель с волнами воды. Если вы направитесь к тихому пруду с двумя надувными мячами, будете держать по одному мячу в каждой руке на расстоянии примерно метра друг от друга и синхронно чеканить мячики, создавая две волны, то вы будете наблюдать похожую ситуацию[57]. Там, где пики двух волн встречаются друг с другом, они вызывают «конструктивную» интерференцию; в противном случае, когда перекрываются пики и впадины, происходит «деструктивная» интерференция, и волны ослабляют друг друга. В результате получается красивый веерообразный узор, образованный чередующимися волнами и участками неподвижной воды, который распространяется от вас по всему пруду.

Интерференционные эффекты света проявляются и в нашей повседневной жизни, но куда менее заметно. Эти эффекты придают особые цвета мыльным пузырям, крыльям бабочки или «рисуют» радуги, которые вы видите, глядя на обратную сторону компакт-диска. Интерференция в этих ситуациях выглядит немного сложнее, потому что в них участвует белый свет (состоящий из множества цветов, в отличие от одноцветной лазерной указки), а интерференционные картины зависят от цвета, поэтому в этих сценариях вместо ярких и темных пятен получаются красочные узоры.

Двухщелевой опыт Юнга показывает эту интерференцию в действии: в некоторых местах экрана свет, добавленный к свету, дает еще более яркий свет, а в других местах свет, добавленный к свету, дает темноту. Измеряя расстояние между яркими пятнами на экране и зная длину волны света от лазерной указки, мы можем использовать волновую теорию света, чтобы предсказать, что мы увидим. И когда ученые XIX века добавили к этим знаниям доказательствам того, что свет может рассеиваться, преломляться, и интерферировать, а все это свойства волн, а не частиц, спор был исчерпан: свет – это волна.

Примерно в XIX веке классическая волновая теория света развивалась все больше, предсказывая все известное поведение света, наблюдаемое в лаборатории. Основываясь на нем, мы смогли создать и понять микроскопы и телескопы, зеркала и линзы. Мы смогли объяснить, как работает радуга, почему небо голубое и многие другие явления. Классическая теория продолжала удерживать позиции даже после того, как шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл связал ее со своей теорией электромагнетизма, которая дала нам превосходное определение природы световых волн. Для большей точности мы можем сказать, что свет – это электромагнитная волна, движущаяся со скоростью почти 300 млн метров в секунду, обозначаемой буквой c. Волна имеет колеблющуюся электрическую составляющую и магнитную составляющую, постоянно меняющиеся местами. К 1900 году природа света уже не вызывала сомнений.

Затем серия экспериментов начала серьезно ставить под сомнение волновую теорию. Они показали, что свет не всегда действует как волна – иногда казалось, что свет действует как частица. Классическая теория столкнулась с трудностями, когда ученые начали задаваться вопросом, как волновая теория взаимодействует с другими разделами физики. На первый план вышло то, что ранее замалчивалось. Почему свет и материю следует рассматривать как отличающиеся друг от друга? Что заставляет свет действовать одним образом, а материю – другим? Пока физики размышляли над этими вопросами, появилась радикальная идея о том, что и свет, и материя – не совсем то, чем мы их считали. Это ознаменовало начало революции в физике и начало своеобразных, но замечательных теорий квантовой механики.

Давайте подведем итоги того, куда привело нас наше путешествие с момента обнаружения X-излучения в лаборатории Рентгена в 1896 году. Эксперимент с электронами и золотой фольгой доказал физикам, что атомы – не самые маленькие объекты в природе, поскольку внутри атомов находятся крошечные электроны, несущие отрицательный электрический заряд. Атомы оказались не такими стабильными вечными сущностями, какими их хотели видеть химики: физика показала, что атомы могут изменяться, превращаясь в различные элементы путем радиоактивного излучения, многократно изменяя форму, пока не достигнут точки стабильности. Атомы больше не были твердыми сферами материи: оказалось, что они состоят в основном из пустого пространства. Все эти знания предвещали следующие крупные открытия, которые изменили физику почти до неузнаваемости. Мы даже по-другому называем физику, появившуюся на рубеже ХХ века. Мы называем ее современной физикой – в противоположность классической физике, как будто все, что было до теорий этой эпохи, было несколько обычным.

Основа проблемы была заложена в 1887 году, когда Генрих Герц превзошел свое более раннее открытие электромагнитных волн, случайно обнаружив, что свет может создавать искры. Точнее говоря, он обнаружил, что если направить ультрафиолетовый свет на металлическую поверхность, то выбрасываются электроны. Эта связь между светом и электричеством называется фотоэлектрическим эффектом и стала популярной темой исследований[58] многих физиков, в том числе Вильгельма Халльвакса и Филиппа Ленарда в Германии, Аугусто Риги в Италии, Джей Джей Томсона в Англии и Александра Столетова в России – все пытались понять принцип его действия.

Свет, согласно волновой теории, несет определенное количество энергии, пропорциональное квадрату его амплитуды (размеру волны или яркости света). Физики, изучающие фотоэлектрический эффект, подозревали, что в металле электроны связаны в атомах, поэтому электрону нужно получить немного энергии, чтобы вылететь из атома. Преодолев этот начальный энергетический барьер, все большее и большее количество света должно передавать электрону все больше и больше энергии, пока он не вылетит с энергией, соответствующей поглощенной энергии света (минус энергия, необходимая для того, чтобы электрон покинул металл). Исходя из этого, можно сделать три прогноза. Во-первых, более яркий свет должен привести к тому, что электроны будут двигаться быстрее. Ученые рассудили, что чем сильнее свет, падающий на металл, тем больше энергии будет у электрона и, следовательно, тем быстрее он покинет металл. Это казалось разумным. Во-вторых, если свет достаточно тусклый, потребуется больше времени на накопление энергии, необходимой для того, чтобы электрон покинул металл, после чего электрон будет двигаться с низкой скоростью. И в-третьих, поскольку электроны должны перемещаться и поглощать энергию, чтобы вырваться, температура металла должна влиять на результат.

В 1902 году Филипп Ленард, физик венгерского происхождения, работавший в Германии[59], обнаружил, что с самым первым предсказанием есть проблема: он не видел корреляции между скоростью выбрасываемых электронов и интенсивностью света. Ленард даже выдвинул гипотезу о том, что вся идея ошибочна: световая энергия не преобразуется в энергии электронов в фотоэлектрическом эффекте вообще, и вместо этого свет был просто триггером, инициирующим атомы высвобождать электроны[60]. Эта гипотеза с «триггером» казалась маловероятной, но другого убедительного объяснения не было.

На другом конце света другой физик-экспериментатор пытался поспевать за наукой. Роберт Милликен, ассистент профессора Чикагского университета, был полон решимости оставить свой след в физике, но испытывал трудности из-за нехватки оборудования и того факта, что никого в его лаборатории не интересовало то, что он делал.

Милликен впервые обнаружил свою любовь к физике после того, как его учитель греческого языка в Оберлинском колледже в Огайо попросил его прочесть курс по этому предмету. Несмотря на то что у него не было никаких предварительных знаний, он взялся летом за самостоятельное изучение физики, решая все задачи, которые только попадались ему в учебниках. Он получил докторскую степень в Колумбийском университете, а затем провел год в Германии, прежде чем занять должность в Чикагском университете. Милликен был хорошо известен своим невероятно строгим графиком: он работал по 12 часов в день: 6 часов преподавал и 6 часов занимался исследованиями.

По счастливой случайности, время, которое он провел в Германии, пришлось на 1895–1986 год, когда были открыты рентгеновские лучи и радиоактивность: это помогло Милликену сформировать новые идеи для своих исследований. Но в Чикаго, несмотря на напряженный график и неувядающий оптимизм, он остро ощущал отсутствие прогресса в исследованиях из-за своей изолированности. Милликен знал, что в Германии Ленард добьется результатов в окружении других экспертов, в то время как он работал почти полностью независимо.

Как и все лаборатории того времени, его лаборатория сильно отличалась от современных. В конце концов, это было начало 1900-х годов: электрическое освещение было новым и не очень эффективным, поэтому лаборатория больше походила на унылую фабрику, чем на яркие белые помещения сегодняшнего дня. Большинство домов в районе Чикаго все еще освещались газовыми лампами или свечами, так как электричество у них появится только через 20 лет. Компьютеров, конечно, не было. Все расчеты делались с использованием логарифмической линейки, карандаша и бумаги, а оборудование изготавливалось собственными силами, поскольку у Милликена не было коллег, к помощи которых он мог бы прибегнуть. Чтобы решиться на экспериментальное исследование, нужна большая самоотдача, и Милликен таковой обладал.

Все, что ему было нужно, – хорошая проблема, над которой можно поработать. И чтобы ее найти, он принялся читать все последние исследовательские работы – что было полезно также и потому, что он отвечал за организацию еженедельных семинаров для своей кафедры. Чтобы оживить одну из дискуссий, однажды он принес и представил исследовательскую работу, которая произвела на него большое впечатление и с которой мы уже знакомы: статью Дж. Дж. Томсона 1897 года об открытии электрона. Милликен был настолько вдохновлен работой Томсона, что решил работать над этой темой. Он хотел изучить электрический разряд в высоком вакууме, но в его лаборатории не было вакуумных насосов, которые справились бы с этой задачей.

В те времена вакуумные насосы были в основном ртутными: сложные, но изящные конструкции из соединенных между собой стеклянных трубок и колб, изготовленных вручную стеклодувами. Жидкая ртуть должна была проталкиваться по трубкам и по мере прохождения удалять несколько молекул воздуха. Если повторить это действие достаточное количество раз, в конце концов можно удалить достаточно воздуха, чтобы получить хороший уровень вакуума. Но Милликену пришлось начинать с нуля, и в течение трех кропотливых лет он неоднократно пытался и терпел неудачу, пока в конце концов не изобрел более удобный аппарат. К стандартному ртутному насосу он добавил трубку, содержащую древесный уголь, погруженный в жидкий воздух. К 1903 году его аппарат мог откачать достаточно воздуха, чтобы в эксперименте использовалось в миллиард раз более низкое давление по сравнению с атмосферным[61] – это приличный уровень вакуума даже по сегодняшним меркам. Ученый был готов к измерениям.

Пока Милликен разбирался с вакуумными насосами, вышла новая книга Дж. Дж. Томсона[62], в которой излагалось предположение, что фотоэлектрическое излучение должно в значительной степени зависеть от температуры, как было не раз обнаружено экспериментаторами к тому времени[63]. Согласно классической точке зрения, при более высокой температуре электроны в металле должны обладать большей энергией, поэтому они должны высвобождаться из металла гораздо легче и с большей скоростью, чем из металла при более низкой температуре.

Вооружившись высоковакуумной установкой, Милликен посчитал хорошей отправной точкой воспроизведение этих результатов. Он направил свет на металлический электрод, температура которого регулировалась внутри стеклянного аппарата. Как и другие экспериментаторы до него, он измерял скорость электронов с помощью напряжения, воздействовавшего на освобожденные электроны: чем выше скорость электрона, тем выше нужно напряжение, чтобы его остановить. Но когда Милликен попробовал провести эксперимент со своей вакуумной системой, он обнаружил, что результаты совершенно не зависят от температуры. Что он сделал не так?

Милликен поручил решение этой проблемы нескольким своим аспирантам. Они работали вместе в маленькой комнате, где постоянно приходилось переступать через лотки с серной кислотой и хлоридом кальция, установленные для осушения воздуха, чтобы предотвратить скопление воды на электродах в своих экспериментах. Потребовалось три или четыре дня непрерывной продувки системы чистым воздухом, прежде чем ученые смогли провести надежные измерения, и неделями они сталкивались с проблемами проникания воздуха в вакуумную систему, из-за чего им приходилось начинать все сначала.

Несмотря на трудности, Милликену в конце концов удалось нагреть алюминиевый электрод до температуры от 15 до 300 градусов по Цельсию и измерить излучаемый электрический ток. Опять же, никакой температурной зависимости обнаружено не было. Их детальная работа продолжалась в течение многих лет, команда создала сложную вакуумную установку с подвижным колесом, к которому прикрепили 11 различных металлических дисков: медь, никель, железо, цинк, серебро, магний, свинец, сурьма, золото, алюминий и латунь. Колесо сидело на агатовых подшипниках внутри стеклянного цилиндра диаметром 8 см с узким источником света – меньше каждого диска, – который освещал трубку. Они поместили полоску железа на край колеса так, чтобы при осторожном движении большим магнитом рядом с трубкой каждый образец металла поворачивался к источнику света без необходимости открывать систему для воздуха[64]. Как оказалось, все результаты не зависят от температуры, по крайней мере, до 100 градусов по Цельсию, что было самым высоким показателем, на который они осмелились пойти с этой версией оборудования. Позже Милликен писал, что до сих пор он, «казалось, добился очень незначительных успехов как физик-экспериментатор!»[65]

Но результаты Милликена на самом деле были успешными. Поскольку они отличались от тех, что были прежде, ученый столкнулся с самым редким и потому драгоценным состояниям – пробелом в знаниях. Должно быть, у него было предчувствие, что отсутствие положительных результатов свидетельствует о чем-то большем, чем просто экспериментальная ошибка. В конце концов, он потратил годы на то, чтобы убедиться, что эксперимент работает исправно. Так каково же было альтернативное объяснение? Если его результаты правильные и фотоэлектрический эффект действительно не зависит от температуры, то классическая физика просто не может этот эффект объяснить.

В Берне в 1905 году Альберт Эйнштейн столкнется с фотоэлектрическим эффектом и выдвинет теорию, которая направит эксперименты Милликена. Эйнштейн изучал физику в Цюрихе, где по вечерам он продолжал работать со своей невестой Милевой Марич, физиком сербского происхождения и единственной женщиной на его курсе[66]. После своего последнего экзамена Эйнштейн не смог найти работу ассистента по физике, поэтому он временно занял низкооплачиваемую должность преподавателя в Винтертуре, в 20 км к северу. Однажды в 1901 году он написал Милеве, что «наполнен таким счастьем и радостью…»[67]. Возможно, она ожидала, что он будет счастлив, поскольку только что написала ему, что он вот-вот станет отцом. Но причина, по которой он был так взволнован, заключалась в ином: он только что наткнулся на экспериментальные результаты Ленарда по фотоэлектрическому эффекту, показывающие, что электроны могут порождаться ультрафиолетовым излучением.

Эйнштейн считал странным, что большинство областей физики были подобны частицам: атомы, электроны и колебания отдельных молекул, вызывающие нагревание, – все это зависело от движения отдельных дискретных объектов. Даже волны воды состояли из небольших частиц – молекул воды – в коллективном движении, в то время как звуковые волны были волнами давления в молекулах газа. И все же световые волны считались непрерывным явлением. Почему так?

Эйнштейн знал о недавней работе своего старшего коллеги, немецкого физика Макса Планка, поклонника глубокой, фундаментальной теоретической физики. В молодости Планк предпочел физику музыке, несмотря на то что его профессор физики говорил ему: «Почти все уже открыто, разве что осталось заполнить несколько дыр». Планк недавно пришел к новой увлекательной идее объединить различные области физики – механическую вибрацию (тепло) и электромагнетизм (свет). Планк начал с признания того, что определенно существует некоторая взаимосвязь между теплом и светом: объекты излучают разные цвета при разных температурах, поэтому горячие угли светятся красным, в то время как солнечный свет ближе к желтому или белому.

Когда я говорю «свет», я имею в виду не только видимый спектр. Свет – или, точнее, электромагнитное излучение – различается по частоте: от рентгеновских и гамма-лучей до инфракрасных и радиоволн. Но для наших целей я буду называть это просто светом. Так почему же объекты светятся определенным цветом? Что мешает раскаленным углям светиться фиолетовым, а планете Юпитер излучать рентгеновские лучи?[68] И снова классическая физика потерпела неудачу.

Предыдущие физики пытались определить свет, который будет излучаться своего рода упрощенным горячим объектом, называемым абсолютно черным телом, воображаемой сущностью, введенной в 1859 году, чтобы лучше понять, как излучается тепло. Черное тело – это то, что образовалось бы, если бы вы взяли коробку и держали ее при постоянной температуре. Со временем она будет производить уникальный вид света, называемый излучением черного тела[69]. Ключевой момент в излучении абсолютно черного тела заключается в том, что не имеет значения, каков размер этого тела – с горошину или с планету: пока оно идеально поглощает и испускает излучение, спектр света, который оно излучает, то есть количество света каждого цвета, излучаемого черным телом, всегда одинаково. Вот что делает его уникальным. Эксперименты по аппроксимации чернотельных излучателей показали что количество излучаемого света сначала всегда увеличивалось с частотой, достигало максимума при каком-то цвете, а затем снова уменьшалось при высокой частоте. Этот пик зависел только от температуры объекта. Похожее можно увидеть в кузнице, где металл сначала светится красным, затем – оранжевым, а затем – белым, по мере того как он нагревается, причем пик спектра смещается от красного к синему.

Использование классической физики для вычисления света, испускаемого абсолютно черным телом, привело к уравнению, которое вообще не соответствовало экспериментам. Более ранние расчеты британского физика лорда Рэлея предсказывали, что количество света, излучаемого в нижней (более красной) части спектра, будет небольшим, но затем, от желтого и зеленого к синему, фиолетовому и ультрафиолетовому, количество будет расти и расти, в конечном итоге достигнув максимума с высокоэнергетическим рентгеновским излучением и даже высокочастотным гамма-излучением. При каждом удвоении частоты количество излучаемого света должно увеличиваться в четыре раза. Но это явно неправильно: когда мы смотрим на мир, он не синий и фиолетовый[70] и не сжигает нас высокоэнергетическими рентгеновскими лучами. Вычисления были невозможны и потому, что если вы сложите общее количество световой мощности, излучаемой на всех частотах, то общая сумма будет бесконечной. Если бы это было правдой, то вся материя, даже самая холодная, излучала бы так интенсивно, что вся энергия исчезла бы в облаке высокочастотного света. Это было настолько парадоксально для теоретической физики, что само явление стало известно как «ультрафиолетовая катастрофа». Планк не мог смириться с такой ситуацией. Взявшись за эту проблему примерно в 1900 году[71], он понял, что в этих более ранних расчетах спектра излучения сделаны некоторые предположения о том, как энергия ведет себя внутри абсолютно черного тела. Предполагалось, что энергия может быть разделена между атомами (или «резонаторами») в черном теле любым способом, так что существует бесконечное множество способов распределения энергии[72]. Но это означало, что при суммировании общей излучаемой мощности складывались все эти возможные состояния, вот почему мощность получалась бесконечной. Планк понял, что можно прибегнуть к математическому трюку, чтобы избежать этой проблемы, но ему это не понравилось.

Если бы энергию можно было поглощать или излучать только порциями, то есть если бы энергия имела некоторый наименьший размер, то поделить ее можно только конечным количеством способов[73]. Точно так же, как вы можете разделить группу из 10 человек: у меня может быть пять человек в группе, и у вас пять, или у меня 10, а у вас ноль, или, возможно, четыре и шесть, но нет смысла делить группы на 2,32 и 7,68 человека. Потому что люди – дискретные, а не непрерывные объекты.

Планк рассматривал эту задачку так, как если бы энергия поступала дискретными порциями, и с математической точки зрения это ему помогло. Планк ввел наименьшую порцию энергии, которую он назвал квантом. Чтобы его математика работала, он также определил, что энергия может поступать только в целых числах, кратных этому базовому количеству. Размер этого количества энергии крошечный и связан с частотой света через новую физическую постоянную, введенную Планком, – h, которая, по его словам, имела значение около 6 × 10^–34 Дж · с[74]. Он не видел другого варианта, который дал бы правильный результат, но поскольку «теоретическое объяснение должно быть найдено любой ценой, сколь высокой она ни была бы»[75], он, чтобы разрешить проблему, предпринял то, что назвал «актом отчаяния».

Планк на самом деле не думал, что энергия поступает маленькими порциями, но, как оказалось, его математический прием сработал. Этот метод привел к уравнению, где количество света, излучаемого черным телом, сначала увеличилось, затем достигло максимума при некотором цвете, а затем снова уменьшалось при более высоких частотах. Самое главное, что его уравнение соответствовало экспериментальным данным. Но, хотя его метод работал, полученные результаты не вызвали революции среди физиков. Новый закон Планка быстро приняли, хотя тот факт, что для его выведения пришлось прибегнуть к очень странной идее квантования энергии, по большей части игнорировался[76].

Однако Эйнштейн серьезно отнесся к идее Планка. Он поверил, что энергия действительно приходит маленькими порциями, и сделал еще один шаг вперед. Он предположил, что сам свет состоит не из волн, а из тех же самых маленьких сгустков энергии – квантов. Выдвинув идею далеко за рамки того, что предполагал Планк, Эйнштейн сказал, что свет сам по себе дискретен и состоит из того, что мы сейчас назвали бы фотонами. Затем он выдвинул теорию, которая могла бы объяснить таинственный фотоэлектрический эффект.

Его теория гласила, что фотон отдает всю свою энергию одному электрону в металле. Энергия фотона была просто частотой (цветом), умноженной на постоянную, которую ранее придумал Планк, h. Он предположил, что, если провести эксперимент, в котором изменят частоту света и измерят энергию фотоэлектронов, результаты будут лежать на прямой линии, наклон которой будет равен значению h. Более яркий свет даст больше электронов, но их энергия будет зависеть только от частоты света. Эта теория также выдвинула и второе предположение – о том, что ниже определенной частоты не будет иметь значения, насколько ярок свет: электроны вообще не будут высвобождаться, поскольку энергия, поступающая от света, не будет достаточно высокой, чтобы электроны могли покинуть металл. Забудьте о температуре, говорил Эйнштейн, обратите внимание на частоту.

Когда он опубликовал свою статью в 1905 году, никто еще не провел детального исследования взаимосвязи между энергией и частотой, которое подтвердило бы теорию Эйнштейна. Но в Чикаго был один разочарованный экспериментатор, у которого были опыт, амбиции, а теперь и оборудование, чтобы все проверить.

Роберт Милликен не верил в теорию Эйнштейна, что на самом деле неудивительно, учитывая, что теория в целом была воспринята не очень хорошо. Даже Макс Планк не воспринял ее всерьез, несмотря на то что сам выдвинул идею кванта и был редактором журнала, который принял статью Эйнштейна для публикации. Планк считал идею Эйнштейна немного притянутой за уши и позже прокомментировал ее в рекомендательном письме: «Иногда, как, например, в его гипотезе о квантах света, он несколько перегибает палку в своих рассуждениях, но не стоит вменять это ему в вину»[77]. Однако Милликен действительно думал, что теория Эйнштейна неверна, потому что свет, очевидно, волна, а не частица. Он считал, что гипотеза о том, что свет состоит из квантов, «смелая, чтобы не сказать… безрассудная». Это шло вразрез с очевидными доказательствами волновой природы света, такими как двухщелевой опыт, который мы обсуждали ранее. Так как же свет может состоять из частиц?

Теперь можно было противопоставить теории Эйнштейна результаты экспериментов, и Милликен увидел шанс сделать себе имя в физике. Вернувшись в лабораторию, в 1907 году Милликен с удвоенной энергией принялся опровергать Эйнштейна.

К этому времени он и его команда подходили к проведению экспериментов донельзя въедливо, устраняя любой источник возможных ошибок в оборудовании. Они по-прежнему использовали ту же базовую установку – источник света, металлическую поверхность и устройство для подсчета электронов, – но она стала еще более сложной. Милликен перешел от использования источников света с искровым разрядником, где высоковольтные электроды образуют искры в газе для получения света, в том числе ультрафиолетового, к применению более стабильных источников света, потому что искры создавали электрические колебания и могли стать причиной ошибок. Он также решил, что для получения надежных результатов поверхность металла должна быть очень чистой, иначе они могли бы измерять фотоэлектрический эффект некоторого поверхностного налета оксида вместо чистого металла. В конце концов, к 1909 году[78] команда Милликена проработала конструкцию, в которую был включен острый нож, вращающийся внутри вакуумной системы и соскабливающий поверхность металла, прежде чем он подвергался воздействию света. Каждый раз, когда они направляли свет на металлическую поверхность, они измеряли энергию высвобождающихся электронов с помощью электрического поля, позволяющего их остановить.

От начала этого предприятия до публикации Милликеном окончательных результатов прошло 12 лет. За это время в его лаборатории работала и заканчивала учебу целая вереница студентов-исследователей. Он провел две крупные экспериментальные кампании в 1909 и 1912 годах и только в 1916 году опубликовал результаты. Первые эксперименты Милликена в 1903 году уже подтвердили, что фотоэлектрический эффект вообще не зависит от температуры. После того как Эйнштейн выдвинул свои предположения, Милликен вернулся к проблеме, полагая, что сможет доказать, что такая нелепая идея, как квант света, не нужна и что простой корректировки классической волновой теории достаточно для объяснения экспериментальных данных. Настойчивость, которую он проявил в своей попытке доказать неправоту Эйнштейна, практически граничила с одержимостью, и мы вправе задаться вопросом, почему ему потребовалось так много времени. Причина очень человеческая: результаты Милликена расстраивали и мучили его, потому что он пытался опровергнуть теорию Эйнштейна, хотя его эксперименты только доказывали обратное.

Почти каждое предсказание Эйнштейна подтвердилось. Энергия испускаемых электронов была прямо пропорциональна частоте падающего света. Милликен подтвердил и то, что ниже определенной частоты электроны вообще не измеряются, как это произошло бы, если бы свет состоял из квантов. Он даже измерил постоянную Планка, h, с точностью до 0,5 %, что, безусловно, было самым точным измерением на тот момент. Милликен нашел лучшее доказательство того, что теория, которую он намеревался опровергнуть, на самом деле верна.

В конце своей статьи 1916 года Милликен ясно дал понять, что он, хотя и принимает результаты эксперимента, все еще просто не может поверить в значение того, что обнаружил. Довольно естественно предположить, что, несмотря на несогласие Милликена с этой новой теорией, его результаты заставили бы всех других физиков внезапно принять точку зрения Эйнштейна о том, что свет состоит из квантов, но нет. Милликен доказал теорию Эйнштейна, но никто так и не принимал идею о том, что свет состоит из частиц, поэтому большинство ученых совершенно спокойно просто игнорировали эту концепцию света, считая проблему фотоэлектрического эффекта неразрешенной.

Они избегали, казалось бы, уродливой и нелогичной концепции: если вы примете во внимание результаты Милликена, показывающие, что свет действует как поток частиц, и многовековые свидетельства, показывающие, что свет действует как волна, вывод должен заключаться в том, что свету свойственна природа как частицы, так и волны.

Как тогда пошутил Уильям Генри Брэгг, британско-австралийский физик, теоретики квантовой физики «описывают свет как волну по понедельникам, вторникам и средам, и как частицу по четвергам, пятницам и субботам». Но, как бы мы его ни описывали, мы просто должны принимать реальность такой, какая она есть. Иногда очень сильный интуитивный образ природы приводит нас к убеждению, что что-то должно быть либо А (волна), либо Б (частица). Но в некоторых ситуациях мы можем использовать A – волновую теорию, а в других ситуациях мы можем использовать Б – корпускулярную теорию. Ни то ни другое нельзя считать неправильным, и применимость каждой из теорий зависит от того, как именно мы проводим наши эксперименты.

Что следует прояснить, так это вопрос о том, как работает эксперимент Юнга с двумя щелями, если рассматривать свет как частицу. Если мы проведем эксперимент Юнга только с одним фотоном за раз, что произойдет? Даже в этой ситуации каждый отдельный фотон будет действовать как волна, и, если вы подождете, пока достаточное количество одиночных фотонов не сформирует узор на экране, вы увидите ту же интерференционную картину, что и при использовании более мощной лазерной указки. Кажется, что каждый отдельный фотон каким-то образом проходит через обе щели. Это нормально, если вы думаете о свете как о волне, но это сбивает с толку, если вы думаете о нем как о частице.

Все тонкости философии квантовой механики составили бы целую отдельную книгу, но важно то, как на самом деле ведет себя природа, и именно это стремятся выяснить экспериментаторы. Вот почему наука в конечном счете сводится к экспериментам, потому что независимо от того, насколько хороша теоретическая модель, независимо от того, какие «факты», как нам кажется, мы знаем, в конце концов мы описываем то, что происходит в природе, только с помощью экспериментов.

Да, Эйнштейн выдвинул удивительную теорию о квантах света, но именно Роберт Милликен кропотливо собирал доказательства того, что природа действительно ведет себя таким образом. Однако о нем вообще мало кто слышал.

Объяснение фотоэлектрического эффекта было настолько важным, что в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия за его квантовую теорию света, а не за его более известную теорию относительности. Два года спустя, в 1923 году, Роберт Милликен[79] тоже был удостоен Нобелевской премии. Ко времени своей вступительной речи он немного изменил предысторию, заявив, что все это время намеревался подтвердить теорию Эйнштейна и рассчитать постоянную Планка. И ему, и остальному физическому сообществу потребовалось очень много времени, чтобы просто принять то, что на самом деле показали его результаты.

Сегодня квантовая механика – лучшее описание реальности в мельчайших масштабах, которое у нас есть, и это не пространная философия. Появившаяся в итоге теория, которая полностью описывает корпускулярную (частицы) и волновую природу света, теперь называется квантовой электродинамикой (КЭД), и потребовалось еще 40 лет после экспериментов Милликена, чтобы она была по-настоящему воплощена. КЭД включает в себя как квантовую механику, так и специальную теорию относительности Эйнштейна, позже мы вернемся к ней более подробно. Сегодня важной особенностью КЭД является то, что мы можем использовать ее для вычисления величин в природе с точностью до одной миллиардной. Ученые во многих областях и высокотехнологичных отраслях промышленности в настоящее время ежедневно используют квантовую механику в той или иной форме, и все мы используем ее результаты в нашей повседневной жизни, даже не осознавая этого. Отсутствие ответа на вопрос, почему природа ведет себя таким образом (и мы действительно не можем ответить, почему), не означает, что мы не можем изучить ее и использовать полученные знания.

Идея, которую изучал Милликен, – и которая, как мы теперь понимаем, заключается в том, что свет передает энергию электронам как в вакууме, так и внутри материалов, – это не просто что-то, что однажды произошло в лабораторном эксперименте и было забыто. Совсем наоборот.

Сегодня мы работаем за ноутбуками и можем пультом включить кондиционер. Внутри этого пульта дистанционного управления находится LED (светоизлучающий диод), который посылает двоичный сигнал в невидимом (инфракрасном) свете. Когда мы нажимаем кнопку, фотоны с пульта дистанционного управления выходят наружу и попадают на детектирующий фотодиод, установленный в кондиционере, и – точно так же, как в экспериментах Милликена, – эти фотоны высвобождают электроны, придавая им кинетическую энергию. Фотодиод изготовлен из материала, называемого полупроводником, который может быть расположен в два слоя. Благодаря этому образуется переход, который позволяет электричеству легче течь в одном направлении, чем в другом, поэтому фотодиоды пропускают электричество, когда на них падает свет[80]. Кондиционер реагирует на полученный электрический сигнал, интерпретируя двоичный шаблон и следуя нашей команде. Двоичный шаблон для телевизора отличается от двоичного шаблона для кондиционера, именно поэтому им удается не путать друг друга. Кому-то во времена Милликена все это показалось бы чистым волшебством.

Свойства полупроводниковых материалов в сочетании с физикой фотоэлектрического эффекта позволили в 1940-х годах разработать широкий спектр электрических компонентов, которые в настоящее время производятся в огромных количествах по всему миру. Солнечные (или фотоэлектрические) элементы представляют собой тип фотодиода, который преобразует фотоны от Солнца в электрический ток, достаточно эффективный для питания домов и предприятий. Они позволили осуществить некоторые феноменальные человеческие начинания, такие как спутниковая связь и освоение космоса, но это не единственное их применение. Эти крошечные фотодиоды используются во множестве окружающих нас технологий.

Все эти датчики, включающие свет, когда вы входите в комнату, выдающие мыло, открывающие для вас двери, используют датчики приближения, которые отражают инфракрасный свет от объекта (вас) и обратно на фотодиод. Чем ближе что-то находится, тем больше света будет отражаться, что создает электрический ток. Это та же технология, которая используется в большинстве систем безопасности.

Причина, по которой фотоэлектрические устройства так полезны, заключается в том, что они выдают ток, пропорциональный количеству падающего на них света, – пока частота достаточна для испускания электронов, больше света означает больше электронов и, следовательно, больше тока. Это означает, что выходной сигнал является линейным и хорошо работает с другими нашими электрическими и электронными компонентами. Например, спортивные часы с GPS теперь используют фотодиоды в оптических пульсометрах для непрерывного измерения пульса владельца через его запястье. Зеленый свет просвечивает кожу, и с каждым сердечным циклом количество света, отраженного от кровотока под кожей, изменяется, фотодиод улавливает эти изменения, после чего алгоритм вычисляет и отображает частоту сердечных сокращений[81]. Ваш смартфон определяет, светло на улице или темно, и автоматически регулирует яркость экрана в зависимости от количества падающего на него света. Эта же технология используется для автоматического переключения приборных панелей автомобиля с дневного режима на ночной и управления диафрагмой и выдержкой на современной цифровой камере.

Косвенные области применения фотодиодов, применимы во всех лазерных измерениях, а это значит, что они нужны в процессе геодезической съемки и выравнивания для почти каждой дороги и почти каждого здания, для приема световых сигналов в сетях связи, использующих оптические волокна. Если у вас есть высокоскоростной доступ в интернет, эта сеть использует фотодиоды для преобразования сигналов из света обратно в электрические импульсы для передачи вам информации со всего мира. Их используют наши спидометры и одометры, а также системы обратной связи, которые обеспечивают бесперебойную работу двигателей электромобилей. Фотодиоды необходимы для управления положением, скоростью и операциями многих автоматизированных процессов на заводах.

Все это свидетельствует о нашем понимании фотоэлектрического эффекта и было бы невозможно без базовых знаний в области фундаментальной физики, пришедших из этих первых фундаментальных экспериментов. Исследования Милликена – вместе с двухщелевым опытом и данными об излучении абсолютно черного тела – дали физикам прочную основу для построения нового квантово-механического взгляда на реальность. Когда квантовая механика утвердилась, ее применение быстро вышло за рамки объяснения света. Квантовая механика – это теория, которая описывает всю материю.

После вклада Эйнштейна и Планка многие другие физики присоединились к развитию квантовой механики. С каждой новой проблемой, возникающей в физике, квантовая механика развивалась и выясняла, как ее решить. Это было особенно важно, когда речь заходила о природе материи. Модель атома Резерфорда – крошечное ядро и вращающийся электрон из главы 2 – казалась несостоятельной, когда физики поняли, что она должна быть нестабильной: электроны должны испускать излучение, двигаясь по направлению к ядру по светоизлучающей смертельной спирали. Но Нильс Бор, молодой датский физик-теоретик, решил эту проблему, использовав идею квантования для объяснения того, как электроны расположены вокруг ядра. Электроны могут обладать только определенными значениями энергии – их энергия также квантуется, что означает, что они вращаются на расстояниях от ядра в зависимости от их значений энергии[82]. Электроны могут перемещаться вверх или вниз между энергетическими уровнями, поглощая или испуская излучение в форме света (фотона), но они не могут находиться между этими уровнями. Существует также минимальное значение энергии электрона, когда он находится максимально близко к ядру.

Только в 1923 году французский аристократ Луи де Бройль, младший сын герцога де Бройля, продолжил то, на чем остановился Эйнштейн, задаваясь вопросом, почему физика по-разному трактует свет и материю. В своей докторской диссертации Луи де Бройль отметил, что квантовая физика, по-видимому, согласна с тем, что свет может вести себя как частицы, но в таком случае верно ли обратное? Могут ли материальные частицы вести себя подобно волнам? Как оказалось, да. Любая частица или материя – массивная, как протон, или легкая, как фотон, – также имеет волновую природу, и соотношение между энергией и частотой волны описывается формулой E = hf, где h (опять же) – постоянная Планка. Появившаяся теория, волновая механика, могла описать все виды нового поведения атомов и частиц. Она даже объяснила, что субатомные частицы не являются твердыми объектами, а просто имеют определенную вероятность быть обнаруженными в определенном состоянии или месте в любой момент времени.

В идею о том, что материя состоит из волн, трудно поверить. Когда вы ложитесь, вы не проваливаетесь сквозь пол; если вы попытаетесь пройти через прозрачную стеклянную дверь, то, как ни странно, у вас не получится это сделать. Все это заставляет нас верить, что наше тело – твердый объект, а материя, из которой оно состоит, представляет собой непрерывную, цельную поверхность. И все же мы сделаны почти полностью из ничего. Даже с учетом более раннего представления о том, что материя состоит из твердых частиц, где ядро и электроны имеют некоторый определенный размер, объем фактической материи в каждом атоме настолько мал, что если бы вы взяли всю материю каждого человека на Земле и собрали ее вместе, то вы могли бы поместить ее в пространство размером не больше кубика сахара. Но теперь, как мы видим, даже это не так просто, потому что «материя» – не абсолютно твердая. С появлением квантовой механики все изменилось.

Эти новые идеи вызвали ажиотаж не только в физике, но и во всем обществе. Это остро ощутил художник Василий Кандинский, который написал:

…разложение атома… отозвалось во мне подобно внезапному разрушению всего мира. Внезапно рухнули толстые своды. Все стало неверным, шатким и мягким. Я бы не удивился, если бы камень поднялся на воздух и растворился в нем. Наука казалась мне уничтоженной[83].

Материя не является определенной или детерминированной, она связана с вероятностями и волнами. Плотность материи – всего лишь следствие взаимодействия между волнообразными сущностями. Электронные волны, отталкиваясь от других электронных волн, заставляют вас постоянно парить немного выше поверхности, на которой вы сейчас сидите или стоите. Насколько нам известно, все, что происходит в мире, а также в нашем теле и разуме, возникает в результате этих мелкомасштабных взаимодействий. Это открывает совершенно новый взгляд на наших собратьев-людей.

Если это путает ваше чувство реальности, вы не одиноки. Вы испытываете то, что испытывали Милликен, Кандинский, Планк, Резерфорд, Бор и даже Эйнштейн, пытаясь это принять. Мы не осознаем корпускулярно-волновую природу материи, потому что мы не способны взаимодействовать с материей так, чтобы замечать это в повседневной жизни. Мы видим мир в человеческом масштабе, а не в квантовом. Мы не видим волнообразных свойств повседневных предметов, потому что длины волн настолько малы, что мы не можем их измерить. Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импульсу объекта – его массе, умноженной на его скорость, – поэтому, как только что-то имеет массу и энергию крикетного мяча, брошенного со скоростью 160 км/ч, его длина волны уменьшается всего до одной миллиардной миллиардной миллиардной доли микрометра (которую мы можем записать как десятичный знак, за которым следуют 33 нуля и затем единица, в научном обозначении – 1 × 10^–34 м). Когда мы переходим к масштабу людей, длины волн становятся еще меньше: объект – например, Усэйн Болт, бегущий дистанцию 100 метров, – имеет длину волны в 200 раз меньше длины волны мяча для крикета, примерно 5 × 10^–37 м[84]. Эти длины волн слишком малы, чтобы мы могли заметить волноподобное поведение, поэтому нам остается только использовать классическую физику, чтобы приблизительно оценить их движение, и это сойдет нам с рук. Но мы не можем этого сделать, когда переходим к таким объектам как атомы и частицы, и в этом масштабе все эксперименты, проведенные с момента открытия квантов, говорят нам, что квантовая механика права.

Но видели ли мы когда-нибудь волновую природу частиц? Безусловно, да. В 1925 году, вскоре после работы де Бройля, американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер из компании Western Electric (позже – Bell Labs) провели первый эксперимент по бомбардировке электронами (длина волны которых составляла примерно нанометр) кристаллической структуры никеля в металле и продемонстрировали, что электроны образуют интерференционные картины совсем как световые волны. Молекула диаметром всего в нанометр имеет длину волны де Бройля менее 1 пикометра (тысячная доля нанометра), и с ними тоже наблюдалась интерференция. Среди физиков существует что-то вроде соревнования за самый большой объект, который продемонстрирует интерференцию в эксперименте с двумя щелями. Нынешняя рекордсменка – Сандра Эйбенбергер, которая провела мастерский эксперимент во время своей докторской диссертации в 2013 году в Вене и наблюдала интерференцию у гигантских молекул, содержащих 800 атомов, которые содержат более 10 000 отдельных субатомных частиц[85]. В этом масштабе длина волны молекулы составляет около 500 фемтометров, что примерно в 10 000 раз меньше, чем сама молекула. Возможно ли создать интерференционные картины с живыми биологическими объектами, такими как вирусы или бактерии, что станет совсем новым полем для дискуссии о том, разрушит ли сознание волновую природу эксперимента или живые организмы также могут находиться в двух местах одновременно, когда они проходят через экран с двумя прорезями. Предполагается, что на осуществление такого эксперимента потребуется около 10 лет.

Один из ключевых моментов корпускулярно-волнового дуализма, который иногда ставит в тупик даже физиков, звучит так: проявляет ли отдельный электрон интерференцию – точно так же, как одиночные фотоны в двухщелевом опыте? Конечно, да. К тому времени, когда эти эксперименты были проведены в 1970-х годах, все предполагали, что это уже было доказано. Итальянская команда во главе с Джулио Поцци в Болонье и японская команда во главе с Акирой Тономурой[86]в компании Hitachi (два эксперимента были независимыми) даже не опубликовали свои результаты в физическом журнале, выбрав вместо этого образовательный журнал[87]. Так как они уже признали, что частицы имеют волновую природу, они не думали, что вообще открывают что-то новое. Просто к 1970-м годам у команд было оборудование, позволившее им провести эксперимент, – устройство, в работе которого лежит принцип корпускулярно-волнового дуализма и которое оказалось более распространенным, чем большинство из нас думает: электронный микроскоп.

Электронные микроскопы были впервые изобретены в 1930х годах, но в настоящее время вы можете купить одно из этих устройств примерно за 2–3 млн долл. у высокотехнологичного поставщика. Насколько они распространены? По всему миру их десятки тысяч. Через кампус от моей физической лаборатории в Мельбурнском университете домом таких устройств служит биологический институт под названием Bio21.

В здании чисто, светло, оно наполнено разным оборудованием, а ученые в белых халатах заполняют каждую комнату, но лаборатория электронной микроскопии представляет собой разительный контраст со стеллажами с коническими колбами и пробирками, раковинами и вытяжными шкафами. Электронный микроскоп – это цилиндрическое металлическое устройство высотой в несколько метров, оснащенное электронными стойками, которое занимает специально отведенное помещение. Зеленый луч перемещается по флуоресцентному экрану через смотровое окошко. Один компьютер управляет устройством и позволяет пользователям видеть изображения так же, как в обычный оптический микроскоп.

Многих разных исследователей, использующих эти микроскопы, объединяет потребность видеть крошечные объекты и то, как они взаимодействуют, вплоть до атомного масштаба.

К сожалению, это выходит за рамки возможностей обычных оптических микроскопов, которые могут измерять объекты лишь в пределах своего разрешения, которое составляет 200 нанометров, что соответствует увеличению в 2000 раз. В случае биологических молекул и даже некоторых электронных компонентов обычный микроскоп дает нечеткое изображение, потому что может увидеть только то, что того же размера, что и длина волны используемого света, или больше.

Используя электронный микроскоп, исследователи пользуются тем фактом, что частицы также имеют длину волны – длину волны де Бройля, – и чем выше энергия электрона, тем меньше длина волны. Это позволяет электронным микроскопам работать на длинах волн до пикометров, позволяя видеть объекты с точностью до нанометра – миллиардной доли метра – или даже меньше. Способность видеть в таком масштабе привела к взрывному росту применения «нанотехнологий» с конца 1980-х годов, позволив ученым и инженерам изучать и создавать атом за атомом структуры и соединения, используемые во всех отраслях – от производства текстиля и продуктов питания до разработки лекарств.

Квантовая механика и корпускулярно-волновой дуализм важны не только для физиков, изучающих атомы, – они также прямо влияют на химию и биологию. Квантовая механика оказывает прямое влияние на то, как молекулы формируются, взаимодействуют и связываются: это мотивация для исследований в области квантовой химии. В биологии многие фундаментальные жизненные процессы носят квантово-механический характер. Новая область квантовой биологии только начинает то, что не смогла классическая физика, а разнообразие процессов, для объяснения которых требуется квантовая механика, изумляет: от фотосинтеза до того, как птицы ориентируются во время миграции.

Все современные электронные устройства основаны на понимании квантовой механики. Эволюция от первых вакуумных ламп, с которыми мы столкнулись в начале книги, до транзисторов и микросхем, которые есть во всех современных телефонах, компьютерах, автомобилях и бытовой технике, завязана на квантовых эффектах. В частности, на том, что волноподобные электроны в кремнии могут принимать только определенные значения энергии, поэтому создают «энергетические уровни» – подобно электронам вокруг атома, – однако при объединении множества атомов в кристаллообразную структуру допустимые уровни энергии меняются[88]. Поскольку теперь мы понимаем физику этого процесса, мы можем очень точно управлять свойствами кремния, используя методы, с которыми познакомимся позже в этой книге.

Квантово-механическая природа света и материи также позволила нам создать лазеры, атомные часы (которые имеют решающее значение для наших навигационных систем GPS) и многие другие технологии, на которые мы полагаемся каждый день. Мы бы не узнали наш сегодняшний мир без применения этой теории.

Наши будущие технологии, вероятно, будут почти полностью основаны на квантовой механике. Квантовые вычисления становятся все полезнее, поэтому на физическом факультете Мельбурнского университета также установлен большой электронный микроскоп. Он используется для съемки тонких слоев алмаза на кремнии, в которые физики осторожно внедряют ионы гелия в процессе, называемом легированием. Физики используют эти методы для создания квантовых устройств, которые могут применяться в качестве основы для квантовых компьютеров. Электронный микроскоп – технология, появившаяся на заре нашего понимания квантовой механики, – используется для создания следующего поколения квантовых технологий, продолжая цикл обратной связи между исследованиями и технологиями.

Проблемы классической физики в конечном итоге привели к совершенно новому описанию природы в малых масштабах – квантовой механике. В разгар всего этого Роберт Милликен и его команда провели 12 разочаровывающих лет в лаборатории, совершенствуя свое мастерство, чтобы собрать эту первую важную информацию о деталях фотоэлектрического эффекта, показав, что безрассудная теория Эйнштейна оказалась правильной. Милликен не изобрел квантовую механику, но его эксперименты были важны для установления того, что квантово-механические теории действительно отражают реальность природы. Вот как прогрессирует знание. Не бывает внезапного момента вдохновения, но мы все равно пробираемся вперед в темноте, часто подолгу выискивая детали. В конце концов, все встает на свои места, и в нашем сознании начинает формироваться новый образ окружающего мира.

Сегодня мы празднуем квантовую механику как теоретический и концептуальный триумф, и это, несомненно, верно, но без экспериментов мы никогда бы не узнали, что квантовая механика на самом деле описывает поведение нашего мира. Мы бы никогда не смогли использовать ее – в практическом смысле – так, как мы это делаем сейчас. Из этих подробных и сложных экспериментов выросло наше понимание субатомного мира. Эти знания сыграли большую роль в создании электронных устройств, компьютеров, солнечных панелей и приборов, способных отображать объекты в масштабах, недоступных оптическим микроскопам, – и все это основано на странных последствиях того, что субатомный мир ведет себя не в соответствии с классической физикой.

Мы проследили, как несколько экспериментов развенчали классическую физику, опровергли идею атома как мельчайшей частицы материи и привели к совершенно новому взгляду на физику, в котором атомы, состоящие в основном из пустого пространства, могут изменяться со временем, свет может вести себя как частица, а частицы могут вести себя как волны. Рентгеновское излучение и электрон, радиоактивность и атомное ядро, а теперь и квантовая механика навсегда изменили наш мир. Но в запасе остались и другие неожиданности. Последние несколько глав мы изучали глубины материи, но пришло время поднять глаза. Обратим внимание на сюрпризы природы, которые буквально посыпались на ученых сверху.

Глава 4

Облачные камеры: космические лучи и ливни новых частиц

На горе Голливуд, за известным знаком, возвышается величественное белокаменное здание, из которого открывается вид на Лос-Анджелес. Это не особняк, а общественный музей: обсерватория Гриффита. Здесь посетители смотрят шоу в планетарии и рассматривают ночное небо в телескопы, исследуя свое место в космосе. Внутри, среди прохладного темного мрамора, находится серия экспонатов, один из которых – расположенный в квадратной коробке из плексигласа – содержит ключ к следующему шагу в нашем путешествии. Он неприметен, несколько затенен кусками метеорита, лунными камнями и огромным изображением ночного неба. Но любопытные посетители вознаграждаются завораживающим зрелищем: на черном фоне время от времени образуются крошечные следы конденсата, их около 20 каждую секунду. Они появляются внезапно, грациозно опускаются на полсекунды, а затем исчезают.

Устройство представляет собой облачную камеру[90], один из первых детекторов частиц, который позволяет людям видеть частицы, пролетающие мимо за стомиллионную долю секунды. Внутри остаются видимые следы, короткие треки, толщиной с карандаш, образованные альфа-частицами (ядрами гелия), и тонкие, легкие, похожие на паутину дорожки – в основном электроны (бета-лучи) или гамма-лучи. Они меньше атомов, объекты, которые мы не можем увидеть, потрогать или иным образом обнаружить нашими органами чувств. Но вот устройство, которое позволяет нам их видеть. Хотя мы не можем воспринимать эти частицы непосредственно – они слишком малы для этого, – благодаря облачным камерам мы можем увидеть эффект, который они оставляют после себя.

Эта версия камеры в обсерватории Гриффита называется диффузионной камерой, она была разработана в 1936 году американским физиком Александром Лангсдорфом – усовершенствованная облачная камера на основе оригинального изобретения начала 1900-х годов. Ее идея проста, но она изменила наше понимание фундаментальных составляющих природы. Вверху герметичной камеры собираются пары спирта, а затем опускаются на холодную металлическую пластину внизу. Падая и охлаждаясь, пар переходит в состояние, называемое перенасыщением, при котором любое малейшее возмущение приведет к образованию капель. Проносясь сквозь пар, заряженные частицы ионизируют его, оставляя достаточно энергии, чтобы образовать крошечную полоску облака, похожую на белый инверсионный след, который оставляет за собой реактивный самолет.

В этой главе мы проследим за историей облачной камеры – от ее скромного начала до расцвета в начале 1930-х годов, когда она способствовала ряду замечательных открытий, включая совершенно неожиданные новые частицы, которые изменили наш взгляд на материю. Новые частицы, которые даже не входят в атомы. Мы увидим, как этот новый детектор вывел экспериментаторов за пределы их подвалов и повел в горы открывать новые перспективы, подгоняя теоретиков и заставляя их мчаться наверстывать упущенное. Мы также увидим, как эти новые знания о материи позволили совершенно иным способом заглянуть внутрь пирамид и вулканов.

Новая эра открытий началась с, казалось бы, простого вопроса – того самого, который часто задают посетители обсерватории Гриффита, если находят время понаблюдать за непрекращающимся потоком треков частиц, проходящих через облачную камеру: откуда берутся все эти частицы?

В начале 1900-х годов ученые задавались почти таким же вопросом, пытаясь выяснить, откуда исходит дополнительное излучение, которое они наблюдают в своих приборах. Исследования радиации проводились в лабораториях Берлина, Вены и Кембриджа с использованием простого и довольно грубого устройства, называемого электроскопом. Одним из свойств, которое было легко предсказать, был так называемый закон обратных квадратов, согласно которому, если экспериментатор находится в два раза дальше от источника излучения, обнаруженный уровень снизится в четыре раза. По крайней мере, так предполагалось, но некоторые проницательные ученые заметили, что их приборы, по-видимому, улавливают некоторое дополнительное излучение. Почему радиации было больше, чем они ожидали? Без ответа на этот вопрос исследователи едва ли могли надеяться понять, что происходит в их экспериментах в лаборатории.

Ответ казался простым: излучение исходит из минералов в Земле. В своей работе по открытию радия и полония, которые использовались в качестве лабораторных источников, Мария Кюри, как известно, провела годы, работая в старом сарае, где измельчала и перерабатывала тонны минерала, называемого смоляной обманкой. Эти два новых элемента были ценным предметом для ученых, изучающих свойства излучения, и они происходили из самой Земли. Таким образом, по логике, именно эти минералы должны были создавать тревожный радиационный фон. Ответ казался ясным, как и способ его проверки. Если радиация исходила от Земли, ее должно быть меньше в атмосфере. Ученые подозревали, что примерно на высоте 300 метров излишняя радиация должна полностью исчезнуть.

Для молодого предприимчивого физика это стало бы прекрасным приключением. Все, что нужно, – это прибор для обнаружения радиации и высота. В начале 1900-х годов был только один способ достичь больших высот, если вы не альпинист: полет на воздушном шаре. По крайней мере, три разных исследователя быстро поднялись в небо в поисках фонового излучения, взяв с собой простые электроскопы[91], но все три эксперимента провалились. Движение шара сотрясало электроскопы, а изменение давления приводило к проникновению воздуха в устройство и проблемам с электрической изоляцией.

Электроскопы были популярны, потому что их мог дешево изготовить практически любой желающий. Все, что для этого требовалось, – это металлический стержень, установленный внутри герметичного контейнера, например банки, так, чтобы он был электрически изолирован. На конце стержня подвешивались два тонких кусочка золотой фольги. Когда заряженный предмет – например стеклянный стержень, натертый мехом, – касался электрода, заряд передавался вниз на золотые листья, которые разводились в стороны под действием сил электрического отталкивания, образуя перевернутую форму буквы V. Если бы устройство было идеально герметичным, листья навсегда остались бы в таком положении. Чтобы измерить излучение, вы просто заряжаете электроскоп, затем подносите к нему радиоактивный образец, который ионизирует часть воздуха внутри и заставляет листья терять свой заряд и медленно опускаться обратно навстречу друг другу. Скорость, с которой падают листья, преобразуется в количество радиации, воздействию которой подверглось устройство. Электроскопы явно предназначались для устойчивого лабораторного стенда, а не для того, чтобы использовать их на воздушном шаре.

После этих провалов и растущего замешательства немецкий священник-иезуит и физик Теодор Вульф понял, что решение заключается в создании более надежного электроскопа. В 1909 году Вульф изменил прибор, использовав вместо золотой фольги две тонкие проволоки с платиновым покрытием. Это оказалось гораздо более надежным решением. Вульф отправился в Париж, чтобы протестировать свой инструмент на двух разных высотах. Сначала он встал у основания Эйфелевой башни и измерил уровень радиации. Затем он поднялся на башню и на высоте 300 метров – как раз там, где, как ожидалось, излучения не будет, – обнаружил, что радиация сохраняется. Другие переняли его метод, но их результаты были столь же ошеломляющими. Итальянский физик Доменико Пачини решил для начала исследовать уровень радиации как можно глубже и взял электроскоп Вульфа под воду, где он ожидал обнаружить больше излучения, ведь его окружат минералы Земли. Он обнаружил обратное. Усовершенствованный электроскоп работал, но результаты оказались не такими, как предполагали ученые. Несколько физиков начали склоняться к мысли, что излучение исходит вовсе не от минералов в Земле.

Среди них был двадцатидевятилетний австрийский физик Виктор Гесс, который понял, что это его шанс. Он нанял пилота воздушного шара, завернулся в шерстяное пальто и поднялся в небо с поля у Вены. Воздушный шар взлетел более чем на 5300 м, что значительно выше базового лагеря Эвереста. К своему воздушному шару Гесс прикрепил два новых электроскопа Вульфа, специально приспособленных для работы с перепадами температуры и давления. Несмотря на разреженный воздух и температуру около –20 градусов по Цельсию, ему удалось получить точные измерения и в конце концов спуститься.

Гесс был не первым, кто поднимался на такие высоты или пытался измерить уровень радиации в атмосфере, но он был первым человеком, который смог получить надежный результат. Вернувшись на землю, Гесс просмотрел то, что записал. По мере того как он поднимался, количество радиации сначала немного уменьшилось, но затем начало расти и расти, пока не стало ясно, что на больших высотах радиации гораздо больше, чем на малых. Излучение не могло исходить с Земли – оно должно было исходить из-за пределов атмосферы. Но откуда? Гесс совершил еще один подъем на воздушном шаре во время солнечного затмения, чтобы исключить Солнце как возможный источник. Он измерял совершенно новый источник радиации. Теперь Гесс, Вульф, Пачини и другие физики поняли, что излучение можно обнаружить не только в минералах или в лаборатории. Излучение шло прямо из космоса.

Обнаруженная Гессом радиация, названная космическими лучами[92], разрешила загадку излишнего излучения, которая мучила физиков более 15 лет, но при этом полностью изменила их представление о том, где можно это излучение найти. Когда я говорю «излучение» в этом контексте, я имею в виду ионизирующее излучение, обладающее достаточной энергией для высвобождения электронов из атомов. Это включает в себя три типа излучения, известных ученым на данный момент: альфа-излучение (ядра гелия), бета-излучение (электроны) и гамма-излучение (высокоэнергетический свет). Где-то в космосе в результате бурных и сильных взаимодействий испускается излучение, достаточно мощное, чтобы преодолеть огромные расстояния, пройти через атмосферу и опуститься на Землю. Но где именно? Как образуется это излучение? Это новый или уже знакомый нам тип радиации? Взаимодействует ли она с атмосферой или проходит прямо сквозь нее? Гесс обнаружил космические лучи, но он мало что мог сказать об их природе. Был необходим инструмент, позволяющий больше узнать о радиации – как от космических лучей, так и в лабораториях на Земле.

Чего Гесс и его коллеги действительно хотели, так это какого-то способа увидеть излучение, что было особенно сложно, потому что оно, по большей части, невидимо. И все же они знали, что физика сделала видимыми другие части природы с помощью хитроумных инструментов. Например, глубины космоса нельзя было увидеть до того, как телескоп позволил собирать слабый свет, расширяя представление о Вселенной и нашем месте в ней. Биологические процессы также были невидимы, пока не появились первые микроскопы, открывшие взору мир микроорганизмов, что привело к невероятным открытиям и пониманию передачи болезней и формирования самой жизни. Теперь, в начале 1900-х годов, физики оказались на аналогичной грани, нуждаясь в прорыве в своей способности визуализировать излучение.

Чарльз Вильсон был застенчивым шотландским физиком, который начал свою научную карьеру примерно в то время, когда было открыто излучение. Его наследие сыграло важную роль в развитии его идей, прежде всего потому, что Шотландия оказалась почти идеальным местом для изучения облаков. В 1894 году, в возрасте 25 лет, Вильсон отправился в Форт-Уильям к самой высокой горе на Британских островах – Бен-Невис.

355 дней в году четко очерченная вершина Бен-Невиса окутана предательским туманом, но Вильсон узрел нечто вроде чуда: беспрецедентный период хорошей погоды. Он успешно поднялся на Бен-Невис и пробыл там две недели, работая волонтером на метеорологической станции. Несмотря на то что он работал в Кавендишской лаборатории в Кембридже, его первой любовью была не физика, а метеорология. С вершины облака были в основном под ним, и с этой выгодной точки он наблюдал за светом, танцующим на облаках, и формированием цветных колец, называемых «глориями», образующихся в тени горы, на которой он стоял. Он был очарован этими эффектами и хотел воспроизвести и изучить их в лаборатории. Поэтому его первой задачей было выяснить, как создать облака.

Вернувшись в Кембридж, Вильсон начал свой эксперимент. Для этого он использовал перевернутый стакан внутри большой стеклянной банки, наполненной водой, и ряд стеклянных трубок и клапанов, соединенных со второй банкой, находящейся в вакууме. Чтобы управлять камерой, Вильсон тянул за проволоку, выталкивая маленькую пробку, которая позволяла воздуху в стакане расширяться, опуская давление и снижая температуру[93]. Любой, кто открывал бутылку с газировкой и видел, как на крышке образуется туман с шипящим звуком, может представить, что наблюдал Вильсон. Поскольку воздух расширяется при падении давления, он становится перенасыщенным. При благоприятных условиях влага в воздухе конденсируется на частицах пыли и образует мелкие капли, создавая облако. Вильсон успешно воспроизвел это в лаборатории и собирался перейти к воссозданию световых эффектов, которые он наблюдал с вершины Бен-Невиса, но обнаружил то, чего не предполагал: даже в обеспыленном воздухе продолжали образовываться облачные капельки.

Как такое возможно? Чтобы образовались облака, необходимо какое-то возмущение, инициирующее образование капель; технически говоря, должны были быть какие-то ядра конденсации. До сих пор это была пыль. Но что было причиной образования капель в воздухе, свободном от пыли? Из своих более ранних экспериментов Вильсон смог определить, что возмущение вызывало что-то небольшое, возможно, размером с молекулу или атом, что натолкнуло его на идею о том, что капли образуются на ионах внутри камеры. Если это действительно так, он мог бы найти способ сделать атомы или молекулы видимыми и подсчитать их.

Вильсона не интересовали наблюдения за радиацией: она была очень новым и не совсем понятным явлением.

Он выдвинул свою гипотезу: ионы в воздухе ответственны за образование облаков. Он перестроил свой эксперимент с помощью более сложной установки, предназначенной для еще более быстрого расширения. Подготовив новый эксперимент, Вильсон схватил примитивную рентгеновскую трубку и направил ее на камеру. Он обнаружил, что при правильных условиях рентгеновские лучи создают большое количество капель, усиливая эффект, который он видел ранее. Наличие электрических зарядов вызвало образование облаков. Его догадка подтвердилась: рентгеновские лучи создавали ионы в воздухе, и эти ионы создавали ядра конденсации.

Вильсон работал над своей гипотезой, пока другие физики поднимали электроскопы на воздушных шарах и пытались разгадать тайну космического излучения. Он не был в неведении относительно достижений в области радиации – в конце концов, он, должно быть, ежедневно видел Эрнеста Резерфорда и Дж. Дж. Томсона. В какой-то момент в 1901 году он настолько заинтересовался новыми веяниями в физике, что тоже решил поискать фоновое излучение с помощью электроскопа, который установил ночью в тоннеле Каледонской железной дороги. Как и другие, он искал излишнюю радиацию от минералов Земли, но не увидел заметной разницы между радиацией в тоннеле и в своей лаборатории[94]. Вильсон снова переключил внимание на свою более многообещающую работу, предоставив другим разбираться с таинственным излучением.

Кажущееся отсутствие интереса Вильсона к радиации и его странный эксперимент по созданию облаков придавали ему некий ореол загадочности в Кавендишской лаборатории. Он проводил дни, занимаясь тщательной и сложной выдувкой стекла, которое очень часто ломалось. Студенты и сотрудники сопереживали ему, поскольку все они когда-то обучались стеклодувному делу в так называемой «детской лаборатории» – специальной лаборатории, где студенты-исследователи изучали замысловатые принципы создания устройств, таких как электрометры, прежде чем приступить к воспроизведению известных экспериментов. Многие из них позже с нежностью вспоминали фоновый звук выдувания стекла Вильсоном, который стал почти саундтреком к их работе в Кавендише.

Научная стеклодувная мастерская сегодня большая редкость, поэтому нам трудно оценить, как много навыков требовало проведение эксперимента, подобного облачной камере, до появления автоматизированного проектирования и фрезерных станков, которые мы используем для проведения современных опытов. Требовались годы, чтобы освоить необходимые методы, но характерные для Вильсона терпение и мягкость позволили ему создать то, что Резерфорд назвал «самым оригинальным и замечательным инструментом в истории науки»[95].

Кустарное изготовление стеклянного компонента требовало нагрева стекла до нужной температуры. В одной руке Вильсон держал паяльную лампу: для создания достаточного количества тепла, чтобы стекло расплавилось именно так, как ему было нужно, он немного открывал газ, заставляя горелку издавать безошибочно узнаваемый свист – звук, который позже многие с ним ассоциировали. Точно в нужный момент он выдувал ртом воздух через трубу, расширяя стеклянный сосуд с нужной силой, обрабатывая расплавленное стекло ножами и другими инструментами[96].

Это был жаркий и физически трудоемкий процесс, но всего за пару минут Вильсон мог искусно придать стеклу форму сферической колбы или спирали. Основными элементами его облачных камер были цилиндры, которые должны были идеально подходить друг другу, что часто требовало часов кропотливой шлифовки стекла после его охлаждения. Безусловно, самым коварным процессом было соединение всех частей вместе, когда каждый компонент мог разрушить всю конструкцию. Чаще всего весь эксперимент заканчивался тем, что стекло разбивалось. Вильсон, в отличие от Резерфорда, избегал ругательств в адрес своего аппарата. Он только тихо приговаривал: «Боже, боже», – и начинал сначала.

Сегодня ранние облачные камеры Вильсона хранятся в музее в Новой Кавендишской лаборатории в Кембридже, и на первый взгляд они выглядят довольно примитивно. Их простота создает впечатление, что это были легкие дни открытий, когда любой мало-мальски приличный физик мог сделать революционное открытие о Вселенной. Но как только мы поймем, какой уровень мастерства и терпения требуется, чтобы создать что-то полезное из стекла в начале 1900-х годов, Вильсон и его коллеги-экспериментаторы начинают казаться совершенно исключительными людьми. С помощью этого нового мощного инструмента были сделаны открытия, которые навсегда изменили наш взгляд на материю.

Когда Вильсон впервые разработал камеру, было далеко не ясно, можно ли использовать это устройство для сколько-нибудь серьезного количественного исследования излучения, даже если оно, по-видимому, реагирует на рентгеновские лучи. Только после того как Резерфорд определил природу альфа– и бета-излучения, Вильсон вернулся к облачной камере в 1910 году, на этот раз с новой энергией и амбициозной целью. Он планировал сделать камеру полезным инструментом для наблюдения заряженных частиц.

В 1911 году, через 15 лет после изобретения облачной камеры, Вильсон стал первым человеком, который увидел и запечатлел движение отдельных альфа– и бета-частиц. Он усовершенствовал устройство таким образом, что теперь заряженные частицы создавали белые следы, которые можно было подсветить и сфотографировать. Он описал эти следы, оставляемые электронами, как «маленькие пучки и нити облаков»[97]. Вильсон показал фотографию следов альфа-частиц австралийско-британскому физику У. Г. Брэггу, который первым предсказал, что альфа-частица должна сначала постепенно замедляться, а затем резко остановиться, взаимодействуя с наибольшей силой в конце своего пути, создавая облачный след, все более заметный и плотный по мере окончания движения частицы. Вильсон и Брэгг обнаружили, что «сходство между фотографией и идеальной картиной Брэгга было поразительным»[98].

Исследователи по всему миру медленно, но неуклонно внедряли в свои лаборатории облачные камеры, внося в них изменения, чтобы они стали еще более полезными. К концу 1920-х годов большинство облачных камер размещались между полюсами большого магнита, заставляющего изгибаться следы от заряженных частиц. Положительная частица изгибалась в одном направлении, отрицательная – в противоположном, и высокоэнергетическая частица изгибалась меньше, чем низкоэнергетическая. С помощью тщательных измерений исследователи смогли определить электрический заряд и энергию частиц. В лаборатории они узнали, как выглядят различные частицы в облачной камере, и смогли определить их свойства.

Идеи о взаимодействии частиц, родившиеся в ходе мучительных долгих экспериментов, теперь можно было увидеть воочию. Настало время применить эту новую технику для понимания природы космических лучей.

В Калифорнийском технологическом институте (Калтех) в Пасадене Роберт Милликен, переехавший туда из Чикаго в 1921 году после своих экспериментов по фотоэлектрическому эффекту (глава 3), призвал своего бывшего аспиранта Карла Андерсона использовать облачную камеру для проведения новых исследований по космическим лучам. В 1929 году советский ученый Дмитрий Скобельцын обнаружил в облачной камере несколько треков, которые вообще почти не изгибались[99], что указывало на то, что они обладали огромной энергией – более 5000 МэВ, что в 1000 раз превышало лабораторные радиоактивные источники. Они были не просто энергичны: они появлялись в неожиданных группах по два, три или более лучей и, казалось, исходили из точки за пределами камеры. Результаты работы Скобельцына показали, что облачная камера поможет узнать что-то новое и захватывающее о космических лучах.

Андерсон, сын шведских иммигрантов, еще будучи школьником в Лос-Анджелесе, решил, что хочет стать инженером-электриком, несмотря на то что в его семье ни у кого не было опыта работы в технических областях. Учитель посоветовал ему поступить в Калифорнийский технологический институт, где Андерсон понял, что физика – это гораздо больше, чем просто шкивы и рычаги. Он решил сменить специальность и никогда не оглядывался назад[100]. Он уже использовал облачную камеру при подготовке своей дипломной работы с Милликеном и обнаружил, что использование паров спирта вместо водяного пара делает следы намного ярче и их легче фотографировать. Он начал строить новую облачную камеру.

Андерсон нашел мотор-генератор в отделе аэронавтики и сконструировал весь аппарат вокруг него. Не было денег на сложные инженерные разработки – только-только началась Великая депрессия, – так что его эксперимент выглядел устрашающе, но все же работал. Облачная камера была в сердце устройства, окруженная медными трубами, по которым проводилось электричество для создания большого электромагнита. Трубы были полыми, по ним текла вода, чтобы магнит не расплавился. Вместе с железными полюсами, необходимыми для направления магнитного поля, устройство было размером с небольшой автомобиль и весило около 2 тонн. Сама камера была видна через отверстие в одном конце магнита, через которое она могла фотографировать облачные следы. Чтобы управлять устройством, Андерсону приходилось неоднократно создавать очень быстрое расширение паров спирта, что он и делал с помощью подвижного поршня, в результате чего при каждом срабатывании устройства раздавался громкий хлопок. Остальная часть кампуса Калтеха содрогалась от грохота, доносящегося с крыши здания, где был собран аппарат. К счастью для остальных жильцов, Андерсон проводил эксперимент только в ночное время, потому что для него требовалось 425 кВт электроэнергии – значительная часть энергопотребления всего кампуса.

Просматривая полученные фотографии, Андерсон обнаружил, что примерно на 15 из 1300 фотографий были видны следы, соответствующие положительно заряженным частицам. Но следы были слишком длинными для самой легкой из известных положительно заряженных частиц – протона. Что это за, казалось бы, новая частица?

Частицы на его фотографиях имели одну единицу положительного заряда и массу, подобную массе электрона. Сначала он просто назвал их «легко отклоняемыми положительными частицами», но к моменту написания статьи пришел к удивительно смелому выводу. Андерсон полагал, что обнаружил совершенно новый тип фундаментальной частицы, которую он назвал позитроном[101].

Чего Андерсон не знал, так это того, что за пару лет до этого, в 1928 году, британский физик Поль Дирак предсказал существование позитронов, исходя из одной математической интуиции. В надежде получить представление об атоме для описания объектов, которые движутся очень быстро, Дирак объединил две самые обсуждаемые новые теории в физике: теорию квантовой механики для описания очень малых объектов со специальной теорией относительности Эйнштейна. Полученное им уравнение, известное просто как уравнение Дирака, многие считают самым красивым в физике. Помимо прочего, оно сумело предсказать и открытие Андерсона. Точно так же, как квадратный корень из четырех может иметь решение +2 или –2, уравнение Дирака предполагало, что должны существовать частицы, идентичные электрону, то есть имеющие ту же массу, но с противоположным электрическим зарядом. Дирак не был уверен в физических проявлениях своей теории, но она предсказывала, что у каждого известного типа частиц должна быть ее противоположная версия, которая стала известна как антиматерия (или антивещество)[102].

Так случилось, что Дирак дружил с одним из физиков-экспериментаторов из Кавендишской лаборатории – Патриком Блэкеттом, который затем вместе с физиком итальянского происхождения Джузеппе Оккиалини продолжал совершенствовать технику облачной камеры. Когда Дирак выдвинул свою новую теорию, он поделился ею с Блэкеттом, и вместе они выяснили, что если бы позитрон появился в магнитном поле облачной камеры, то он оставил бы след, который выглядел бы идентично следу электрона, но изгибался в противоположном направлении. Почти за три года до работы Андерсона они просмотрели снимки облачной камеры Блэкетта из экспериментов с радиоактивными источниками. Дирак полагал, что есть множество доказательств существования позитронов, но Блэкетт считал эти доказательства слишком неопределенными, чтобы их публиковать. Он утверждал, что это могут быть электроны, пришедшие извне, которые случайно столкнулись таким образом, что стали похожи на позитроны. У них не было возможности определить разницу между этими своенравными электронами и реальными позитронами, не проводя повторных экспериментов[103].

Блэкетт, возможно, насторожился еще и потому, что идея Дирака была не совсем хорошо воспринята. Некоторые из великих ученых того времени, мягко говоря, не доверяли идее о том, что наша Вселенная состоит из двух типов материи: «обычной» и зеркальной ей, из антивещества. Австрийский физик Вольфганг Паули, один из пионеров квантовой теории, назвал эту идею «бессмыслицей», а Нильс Бор (глава 2) был «крайне скептичен»[104]. Вернер Гейзенберг, немецкий физик-теоретик, создавший большую часть квантовой механики, включая принцип неопределенности, заявил в 1928 году, что «самой печальной главой современной физики была и остается теория Дирака»[105]. Блэкетт вернулся к вычислениям, чтобы определить, действительно ли у них есть доказательства экстраординарной теории Дирака, но пока он размышлял над проблемой, до них дошла новость о том, что Андерсон открыл позитрон.

Андерсон был слишком занят своим экспериментом, чтобы читать статьи Дирака. Возможно, внимание к нему было вполне обоснованным, учитывая, что ему удалось опередить Блэкетта и Оккиалини в открытии позитрона. Однако его результаты горячо обсуждались сообществом физиков, поскольку несколько отдельных фотографий казались скудными доказательствами для столь экстраординарной теории. Кембриджская команда ухватилась за эту мысль и поняла, что у них есть преимущество. Вместо того чтобы собирать тысячи фотографий в надежде, что на нескольких из них может быть что-то интересное, как это сделал Андерсон, Блэкетт и Оккиалини разработали метод, как добиться примерно 80%успеха в захвате интересных частиц, проносящихся через камеру. Для этого они разработали электрический метод «запуска» камеры, поместив счетчик Гейгера над и под устройством так, что если оба счетчика обнаружат частицу примерно в одно и то же время, то камера будет сфотографирована. К 1932 году у них были и метод, и необходимость продолжить работу Андерсона в своих лабораториях.

Блэкетт и Оккиалини быстро подтвердили существование позитронов, и благодаря своим богатым данными наблюдениям они смогли глубже вникнуть в детали. Они наблюдали множество случаев, когда электроны и позитроны обнаруживались на фотографиях вместе. На самом деле, на фотографиях, казалось, было одинаковое количество электронов и позитронов: обычная материя и антивещество создавались в равных количествах. Блэкетт и Оккиалини наблюдали этот процесс в действии, когда высокоэнергетические гамма-лучи (присутствующие в космических лучах) проникали в камеру, одновременно создавая электрон и позитрон в процессе, известном как рождение пар. Это было первое наблюдение превращения фотонов (гамма-лучей) в материю (электроны и позитроны) – процесс, предсказанный сочетанием квантовой механики и теории относительности Эйнштейна. Существование этих взаимодействий выявило второе ослепительное следствие уравнения Дирака, которое в то время только начинало осознаваться теоретиками: антивещество и вещество могут аннигилировать друг с другом при соприкосновении, превращая свою массу в энергию, излучаемую в виде света. Другими словами, масса может быть преобразована в энергию – и наоборот. Они собрали так много фотографий позитронов и рождения пар, что научный мир больше не мог сопротивляться выводам из теории Дирака. Как ни странно, антивещество реально.

Вместо того чтобы переписать историю и приписать себе какое-то озарение, Андерсон прямо заявлял, что «открытие позитрона произошло совершенно случайно»[106]. Это было одно из тех открытий, которые и так уже созрели и вскоре бы произошли в другом месте, если бы он не сделал его первым. Вместе с Виктором Гессом Андерсон получил Нобелевскую премию в 1936 году в возрасте 31 года, став самым молодым ученым, когда-либо получившим Нобелевскую премию по физике. Чарльз Вильсон получил премию в 1927 году за изобретение облачной камеры, а Дирак – в 1933 году[107].

С первой попытки Андерсон добился значительного прогресса в работе с облачной камерой и исследовании космических лучей. Но это было только начало пути. Открытие позитрона намекало на то, что исследование космических лучей приведет к новым знаниям: космические лучи могут быть использованы для обнаружения доселе неизвестных частиц, и природа богаче и изобильнее, чем мы могли подумать.

Позитронный эксперимент показал, что можно обнаружить на уровне земли, но о самих космических лучах все еще мало что было известно. В 1935 году Андерсон отправился в новое приключение с облачной камерой, на этот раз уже со своим студентом-дипломником Сетом Неддермейером. Чтобы изучить космические лучи на большой высоте, Андерсон и Неддермейер решили подняться на гору Пайкс-Пик в Колорадо. Их план предусматривал работу на высоте 4300 метров, где уровень кислорода составляет всего 60 % от уровня моря, что подвергало ученых риску высотной болезни. Климат на Пайкс-Пик тоже негостеприимный: снег падает почти весь год, а когда дует ветер, что случается довольно часто, он может достигать скорости до 160 км/ч. И – в довершение всех бед – у Андерсона и Неддермейера по-прежнему почти не было средств.

Им удалось наскрести денег, чтобы купить бортовой грузовик за 400 долларов, установить на него свое устройство и отправиться через всю страну к Пайкс-Пик. Все шло гладко, пока они не начали подъем. Из-за большого веса и низкого уровня кислорода старый грузовик не смог подняться в гору. Их спасли и отбуксировали. Когда они в конце концов добрались до вершины, то поняли, что им не хватает электричества для питания приборов, поэтому они купили другую машину и использовали ее двигатель в качестве генератора.

Когда все, наконец, было запущено, два физика делали снимки в течение шести долгих недель. Затем они проявляли фотографии, чтобы получить хоть какой-то намек на то, что же они снимали. На холодной и темной горе они изучали изображения в поисках электронов, позитронов, протонов и альфа-частиц. В то же время они продолжали находить следы частиц, которые выглядели очень похожими на электроны, но казались примерно в 400 раз тяжелее и имели как положительные, так и отрицательно заряженные версии. Эти частицы не были протонами – они были слишком легкими, – и они также не были недавно открытыми позитронами. Оставалось сделать только один вывод: они открыли еще один новый тип частиц.

Теперь мы называем эти частицы мюонами. Они обладают точно такими же свойствами, что и электроны (или позитроны в случае антимюонов), но тяжелее по массе. Время их жизни очень мало: мюоны распадаются за 2,2 миллионных доли секунды, превращаясь в электроны[108]. Когда высокоэнергетические космические лучи попадают в атмосферу, их столкновения создают ливни новых частиц, огромное количество которых – это мюоны. Каждую минуту каждого дня около 10 000 мюонов бомбардируют каждый квадратный метр поверхности Земли (каждую минуту несколько из них проходят через вашу голову), и все же мы не можем увидеть, почувствовать или иным образом обнаружить их без специального оборудования. На высоте их даже больше, чем внизу, на уровне моря.

В отличие от электронов, протонов и других частиц, у существования мюонов, казалось, не было очевидной практической причины. Мюоны – фундаментальные частицы, то есть они не состоят из других частиц, но они и не составляют никакую часть обычной материи вокруг нас. Узнав о мюоне, один физик того времени спросил: «Кто это заказывал?»[109]. Причина их существования была и остается полной загадкой. Глубина и сложность субатомного мира только начала представать перед физиками во всей своей красе.

Одна идея о том, что такое мюон, иллюстрирует теоретическое понимание 1935 года. Молодой японский теоретик Хидэки Юкава за год до открытия мюона предположил, что сила, удерживающая ядро вместе, – сильное ядерное взаимодействие, – обусловлена частицей с массой, примерно в 200 раз превышающей массу электрона. Эту предлагаемую частицу он назвал мезоном – от греческого слова, означающего «промежуточный», потому что он предсказал, что мезон должен иметь массу где-то между электроном и протоном[110].

Сначала некоторые физики думали, что мюон и есть мезон Юкавы, но вскоре они поняли, что этого не может быть, поскольку мезон должен сильно взаимодействовать с материей. Мюон, с другой стороны, проходит прямо сквозь листы свинца и других материалов.

Чтобы получить самую выгодную позицию и самые точные данные, иногда приходилось идти на в высшей степени смелые эксперименты, которые раздвигали границы технологий. Эксперимент Андерсона с облачной камерой позже был еще раз воспроизведен на борту военного самолета B-29 с целью изучения космических лучей на большой высоте[111], но технические проблемы были настолько велики, что эксперимент не дал никаких особых результатов. Со временем стало ясно, что частицы, составляющие материю нашего повседневного существования, – лишь часть скрытого мира. За его пределами есть гораздо, гораздо больше всего.

Сначала открытие излучения изменило наш взгляд на материю, указав на ее постоянное изменение, теперь же космические лучи начали разрушать идею о том, что атомы – единственная форма материи. Мюон был только началом.

Подниматься на большую высоту для обнаружения космических лучей до того, как они вступят во взаимодействие с атмосферой Земли, становилось все более важным по мере накопления новых знаний о космических лучах и новых частицах. Как показали эксперименты с B-29, для высокой точности требовался более надежный тип детектора, чем облачная камера. Многие физики усердно работали над созданием нового детектора. В отличие от сложных поршней и камер, используемых в облачных камерах, ядерные эмульсии были пассивными детекторами без движущихся частей. По сути, это был особый тип фотопластинки с кристаллами галогенида серебра, взвешенными в желатине и чувствительными к прохождению заряженных частиц. Ядерные эмульсии показали себя надежнее облачных камер и гораздо менее обременительными в работе: их можно было оставлять без присмотра, пока они накапливали данные, в течение нескольких месяцев, и даже можно было без проблем запускать высоко в атмосферу.

Метод использования этих эмульсий для изучения космических лучей был разработан австрийским физиком Мариеттой Блау во время ее неоплачиваемой работы в престижном Институте радия в Вене. Она получила докторскую степень в Вене в 1919 году, работая под руководством Франца Экснера и Стефана Мейера – оба были сторонниками женщин-ученых[112]. Свою многообещающую карьеру она начала во Франкфуртском университете, где преподавала радиологию студентам-медикам и публиковала исследования по фотоэмульсиям для рентгеновских лучей и видимого света. Когда в 1923 году она вернулась в Вену, чтобы ухаживать за больной матерью, она взяла на себя неоплачиваемую работу в Институте, поскольку не могла найти ничего другого, живя за счет грантов и преподавания в колледже.

Исследования Блау в Вене объединили то, что она узнала во Франкфурте, с ее знаниями о развивающейся области ядерной науки и показали, что фотографические эмульсии могут быть использованы для изучения космических лучей. Блау сотрудничала с производителем эмульсий Ilford над созданием чрезвычайно толстых версий, которые лучше подходили для регистрации частиц. Со своей бывшей студенткой Гертой Вембахер в течение четырех месяцев она проводила эксперимент на исследовательской станции Хафелекар в Австрийских Альпах. Результаты показали замечательное новое открытие «раскалывающихся звезд», оставшихся после того, как космические лучи столкнулись с тяжелыми ядрами внутри эмульсии и заставили их взорваться в звездообразные массивы треков частиц.

К сожалению, работа Блау очень скоро была прервана. Она была еврейкой и накануне аншлюса 1938 года бежала из Австрии и поселилась у новатора химии Эллен Гладиш в Осло, позже переехала в Мексику и затем с помощью Эйнштейна – в Соединенные Штаты. Тем временем ее коллега Вембахер, член нацистской партии, продолжала публиковать их результаты, но не ссылалась на вклад Блау.

В Азии методику Блау переняла другая женщина, Бибха Чоудхури, индийская исследовательница, получившая степень магистра физики в 1934 году. Это все еще было редким достижением для женщины в любой точке мира, в том числе и в Индии. Когда Чоудхури впервые попробовала присоединиться к исследовательской группе Д. М. Бозе, ей сказали, что у него не было проектов, подходящих для женщин. Она упорствовала, и с 1939 по 1942 год Чоудхури и Бозе проводили исследования космических лучей, на несколько месяцев оставляя фотоэмульсии на больших высотах в горах близ Дарджилинга, Сандакфу и прочих мест. Эмульсии надо было тщательно проявлять и обрабатывать, что могло занять месяцы работы с микроскопом. Чоудхури и Бозе обнаружили доказательства существования двух новых субатомных частиц с массами, примерно в 200 и 300 раз превышающими массу электрона. Мы уже знакомы с одной из них – мюоном, но второй – новенький в нашей истории: пион. Существует три типа пионов (положительный, отрицательный и нейтральный), о которых мы поговорим подробнее в следующих главах, когда будем разбираться в новых частицах и силах, с помощью которых они взаимодействуют.

Несмотря на то что Чоудхури первой обнаружила частицу, ее вклад не был признан научным сообществом. В 1947 году британский физик Сесил Пауэлл (совместно с Джузеппе Оккиалини) использовал тот же метод, хотя и с улучшенными эмульсиями, чтобы продемонстрировать существование пиона. В 1950 году Нобелевский комитет присудил Пауэллу премию по физике «за разработку фотографического метода исследования ядерных процессов и открытие мезонов, осуществленное с помощью этого метода»[113], но Чоудхури не получила Нобелевскую номинацию. Причина, по которой ее эксперимент не рассматривался Нобелевским комитетом как открытие пиона, по-видимому, связана с тем, что качество использованных ею эмульсий не могло однозначно подтвердить полученные результаты, что было вызвано проблемами с поставками во время Второй мировой войны[114]. Но достаточно беглого поиска, чтобы найти ссылку Пауэлла на ее исследования в одной из его ключевых работ[115] и признание приоритета ее работы в его книге об элементарных частицах[116].

Блау несколько раз номинировалась на Нобелевскую премию по физике за изобретение метода фотоэмульсии, который научное сообщество, включая Пауэлла, признало необходимым для их прогресса в понимании космических лучей. Ее изобретение, произведенное в больших количествах фирмами Ilford и Kodak, привело к широкому использованию фотографических эмульсий и сыграло важную роль в открытии Пауэллом пиона. Однако предвзятые сообщения о ее вкладе и откровенно негативная оценка одного из членов Нобелевского комитета[117] стали причиной того, что Блау тоже осталась незамеченной.

Ситуации с Блау, Чоудхури и другими не аномальны. На протяжении всей истории было множество случаев непризнания или отрицания вклада женщин в науку, у этого эффекта даже есть свое собственное название: эффект Матильды. Это название было придумано в 1993 году историком Маргарет Росситер[118], оно отсылает к американской суфражистке Матильде Дж. Гейдж, которая в конце XIX века первая описала этот феномен. Росситер надеялась, что, дав эффекту название, она вдохновит историков, социологов и – хотелось бы надеяться – самих ученых рассказывать больше историй о систематически забытых женщинах в науке или работать над тем, чтобы лучше осветить их вклад.

Команды физиков по всему миру продолжали изучать космические лучи с помощью облачных камер и фотоэмульсий в течение следующих двух десятилетий, постепенно выясняя их свойства. Известно, что космические лучи имеют внеземное происхождение, и все же даже сейчас, почти столетие спустя, их образование плохо изучено. Информация от Космического телескопа Ферми предоставляет доказательства того, что они могут образовываться в сверхновых и набирать высокую энергию в гравитационных полях около черных дыр. Как бы они ни образовывались, мы знаем, что в основном они состоят из протонов с очень высокой энергией. Эти протоны проносятся сквозь атмосферу Земли и сталкиваются с атомами в воздухе, создавая лавину других частиц: мюоны и позитроны как раз-таки и есть эти «вторичные» частицы. Почти все протоны и многие вторичные частицы либо взаимодействуют с воздухом, либо распадаются (жизненный цикл мюонов составляет 2,2 микросекунды[119]) до достижения земли, поэтому первые исследователи отмечали меньшее количество космических лучей на уровне земли.

Космические лучи несут в себе огромное количество энергии – настолько большое, что они легко разбивают атомы на части. Если это произойдет в нужном месте, как поняла Мариетта Блау, ученые смогут наблюдать за результирующими фрагментами этих столкновений и узнать о природе атома и других частиц. Теперь мы знаем, что многие космические лучи прошли световые годы через Вселенную, принося с собой информацию о том, что находится в астрономических системах, таких как нейтронные звезды, сверхновые, квазары и черные дыры.

Здесь, на Земле, мы совершенно не обращаем внимания на ливень космических лучей, и все же около 100 из них проходят через наши тела каждую секунду. Каждую секунду на Землю обрушивается миллиард миллиардов космических лучей мощностью более миллиарда ватт. Если бы вы каким-то образом смогли использовать эту мощность и сложили ее в кВт (стиральная машина потребляет примерно 1 кВт в час), то это составит 3,6 миллиарда кВт в час, или около 32 000 ТВтч (терраватт-часов) в год, что примерно на 50 % выше потребления электроэнергии всей планетой в 2018 году.

По мере открытия новых частиц и сил одно оставалось верным: ученые, которые их открывают, почти неизменно считают, что они не будут иметь никакого практического применения. Точно так же, как Дж. Дж. Томсон не мог найти применения электрону, ценность космических лучей долго оставалась неясной. Теперь, спустя более века после первого обнаружения космических лучей и почти 80 лет после открытия мюона, достижения в области технологий привели к пониманию того, как космические лучи взаимодействуют с Землей, и к реальному применению как позитронов, так и мюонов.

Космические лучи могут рассказать нам больше об истории жизни на Земле. Воздействие космических лучей на азот в атмосфере создает радиоактивный изотоп углерода, называемый углеродом-14. Он взаимодействует с кислородом с образованием углекислого газа, который растения поглощают в процессе фотосинтеза. Животные и люди затем поглощают эти растения, потребляя в основном обычный углерод-12, но вместе с ним – небольшое количество углерода-14. В 1940-х годах Уиллард Либби понял, что, сравнивая количество углерода-14 с углеродом-12 в образце дерева, кости или другого органического материала, можно рассчитать, как давно умерло животное или растение, поскольку период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет. Радиоуглеродное датирование, о котором мы подробнее поговорим в следующей главе, оказало глубокое влияние на археологию, позволив создать глобальную временную шкалу, на которую можно поместить события разных регионов и континентов. В результате теперь у нас есть предыстория не только отдельных регионов, но и всего мира.

Взаимодействие космических лучей может также рассказать нам об истории климата Земли и его изменениях на протяжении геологического времени, в частности, о влиянии Солнца. Солнце не является источником высокоэнергетических космических лучей – мы знаем это уже более столетия, с тех пор как Виктор Гесс запустил свой воздушный шар во время солнечного затмения, – но Солнце действительно влияет на то, сколько космических лучей достигает Земли. Теперь мы знаем, что Солнце постоянно выбрасывает материал, называемый солнечным ветром, создавая гелиосферу – огромный пузырь в космосе, окружающий планеты Солнечной системы. Когда активность Солнца низкая, гелиосфера слабее, и она пропускает в Солнечную систему больше космических лучей, которые сталкиваются с атомами в атмосфере.

Когда протоны космических лучей сталкиваются в атмосфере с кислородом, могут образоваться два изотопа бериллия: бериллий-7 и бериллий-10, которые в конечном итоге оседают на Земле. Период полураспада бериллия-10 составляет 1,4 миллиона лет, и он распадается до бора-10, а бериллий-7 распадается всего за 53 дня до лития-7. Эти изотопы накапливаются в слоях льда в Антарктиде и Гренландии, а бурение льда для извлечения кернов дает удобный способ проследить их историю. Для каждого слоя соотношение двух изотопов помогает определить, как давно они образовались в атмосфере, а количество бериллия-10 говорит нам о том, насколько была активна гелиосфера и, следовательно, Солнце. Используя этот метод, мы можем сказать по космическим лучам, действительно ли солнечная активность связана с изменением климата на Земле.

Частицы, обнаруженные в результате исследований космических лучей, также нашли повседневное применение. Позитроны, которые естественным образом испускаются в некоторых процессах радиоактивного распада, используются для выявления и понимания заболеваний с помощью метода позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Аппараты, которые проводят подобное медицинское сканирование, можно найти в большинстве крупных больниц, и мы узнаем чуть больше об их применении в другой главе.

Безусловно, самой неожиданной частицей, нашедшей применение, остается мюон. Мюоны обладают уникальной особенностью, заключающейся в том, что они могут проходить долгий путь сквозь плотные объекты – свинцовая стена или несколько сотен метров скалы для них не помеха. По мере развития технологий физики поняли, что если они смогут правильно настроить детекторы, то смогут использовать мюоны как рентгеновский сканер. Поскольку мюоны могут проходить сквозь массивные объекты, им доступно то, чего не могут сделать рентгеновские лучи.

Мюоны были впервые использованы не в Соединенных Штатах или Европе, где они были обнаружены и изучены, а – что несколько удивительно – в Австралии. В 1950-х годах физик по имени Э. П. Джордж использовал мюоны космических лучей для измерения плотности породы над новым туннелем для огромной гидроэлектростанции Гидрокомплекса Сноуи. С помощью счетчика Гейгера он сначала обнаружил мюоны в тоннеле и на поверхности, а затем, руководствуясь полученными результатами, измерил глубину и плотность грунта между ними. Но счетчик Гейгера, который использовал Джордж, не давал никакой информации о направлении, откуда исходили мюоны, так что сделать какое-либо изображение было невозможно.

К 1960-м годам Луис Альварес (который также был научным директором ЦЕРНа, о нем мы поговорим позже) сотрудничал с археологами, чтобы использовать мюоны для сканирования внутренностей пирамид, что в конечном итоге привело в 2010 году к запуску проекта ScanPyramids Каирского университета и французского Института сохранения культурного наследия и инноваций (HIP). Археологи думали, что узнали все, что нужно было знать о Великой пирамиде Хуфу в Гизе, но в 2017 году команда ScanPyramids разместила мюонные детекторы вокруг пирамиды, а также внутри Камеры царицы, и пришла к удивительному выводу: внутри сооружения есть скрытая комната, отделенная от всех остальных. Это была первая новая комната, обнаруженная с XIX века[120]. Это стало прорывом в понимании внутренней структуры пирамиды и, возможно, шагом к окончательному пониманию ее конструкции.

По сравнению с электронами или рентгеновскими лучами, мюоны не очень сильно взаимодействуют при прохождении сквозь материю, поэтому они менее склонны к рассеянию и в основном проходят сквозь объекты по прямым линиям. Эти свойства дают удивительное преимущество. Размещение детекторов по обе стороны от объекта и корреляция прохождения мюона до и после его вхождения в объект позволяет получать изображения с удивительно хорошим разрешением, даже если их не так много. Все потому, что они движутся по прямым линиям, по сравнению с рентгеновскими лучами, у которых всегда более рассеянные траектории. Первые изображения, сделанные таким образом, были получены в результате разработок в Соединенных Штатах, а новые и улучшенные методы обнаружения дали нам возможность заглядывать внутрь больших твердых объектов с помощью техники, известной как мюонная томография, или мюография, которая работает как 3D-рентгеновский сканер, но в огромных масштабах. В 2000-х годах исследования и работа в этой области резко набрали обороты.

В 2006 году японская команда под руководством профессора Хироюки Танаки из Токийского университета стала первой, кто использовал мюоны для получения изображения внутренней структуры вулкана, горы Асама в Японии. Геологи были особенно активными сторонниками мюографии. Вскоре были составлены карты лавовых каналов и прогнозирования извержений других вулканов, включая Этну и Везувий. Теперь стало возможно делать снимки движения магмы.

По мере развития технологий мюография стала коммерциализироваться, часто с образованием дочерних компаний из лабораторий, где проводятся исследования. Эти компании нашли обширное и увлекательное применение мюонам, создавая 3D-визуализации всего – от целых контейнеровозов до критически важных объектов инфраструктуры, таких как электростанции.

Системы регистрации мюонов также представлены на рынке агентств национальной безопасности и горнодобывающей промышленности, поскольку они способны выявлять плотные залежи полезных ископаемых, пещеры, тоннели и другие структуры в Земле. Мюоны используются в геофизике, картировании подземных вод и поиске полезных ископаемых. В области ядерной безопасности одной из первых команд, сформированных после цунами 2011 года в Японии, стала группа, которая использовала мюографию для анализа состояния активных зон ядерного реактора АЭС «Фукусима-1», что означает меньшее количество неожиданностей при проведении работ по очистке и ликвидации последствий аварии. Никакая другая техника не может создать такого изображения. Другие группы рассматривают возможность использования того же подхода для проверки объектов хранения ядерных отходов.

Мы только начинаем реализовывать все преимущества мюонов, которые каждый день невидимо для нас проходят в атмосферу. В будущем мы можем использовать мюоны для мониторинга всего – от структурной целостности мостов до гула Земли[121].

Сегодня физики уже не используют облачные камеры, но когда-то эти детекторы положили начало замечательному исследованию природы космических лучей и позволили открыть целый ряд новых частиц. Облачная камера начинала свое существования как любопытное устройство, предназначенное для воссоздания эффектов света на облаках, и в конечном итоге стала инструментом, необходимым физикам для знакомства с невидимым миром частиц. Впервые физики могли видеть, как частицы проходят через их детекторы, и делать снимки, на которых были запечатлены появление и исчезание частиц.

До облачной камеры физики думали, что существуют только субатомные частицы – внутри атома. Но теперь они знали, что есть и такие частицы, которые не играют никакой роли в материи вокруг нас. Задача, стоявшая перед учеными, состояла в том, чтобы попытаться выяснить, существует ли в природе еще больше частиц и как все эти части взаимосвязаны.

Самая большая проблема заключалась в том, что физики все еще не могли контролировать то, что наблюдали. Во всех своих экспериментах они полагались на природные источники частиц, от радиоактивных веществ до мюонов космических лучей. Но чтобы глубже проникнуть в суть атома и понять новые частицы, обнаруженные в космических лучах, было необходимо разработать методы манипулирования материей в мельчайших масштабах. Нужно было воссоздать космические лучи в лаборатории.

Глава 5

Первые ускорители частиц: расщепление атома

Чарльз Беннетт купил скрипку за 80 долларов на блошином рынке в Рочестере, штат Нью-Йорк. Когда он заглянул внутрь замысловато вырезанного f-образного отверстия, то увидел характерную желтую надпись: Страдивари. Было множество рассказов о подобных находках на таких рынках: дешевый антиквариат, который, как затем оказывалось, стоит сотни тысяч долларов. Как ни странно, Беннетт и не думал оценивать скрипку профессионально. Мы можем предположить, что все эксперты находились в Европе, и доставка инструмента стоила бы куда больше, чем мог себе позволить бедный аспирант в 1977 году. Вскоре Беннетт понял, что для того, чтобы узнать истинную ценность скрипки, придется ее уничтожить. Беннетт был в тупике: он не хотел так поступать с инструментом. Он вернулся к своей докторской работе по физике.

Чтобы узнать, настоящий ли это Страдивари, ему надо было бы установить возраст инструмента. Беннетт знал о космических лучах и методе углеродного датирования из своего курса физики. Страдивари обычно использовал сочетание ели, ивы и клена. Если предположить, что деревья были срублены незадолго до изготовления инструмента, то с помощью радиоуглеродного анализа можно сравнить количество стабильного углерода-12 с радиоактивным углеродом-14, оставшимся в древесине, и проверить, действительно ли купленная скрипка – шедевр начала XVIII века. Вместе со своим научным руководителем Гарри Гоувом из Рочестерского университета Беннетт подсчитал, что на каждую тысячу миллиардов атомов углерода-12 приходится только один атом углерода-14. Образец, содержащий грамм углерода, будет распадаться и испускать электрон для подсчета примерно раз в 5 секунд. Они думали отколоть крошечные кусочки от скрипки, при этом сохранив инструмент, и попытаться что-то измерить, но скорость подсчета была бы слишком низкой. Чтобы этот метод сработал, им пришлось бы вырезать огромный кусок дерева.

Несколько недель спустя коллеги, которые понятия не имели о загадке скрипки, навестили Гоува с идеей использовать его лабораторию ядерной физики для эксперимента по измерению количества углерода-14 в небольшом образце. Оба его коллеги – Альберт Литерленд и Кен Персер – когда-то работали с Гоувом над экспериментами по ядерной физике, и оба независимо друг от друга пришли к идее использования ускорителя частиц для углеродного датирования. Дискуссия с Гоувом на конференции месяцем ранее подстегнула их визит: у Гоува было экспериментальное оборудование и ноу-хау, чтобы воплотить их идеи в жизнь. Ускоритель частиц Рочестерского университета, затмевающий любое другое оборудование, мог брать небольшие образцы материала и создавать пучки частиц. Гоув никогда раньше не пробовал разделять различные изотопы углерода, но, если предложенный эксперимент сработает, он может пролить свет и на происхождение скрипки, не разрушая ее. Гоув согласился на эксперимент при условии, что Беннетт тоже примет участие.

Чтобы выяснить, действительно ли Беннетт заработает свое состояние, нам нужно понять, как работает использованный учеными ускоритель частиц. До сих пор все эксперименты, которые мы видели, проводились с использованием довольно простого оборудования и радиоактивных веществ, встречающихся в природе. В этой главе мы узнаем, почему для понимания мельчайших составляющих природы вдруг понадобилось оборудование размером со слона. К середине 1970-х годов, когда Беннетт и Гоув столкнулись с загадкой скрипки, эти машины вот уже десятилетия как стали рабочими лошадками физиков-ядерщиков и даже использовались во многих других областях науки и промышленности совершенно непредвиденными способами. Но все это случилось много лет спустя после того, как они были впервые изобретены. Еще в Кавендишской лаборатории в Кембридже в 1920-х годах путь к ускорителям частиц начался с одного из самых волнующих вопросов о природе материи: что же находится внутри атомного ядра?

Резерфорд занял позицию Дж. Дж. Томсона в Кавендише в 1919 году, и с тех пор в его лаборатории царило обычное настроение экспериментирования. Но под ним скрывался поток разочарования. Еще в 1911 году Резерфорд описал существование ядра, а затем посвятил себя пониманию этого нового явления, ожидая добиться быстрых побед. Резерфорд уже привык видеть свое имя в заголовках новостей на регулярной основе, поскольку делал прорыв за прорывом. Но вот прошло почти 10 лет, а он так и не совершил нового большого открытия.

Эксперимент Гейгера и Марсдена, открывший атомное ядро, сделал Резерфорда мировым экспертом в области атомов. К началу 1920-х годов он и химики объединили свои знания и с некоторым трудом различили 90 различных типов атомов, основываясь на их массах. Со временем выяснилось, что атомные массы всех элементов прямо кратны массе самого легкого элемента – водорода. Гелий тяжелее в четыре раза, литий – в шесть раз, углерод – в 12 и кислород – в 16 раз. Это не могло быть совпадением. Более того, вся эта масса исходила не от электронов, крошечных и легких. Ядро – вот ключ к пониманию истинной природы материи. Эта особенность массы атома намекала на то, что само ядро тоже состоит из «строительных блоков».

Единственное, что Резерфорд знал наверняка, – это то, что внутри ядра есть протоны. Во время Первой мировой войны он провел эксперимент, в ходе которого бомбардировал газообразный азот альфа-частицами, в результате образовывались ядра водорода. В 1917 году Резерфорду удалось доказать, что все атомы, по-видимому, содержат ядра водорода – положительно заряженные частицы, которые впоследствии были названы протонами. Проблема заключалась в том, что атомное ядро элементов тяжелее водорода не могло состоять только из протонов. Все положительно заряженные протоны отталкивались бы друг от друга. Так что же удерживает ядро под действием такой «отталкивающей» силы? Резерфорд полагал, что его должна удерживать некая нейтральная частица. В результате атом, подобный гелию, с массой, в четыре раза превышающей массу водорода, но с максимальным электрическим зарядом в два (после потери двух электронов), может содержать не четыре протона, как предполагал Резерфорд, а всего два протона и две неизвестные до сих пор частицы, такие же тяжелые, как протон, но не имеющие электрического заряда. Эти частицы окрестили нейтронами. Резерфорд и его команда годами искали нейтрон, но так ничего и не нашли.

Представьте себе эго Резерфорда: новозеландский фермерский мальчик, он получил Нобелевскую премию в 1908 году, был посвящен в рыцари в 1914 году и теперь стал директором выдающейся физической лаборатории. Почти дело чести – первым найти ответ на самый животрепещущий вопрос физики. К этому моменту космические лучи были открыты, но мюон и позитрон – еще нет. Резерфорд сосредоточился непосредственно на атомном ядре, он чувствовал, что есть только один способ добиться прогресса: нужно разбить ядро на части, чтобы выяснить, что находится внутри. Не просто отколоть протоны, а полностью раскрыть внутренности атома.

Инструменты в распоряжении Резерфорда были те же, что и всегда: источник альфа-частиц, мишень и сцинтилляционный детектор. Частицы испускались из источника радия или полония, запечатанного в металлическую трубку с прорезью на конце, образуя своего рода пушку с «пулями» – альфа-частицами. Хотя такая конструкция обеспечивала контроль над направлением частиц, все же большая их часть врезалась в стенки трубки и терялись, так что работать приходилось лишь с малым количеством.

Трудолюбивые студенты и исследователи Кавендиша тем не менее неустанно продолжали поток экспериментов, надеясь, что ядро выдаст свои секреты. Они осторожно пропускали альфа-частицы через различные газы, помещали их в металлическую фольгу и пластины и бомбардировали ими практически все, что попадало под руку, в надежде увидеть реакцию. Несколько легких элементов дали тот же результат, что и азот, – выброс нескольких протонов. Но более тяжелые элементы не давали вовсе никаких результатов. Не было обнаружено ни одного нейтрона, не было открыто ничего удивительного или впечатляющего. Ядро так и оставалось загадкой.

Экспериментаторы Кавендиша застряли с несколькими жалкими альфа-частицами. Не было никакого способа контролировать параметры эксперимента, поскольку альфа-частицы всегда возникали в результате радиоактивного распада источника с одинаковой энергией, и ученые еще не придумали, как производить что-то, кроме альфа-частиц, которые возникали естественным путем. Проблему усугубляло еще и то, что источники альфа-частиц, такие как радий, были слабыми и становились только слабее по мере распада. Некоторые заготовки распадались всего за полчаса. Они уже не подходили в качестве инструментов для исследования ядра атома.

Единственное, что ученые могли контролировать, – это ошибки в своих экспериментах. Чтобы убедиться, что они по максимуму использовали ненадежные частицы, группа придумала сложный метод проведения достоверных наблюдений. Для такого эксперимента требовалось три исследователя: двое садились в темной комнате, чтобы дать глазам привыкнуть, третий человек подготавливал аппаратуру, затем закрывал ставни и шторы, и, когда все было готово, эксперимент начинался. Эти двое исследователей по очереди смотрели в микроскоп, направленный на мерцающий экран, каждый наблюдал примерно по минуте за раз, отмечая любые вспышки на экране. Примерно через час такой работы их глаза уставали, и их сменяла новая команда. Это была трудная, но необходимая работа, эволюция той же техники, которую использовали Марсден и Гейгер много лет назад.

По прибытии все новые студенты в Кавендише обучались подсчету частиц под руководством дотошного старого коллеги Резерфорда – Джеймса Чедвика. Помимо проведения собственных детальных исследований, к которым мы вернемся позже, Чедвик обучал студентов в «детской лаборатории». Когда они были готовы, их отсылали к Резерфорду, который рекомендовал им направление для исследовательского проекта.

Студенты разрабатывали свои эксперименты с нуля. Заполучить материалы для экспериментов из запасов лаборатории было непросто, а это означало, что они должны были быть находчивыми и решительными. Управляющий мастерской по имени Линкольн тщательно охранял ресурсы лаборатории. Он ни за что бы не дал рулон проволоки – скорее отмерил бы несколько кусков, а гайки и болты выдавал поштучно. Легенда гласит, что одному студенту, которому был нужен кусок стальной трубы, вручили пилу и сказали добывать трубу на велосипедной стоянке во дворе. На самом деле эта скупость была продиктована сверху, самим Резерфордом, который предпочел бы произвести на всех впечатление дешевым, но гениальным экспериментом, чем постоянно оправдывать расходы или выпрашивать деньги.

Несмотря на всю изобретательность, тщательные подходы и настойчивость, они по-прежнему ничего не находили. Одно из решений – достать больше радия. Но драгоценный материал был в дефиците, и бережливый Резерфорд отверг эту идею. Команда знала, что у их конкурентов было преимущество хотя бы потому, что у них было гораздо больше радия для работы. Женщины Соединенных Штатов подарили Марии Кюри целый грамм радия в память о ее поездке. С этим граммом ее дочь-физик Ирен и Фредерик Жолио-Кюри усердно работали в Париже. Многочисленные другие лаборатории в Европе тоже пытались продвинуться вперед, но кембриджская команда продолжала поддерживать свои передовые позиции исключительно благодаря тяжелой работе. Так было до 1924 года, пока их статус ведущей лаборатории в мире не оказался под вопросом.

Исследовательская группа в Вене распространила статью, которая уверяла, что расщепить атомы легко. Они проводили точно такие же эксперименты, что и команда в Кавендише, но получили поразительно иные результаты. Моральный дух в Кембридже резко упал. Под руководством Чедвика все считающие частицы студенты были переобучены и повторно протестированы, а затем их количество удвоили, чтобы попытаться воспроизвести результаты венской команды. Но они просто не могли этого сделать. Между двумя группами возникли уважительные, но все же серьезные разногласия, и в конце концов Чедвик отправился в Вену, чтобы докопаться до сути.

В Вене исследователи нанимали женщин для выполнения подсчетов, но, в отличие от исследователей из Кембриджа, им прямо сообщали о том, что ищут, еще до начала эксперимента. И – подумать только! – занимавшиеся подсчетом женщины это находили. Проведя эти же эксперименты без такого вмешательства, венская группа не смогла повторить свои более ранние результаты, и их данные совпали с результатами исследователей из Кембриджа.

Теперь, когда этот эпизод остался позади, Резерфорду и Чедвику пришлось признать истину, которая постепенно становилась очевидной: их зависимость от слабых альфа-источников сдерживала научный прогресс. Они знали, что впереди еще много открытий. Чтобы их добиться, нужно было радикально изменить эксперименты. Нужен был способ производить протоны, альфа-частицы и другие частицы с различной энергией по желанию. Но такого метода еще не существовало. Им самим надо придумать, как это сделать.

Эрнест Уолтон закончил свое обучение, и теперь пришло время заняться собственным исследовательским проектом. Уолтон – сын священника, двадцатичетырехлетний ирландский физик, который недавно приехал в Кембридж для защиты докторской диссертации, чему способствовала та же стипендиальная программа[122], которая когда-то помогла Резерфорду переехать из Новой Зеландии в Великобританию. Уолтон преуспевал как в математике, так и в физике и получил высшие баллы по обоим предметам в Дублине. Поскольку ему также нравилось создавать что-то новое, экспериментальная физика казалась идеальным вариантом. Набравшись храбрости, он поделился своей идеей с Резерфордом: он хотел попытаться построить машину для ускорения заряженных частиц.

Уолтон и не подозревал, что двумя днями ранее Резерфорд был в Лондоне, выступая с воодушевляющей речью перед Королевским обществом в новой для себя роли президента. Он выступил перед уважаемым собранием и заявил о самой важной и насущной потребности науки в том виде, в каком она существовала в тот год, 1927-й. Резерфорд хотел найти способ создать «большое количество атомов и электронов, индивидуальные уровни энергии которых значительно превосходят уровни энергии альфа– и бета-частиц»[123]. Если бы такое можно было сделать, то ток пучка всего в миллиампер мог бы произвести больше частиц, чем 100 кг радия, – поразительное количество! Что ему было нужно, так это способ извлечения элементарных частиц и запуска их с высокой энергией к атому. И это было как раз то, что только что предложил ему Уолтон: ускоритель частиц. Впечатленный мужеством молодого ирландца, Резерфорд согласился и немедленно проводил его вниз – в лабораторию, где он мог бы проводить свои исследования.

Выделенная Уолтону лаборатория представляла собой подвальное помещение с кирпичными стенами и высоким потолком. В лаборатории было три рабочих места, за двумя уже разместились другие исследователи – Томас Аллибоун и Джон Кокрофт. Аллибоун, или просто Боунс, недавно выступил с аналогичным предложением к Резерфорду и уже пытался использовать высоковольтные катушки Теслы для ускорения электронов. Резерфорд, должно быть, счел, что дружеское соревнование пойдет на пользу молодым исследователям.

Джон Кокрофт, который в свои 30 лет был старше остальных, попал в Кавендишскую лабораторию довольно-таки окольным путем. Кокрофт был известен своей способностью доводить дело до конца, и его коллеги регулярно комментировали то, как легко он справлялся с рабочей нагрузкой, чуть ли не в два с половиной раза превышающей стандартную. Он проводил свои собственные исследования, а также помогал с серьезным экспериментом в соседней лаборатории, в которой Пётр Капица пытался создать чрезвычайно мощные магнитные поля. Разрываясь между различными задачами, Кокрофт мелким неразборчивым почерком строчил напоминания в своей маленькой черной записной книжке. Как говорили его коллеги, все, что он там напишет, «будет незамедлительно рассмотрено»[124]. Он знал о сложной задаче создания высоковольтного устройства для ускорения частиц, но теперь, после выступления Резерфорда, эта идея прочно засела в его голове и в его записной книжке. Он знал, что есть два серьезных препятствия, которые необходимо преодолеть. Одно – теоретическое, а другое – экспериментальное.

Кокрофт был в уникальном положении для решения как теоретической, так и практической стороны проблемы. Первая мировая война прервала его занятия математикой, и после он стал учеником в компании Metropolitan Vickers, или Metrovick, крупной электротехнической фирме в Манчестере, которая занималась промышленным оборудованием, таким как генераторы, турбины, трансформаторы и электроника. Только после этой подработки инженером Кокрофт стал посещать Кембриджский университет, чтобы уже окончательно закрепить свои знания в математике и физике, одновременно став физиком-экспериментатором и вполне респектабельным теоретиком.

Основная теоретическая проблема, с которой они столкнулись, заключалась в том, как направить альфа-частицы или протоны в атомное ядро, когда эти положительно заряженные «снаряды» будут электрически отталкиваться положительно заряженным атомным ядром. Это отталкивание известно как кулоновский барьер. Кокрофт сначала должен был рассчитать энергию, необходимую альфа-частицам, чтобы преодолеть этот барьер и проникнуть в ядро. Из своей теоретической работы он знал, что эта цифра непосредственно соответствует величине напряжения, необходимого для ускорения альфа-частиц с достаточной энергией. Он произвел подсчет, но результат напугал его до полусмерти: потребуется напряжение где-то в диапазоне 10 млн вольт.

Если вы когда-либо стояли рядом с опорой электропередачи напряжением 300 кВ (киловольт), передающей электроэнергию на большие расстояния, и время от времени слышали хлопки и потрескивание, вы понимаете, что работа с таким высоким напряжением довольно опасна. А в 1927 году это было еще страшнее. Сегодня мы относительно знакомы с электричеством, потому что используем его постоянно, но в тот период оно считалось еще довольно новым явлением, и такое высокое напряжение в лабораторных условиях было попросту неслыханным. Опасность того, что устройство, работающее при напряжении в миллионы вольт в лаборатории, может искрить или поразить электрическим током Кокрофта и Уолтона – или, что более вероятно, Резерфорда, который мог войти без предупреждения, – не казалась чем-то смешным. Более того, все части ускорителя должны выдерживать невероятное напряжение без треска, взрывов или искрения.

В то время как Кокрофт обдумывал эту проблему, физики в Соединенных Штатах уже решительно разбирались с проблемой генерации высокого напряжения. Мерл Тьюв пытался использовать катушку Теслы, как и Аллибоун. Роберт Ван де Грааф работал над ленточной системой передачи заряда с большим металлическим куполом. Примерно в то же время были предприняты и другие попытки – высокие импульсные напряжения, разряды конденсаторов и огромные трансформаторы, – и все это во имя придания пучкам частиц энергии. В Европе некоторые немецкие исследователи даже рисковали своей жизнью, пытаясь в горах обуздать молнии.

Тем временем в Кембридже Уолтон и Аллибоун продолжали свои попытки ускорить частицы. Уолтон также попробовал прототипы небольшого кругового и линейного ускорителя, но ни с тем ни с другим успеха не добился. Однако не успели они придумать, что же делать дальше, как в Кембридж прибыл советский физик-теоретик по имени Георгий Гамов и все изменил.

Незадолго до этого Гамов побывал в Германии, в Гёттингене, где изучал новые идеи квантовой механики для своей диссертации.

Пока все занимались изучением расположения электронов в атомах, Гамов решил попытаться применить идеи квантовой механики к атомному ядру. Читая материал по этой теме, он наткнулся на недавнюю статью Резерфорда, описывающую рассеяние альфа-частиц на урановой «мишени»[125]. Резерфорд утверждал, что альфа-частицы рассеиваются согласно его обычным уравнениям, но Гамов в этом сомневался. Он знал, что уран испускает альфа-частицы при радиоактивном распаде с энергией примерно в два раза меньше той, которую Резерфорд использовал для ее бомбардировки.

Хотя Гамов мало что знал о таинственной силе, удерживающей ядро, он понимал, что она должна действовать одинаково независимо от того, входит альфа-частица в ядро или выходит из него. На пути внутрь ядра, как и предполагал Резерфорд, альфа-частица должна преодолеть кулоновский барьер, а затем оказаться запертой в ядре. При радиоактивном распаде альфа-частица должна сначала преодолеть эту удерживающую силу, прежде чем кулоновский барьер ее оттолкнет. Процесс одинаков в обоих случаях, просто обратный. Так как же могло случиться, что альфа-частицы внутри ядра каким-то образом ухитряются просочиться наружу, имея только половину энергии?

Закрыв журнал, Гамов, по его воспоминаниям, «уже знал, что в действительности происходит в таком случае. Это было типичное явление, которое было бы невозможно в классической ньютоновской механике, но фактически ожидалось в новой волновой механике»[126]. В волновой квантовой механике, как мы видели в главе 3, каждая частица имеет волновую природу и может свободно распространяться в пространстве. Это означает, что нет ни одного стопроцентно непроницаемого барьера – волны могут просачиваться в области, в которые, классически говоря, они вообще не должны проникать. По словам Гамова, «если волна проходит, даже и с некоторыми трудом, она всегда протащит с собой частицу»[127]. Теперь мы называем это квантовым туннелированием. Прочитав статью Резерфорда, Гамов быстро сформулировал простую модель для описания такой вероятности в случае урана и обнаружил, что его теория прекрасно объясняет период радиоактивного полураспада элемента. Он также выяснил, как альфа-частицы покидают ядро при радиоактивном распаде. Он понимал, что напал на след.

Затем Гамов отправился в Институт Нильса Бора, где продолжил расчеты, выясняя, может ли эта идея применяться и в обратном направлении, чтобы помочь при бомбардировке элементов снарядами с искусственным ускорением. Нильс Бор советовал ему отправиться в Кембридж, но, зная некоторую нелюбовь Резерфорда к теоретикам, они планировали немного задобрить ученого. Гамов прибыл в начале 1929 года, вооруженный подарком: двумя нарисованными от руки графиками, относящимися к экспериментам Резерфорда по бомбардировке легких ядер альфа-частицами. На первом графике было показано, что с увеличением энергии альфа-частиц увеличится и количество протонов, откалывающихся от легких элементов – обнадеживающая идея для команды, вынужденной подсчитывать вспышки в темноте. Второй график демонстрировал, что при заданном уровне энергии альфа-частиц от более легких ядер откалывается меньше протонов. Обе теории Гамова прекрасно соответствовали экспериментальным данным. Стратегия сработала, и Гамова приняли в Кавендише.

Согласно воспоминаниям Гамова, он прибыл в Кембридж и показал свою работу Резерфорду, а затем его усадили за расчет энергии, необходимой протонам для попадания в ядра легких элементов[128]. Очень просто аргументируя свои выводы, Гамов сказал, что она должна составлять примерно 1/16 от энергии альфа-частиц. «Так просто? – спросил Резерфорд. – А я думал, что вам нужно исписать горы бумаги проклятыми формулами».

До визита Гамова один из его черновиков уже попал к Джону Кокрофту, проводившему аналогичный расчет. В результате расчетов он получил энергии частиц в электрон-вольтах или эВ (1 эВ – это количество энергии, которое получает частица[129], пройдя разность потенциалов в 1 вольт). До сих пор ему требовалось, чтобы протоны достигли 1 миллиона электрон-вольт (МэВ), для чего был необходим ускоритель частиц на миллион вольт. Теперь он пришел к выводу, что существует небольшая вероятность того, что протон с энергией менее 1 МэВ сможет проложить свой путь в ядро. На самом деле, требуемая энергия может составлять всего 300 кэВ (килоэлектронвольт). Кокрофт уже понял значение этой идеи: если протоны могут квантово-механически «туннелировать» через кулоновский барьер, то, возможно, попасть в атомное ядро можно с помощью не такого мощного ускорителя частиц, как они думали. До сих пор неясно, кто первый сообщил Резерфорду о такой возможности, Кокрофт или Гамов, но важно то, что они оба пришли к одному и тому же результату[130], и они оба находились при этом в одной лаборатории.

Резерфорд принял решение. И впервые в его жизни столь значимое решение основывалось исключительно на теоретическом прогнозе, но он знал, что если они не начнут действовать прямо сейчас, то их могут опередить. Он вызвал Кокрофта и прогремел: «Постройте мне ускоритель на миллион электронвольт – мы без проблем расколем ядро лития!»

Теперь, когда Кокрофту требовалась лишь десятая часть напряжения, которое он рассматривал ранее, задумка стала казаться более осуществимой, и он нацелился на 300 тысяч вольт. Это было минимальное напряжение, при котором, согласно его расчетам, может произойти что-то интересное. Но Кокрофт был отчаянно занят организацией экспериментов по созданию мощного магнитного поля в лаборатории по соседству, поэтому и он, и Резерфорд поняли, что ему нужен партнер, который может проводить эксперименты и который интересуется ускорением частиц. Они нашли добровольца в лице Эрнеста Уолтона.

Вместе Кокрофт и Уолтон хотели провести самый большой эксперимент во всем Кавендише. Даже при напряжении в 300 кВ установка была уж очень сложным и дорогим зверем. Ученые признавали, что им придется столкнуться и с другими проблемами, помимо высокого напряжения, чтобы заставить ускоритель частиц работать. Во-первых, им понадобится источник частиц. В случае с электронами все достаточно просто, но создать постоянный поток протонов, альфа-частиц или чего-то еще гораздо сложнее. Затем им нужно послать эти частицы через высокое напряжение, чтобы напитать их энергией. К тому же надо было придумать, как управлять лучом и работой самого устройства с безопасного расстояния, поскольку оно будет испускать излучение. Как только у них появятся высокоэнергетические частицы, их нужно направить в какую-то мишень. И, наконец, когда все это будет сделано, понадобится система детекторов, чтобы видеть, к чему привела реакция.

По крайней мере об одном они не беспокоились: в лаборатории было полно экспертов по подсчету вспышек на экране, и постоянно возникали новые идеи, как обнаружить частицы, в том числе с помощью облачной камеры Вильсона. Но Кокрофт и Уолтон оказались перед трудной задачей, когда дело дошло до создания источника протонов, генерирования высоких напряжений без разрушения устройства и успешного контроля самого эксперимента.

Установка современного оборудования, предназначенного для передачи высокого напряжения, в плохо спроектированной университетской лаборатории пугала многих физиков, но Джон Кокрофт был полон решимости заставить ускоритель работать. Понимая, что они не могут производить все необходимое собственными силами, он обратился к создателям ведущего в мире высоковольтного оборудования – своим бывшим работодателям в Metrovick. Его первой просьбой был источник питания, мотор-генератор, который Кокрофт приобрел за хорошую цену. Затем им понадобился трансформатор, чтобы повысить напряжение до 300 тысяч вольт, но, когда Кокрофт запросил его, возникли трудности. Трансформаторы Metrovick, используемые для высокоэнергетических рентгеновских трубок и электрических испытаний, попросту слишком велики, чтобы пройти через узкий арочный дверной проем Кавендишской лаборатории. Поэтому Кокрофт попросил Metrovick сделать такой трансформатор, который бы смог.

Следующим шагом было преобразование высоковольтного переменного тока от трансформатора в источник постоянного тока. Переменный ток, который обычно поступает от наших розеток, колеблется между положительными и отрицательными значениями примерно 50 раз в секунду, но Кокрофт знал, что это не годится для ускорения частиц, потому что отрицательная часть волны переменного тока будет скорее замедлять, чем ускорять частицы. Ему был нужен постоянный ток для подачи напряжения, которое всегда толкало бы протоны вниз по трубке. А для этого требовалось еще одно устройство — выпрямитель, но не было доступных коммерческих выпрямителей, которые могли бы выдержать 300 тысяч вольт. Кокрофт понимал, что это ограничение надо преодолеть, поскольку в будущем ему понадобится еще более высокое напряжение. Поэтому, пока Metrovick все еще работал над новым трансформатором, Кокрофт и Уолтон приступили к изобретению выпрямителя собственными силами.

Кокрофт по большей части занимался снабжением, пока Уолтон взял на себя основную экспериментальную работу. Одна из проблем, с которой они столкнулись, касалась стеклянных колб, составлющих часть выпрямителя. Уолтон заказывал изготовление колб стеклодуву Феликсу Нидергесассу, а затем подвергал их высокому напряжению с помощью катушки Теслы, что часто приводило к катастрофическим последствиям. Электрические поля концентрируются вокруг любых острых краев, будь то пыль или дефект стекла, а «коронные разряды»[131] вызывают искры у поверхности и пробивают в ней отверстия. Чтобы добиться правильной формы колб, потребовались месяцы проб и ошибок, и в конце концов конструкция стала настолько большой, что уже не умещались в стеклодувной лаборатории Нидергесасса, и колбы пришлось заказывать на специализированном заводе.

Помимо стеклянных колб, требовались специальные провода для анода и катода, источник нагрева для катода, защита от коронного разряда, предотвращающая искрение, и надежные вакуумные насосы. Как и большинство исследователей в Кавендише, они использовали красный сургуч Банка Англии для всех соединений и печатей. Все компоненты должны были быть проверены на способность выдерживать высокое напряжение. Уолтон провозился несколько месяцев. Он должен был работать быстро, но в то же время не мог спешить, поскольку имел дело с опасными высокими напряжениями. Каждый раз, когда где-то требовалась замена, он ломал все восковые печати, заново все чистил, нагревал и снова запечатывал перед повторным тестированием – уходили целые дни на поиск утечек вакуума и их устранение.

Резерфорд иногда заглядывал во время своих обходов, чтобы посмотреть, как идут дела. При виде крупногабаритного оборудования от промышленных поставщиков он в своем типичном стиле жаловался, что все слишком громоздко или слишком дорого, что побудило физиков из Metrovick сказать, что пускай тогда «смотрит на все через другую сторону телескопа, чтобы не казалось таким огромным». К 1930 году компания Metrovick выполнила свое обещание и выпустила новый компактный трансформатор, который мог пройти через дверь Кавендишской лаборатории прямиком в подвал. Но пол лаборатории все равно пришлось укрепить, чтобы удержать такую установку. Компания также поставила новую вакуумную систему, после того как один из их ученых, Билл Берч, изобрел насос на новом типе масла (Apeizon). Кокрофт получил в свои руки несколько прототипов еще до того, как новинка увидела свет.

Несмотря на весь прогресс, ученым еще предстояло создать источник протонов или ускорительную трубку, через которую будут проходить частицы. Для источника протонов они протестировали ряд различных установок и в итоге остановились на сестре электронно-лучевой трубки, называемой анодно-лучевой трубкой. Устройство похоже на электронно-лучевую трубку: длинный стеклянный цилиндр, заполненный газообразным водородом, с большим напряжением, приложенным между анодом (на одном конце) и катодом (теперь в середине трубки). Протоны создаются электрическим полем, разрывающим газообразный водород, и затем подтягиваются к отрицательному катоду, в котором есть отверстие для их прохождения. Наконец, они выходят с другой стороны в направлении, противоположном направлению электронов (катодные лучи), создавая при этом прекрасное флуоресцентное свечение в трубке.

Тонкая трубка была размещена в верхней части установки так, чтобы протоны могли перемещаться вниз к ускоряющей секции, стеклянной вакуумной трубке длиной 1,5 метра. Внутри трубки высокое напряжение подключалось к двум цилиндрическим металлическим электродам с зазором между ними. Эти протоны должны ускориться высоким напряжением, проходя вниз через зазор. Первый в мире ускоритель частиц почти готов.

К маю 1930 года они были готовы к проведению испытаний. В течение недели Кокрофт и Уолтон медленно увеличили напряжение с 50 до 100 тысяч В, а затем – до 280 тысяч В, но появились признаки того, что они достигли предела. Однако появившийся пучок протонов не был удовлетворительным: он был полностью расфокусирован и растянут по кругу диаметром около 4 см. С таким широким лучом ничего не получится. Чтобы это исправить, пришлось бы все собирать заново. Но сначала они решили посмотреть, не произойдет ли в таком варианте чего-нибудь интересного с научной точки зрения. Они предположили, что при такой низкой энергии протоны мало что могут сделать с ядром – возможно, возбудить несколько частиц и испустить гамма-лучи. Поэтому Кокрофт и Уолтон соорудили простой электроскоп и поместили образец лития под луч. Ничего. Бериллий? Крошечный эффект. Свинец? Какой-то небольшой эффект, но, скорее всего, просто что-то не так с самим аппаратом. Прежде чем они смогли продвинуться дальше, трансформатор вышел из строя.

Пришло время подвести итоги. Поскольку трансформатор сломался, нужно было решить, стоит ли его ремонтировать, чтобы восстановить машину на 300 кВ. Учитывая отсутствие результатов, исследователи не были уверены, что стоит. Что, если расчеты, которые они сделали, неверны и 300 кВ не хватит для расщепления ядра? Даже небольшое изменение в числах давало совершенно иные результаты. Тем временем Резерфорд – ныне лорд Резерфорд – все больше теряет терпение из-за отсутствия результатов. Нужно было любой ценой удержать его на своей стороне и доказать, что его инвестиции в их большой эксперимент того стоили. Хотя было бы быстрее перестроить машину на 300 кВ, чем строить новую, более крупную версию, Кокрофт и Уолтон должны были признать, что 300 кВ все равно стали бы только первым шагом. В конце концов, все решило то, что их перевели в новую большую комнату, в которую свет проникал через красивые высокие арочные окна вдоль одной стены, в то время как другая была увешана досками. В такой комнате можно легко разместить более крупную машину. Кокрофт и Уолтон решили, что они обязаны в следующий раз получить результаты, поэтому решили отказаться от машины на 300 кВ и сосредоточить свои усилия на создании новой машины на 800 кВ.

В новой установке, созданной Кокрофтом, к первому выпрямительному каскаду были добавлены схемы удвоения напряжения[132]. С их помощью они могут принимать входное напряжение от 200 до 800 кВ. Кокрофт и Уолтон заменили стеклянные трубки в форме колб для выпрямительной и ускорительной секций более надежными стеклянными цилиндрами, после того как наткнулись на эту идею в работе Чарльза Лауритсена, физика из Калифорнийского технологического института в США. Они также заменили воск для герметизации швов на пластилин, который лучше справлялся с этой задачей и который гораздо проще повторно герметизировать, если что-то нужно отрегулировать. Как и прежде, Уолтон неустанно работал над созданием новой машины, каким-то образом занимаясь одновременно еще и своей докторской диссертацией.

В начале 1932 года, почти через четыре года после начала работы Кокрофта и Уолтона, в Кавендише было сделано новое крупное открытие. Однако оно принадлежало не им, а Джеймсу Чедвику. Он тихо проводил свои эксперименты, когда узнал о результатах от Ирен и Фредерика Жолио-Кюри в Париже, продемонстрировавших, как альфа-частицы, испускаемые полонием, бомбардировали бериллий и предположительно стали источником гамма-излучения невообразимо высокой энергии. Чедвик знал, что их эксперименты правильны: Кюри исключительно тщательны в этом вопросе. Но он не согласился с их интерпретацией. Всего за несколько недель он провел новую серию экспериментов, продемонстрировавших, что бомбардируемый бериллий испускает не гамма-лучи, а нейтральную частицу примерно той же массы, что и протон. После поисков, длившихся почти 12 лет, Чедвик наконец открыл нейтрон.

Резерфорд все больше нервничал из-за чрезвычайно дорогого и трудоемкого проекта по ускорению частиц. Легенда гласит, что, когда Резерфорд отправился проведать экспериментаторов, он зашел в их лабораторию, повесил мокрое пальто на высоковольтную клемму и тут же получил удар током. Оправившись от шока, он раскурил свою трубку, выпустив облако пепла и дыма, и велел Кокрофту и Уолтону продолжать.

Утром 14 апреля 1932 года Уолтон остался в лаборатории один, закончив прогревать усовершенствованную машину. Кокрофт убежал что-то проверить в другой лаборатории. По настоянию Резерфорда они установили его любимый детектор, экран из сульфида цинка, вместо электроскопа. Уолтон поместил литиевую мишень на дно ускорительной трубки и стабилизировал машину напряжением около 250 тысяч В. Затем он отрегулировал настройки, чтобы включить протонный луч. Любопытствуя, происходит ли вообще что-нибудь, Уолтон прополз от пульта управления к ускорителю, избегая высоковольтных компонентов, и забрался в обшитый свинцом ящик, который они построили для наблюдений. Он натянул черную ткань, чтобы отгородиться от дневного света, настроил микроскоп и заглянул в него.

Яркие вспышки появлялись по всему экрану. Уолтон недолго пробыл в «детской лаборатории», но сразу догадался, что видит: альфа-частицы. Так много, что не сосчитать. Он выключил луч – частицы ушли. Снова включил – они появились. Уолтон едва мог поверить, что это взаправду. Он позвал Кокрофта, который быстро повторил тесты. Вместе они позвали Резерфорда, усадили его в ящик для наблюдений – высокому Резерфорду пришлось подтянуть колени к ушам – и показали, что они нашли. Конечно же, это были альфа – частицы – и, поскольку Резерфорд их и открыл, он знает наверняка! Позже Чедвик согласился. Они понимали, что произошло, им даже не нужно было что-то обсуждать: протоны попадали в ядро лития с атомным номером 7, и ядро расщеплялось на две альфа-частицы. Они, впервые в истории, искусственно вызвали радиоактивный распад[133]. Более того, они справились с помощью протонов примерно при 250 кэВ, что намного ниже 1 МэВ или 10 МэВ, которые они ожидали. Квантовая теория Гамова была верна.

Они поклялись друг другу хранить тайну до тех пор, пока Кокрофт и Уолтон не проведут необходимые проверки и не напишут короткую статью для отправки в журнал Nature. Пока они этим занимались, в течение недели весной 1932 года только четыре человека в мире знали, что атом можно расщепить. Они продолжали эксперименты в бешеном темпе, помещая стопки тонкой фольги на пути альфа-частиц, чтобы убедиться, что они выходят из ядра с огромной скоростью. Каждая альфа-частица проносилась с энергией 8 МэВ, что на первый взгляд кажется невозможным, учитывая, что протоны проходили всего с несколькими сотнями кэВ, но это измерение укрепило их уверенность в том, что они все правильно понимают. Масса объединенного протона и лития перед реакцией была лишь немного выше, чем масса двух альфа-частиц после реакции. Взяв эту разницу в массе и преобразовав ее в энергию, используя уже известное уравнение Эйнштейна E = mc², они убедились, что их расчеты почти точно составляли энергию в 8 Мэ В.

Резерфорд пригласил Кокрофта и Уолтона на заседание Королевского общества в четверг, 28 апреля. Толпа собралась, чтобы отпраздновать открытие нейтронов Чедвиком, и Резерфорд упомянул об этом великом достижении в своей вступительной речи. Он остался на трибуне. После драматической паузы он объявил, что двое молодых людей, присутствующих в аудитории, Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, искусственно ускорили частицы и успешно расщепили ядро лития и ряда других легких элементов. Стоило ему только указать на двух молодых людей в зале, как зрители разразились аплодисментами.

Через несколько дней газеты объявили о «величайшем научном открытии»[134]. Новость быстро распространилась по всему миру, а такие газеты, как The New York Times, пестрели заголовками вроде «Атом раскрывает свои секреты». Кокрофт и Уолтон быстро приспособились к новой жизни, позируя перед камерами с Резерфордом или со своим оборудованием, но слегка смущались, когда у дверей лаборатории их поджидал внезапный поток журналистов.

Их конкурентам оставалось только себя ущипнуть. Если бы они знали, что можно расщепить атом лития всего при 125 тысяч В[135], они первыми сделали бы это открытие. Даже Кокрофт и Уолтон могли бы добиться успеха двумя годами ранее, если бы использовали в эксперименте экран из сульфида цинка – чтобы они могли легко видеть каждую вспышку альфа – частицы – вместо электроскопа. С экраном оказалось работать гораздо проще, чем с более абстрактными движениями листьев в электроскопе. Кокрофт и Уолтон не могли поверить, что низкого напряжения их первого ускорителя было бы достаточно. К концу 1932 года другие лаборатории по всему миру спешно работали над преобразованием любых устройств с достаточным напряжением в режим разрушения атомов. Родилась совершенно новая область ядерной физики.

Резерфорд и его команда сделали два новаторских открытия почти одновременно. Существование нейтрона было окончательно подтверждено, но гораздо более захватывающей была возможность искусственного расщепления ядра атома. Резерфорд достиг своей цели – понять, что находится внутри ядра: протоны и нейтроны. Эксперимент также подтвердил важность квантовой механики в ядре и то, что E = mc² Эйнштейна применимо и при расщеплении атомов. Они снова уверенно лидировали в гонке за понимание ядра атома, и теперь Резерфорд и его команда получили возможность по желанию разбивать ядра на части, чтобы изучать их дальше. Теперь не надо полагаться на космические лучи, ученые сами контролируют свои эксперименты, изменяя тип ускоряемых частиц, их количество и энергию, чтобы изучить воздействие на любой образец, который они хотят подвергнуть бомбардировке. Они могли включать и выключать их, когда им заблагорассудится. Атом теперь в их власти.

С появлением возможности искусственного ускорения частиц спрос со стороны исследователей на ускорители быстро возрос. Компании быстро освоили новую технологию, часто для использования в своих собственных исследовательских лабораториях. В Нидерландах компания Philips производила выпрямители и целые генераторы Кокрофта – Уолтона и даже позже продала один из них в Кавендиш, когда они расширили свою высоковольтную лабораторию в середине 1930-х годов. Их конкуренты в Соединенных Штатах, включая Ван де Граафа, тоже добились коммерческого успеха благодаря своим высоковольтным ускорителям. Вскоре после знаменательного открытия компания Westinghouse начала создавать высоковольтные машины, используя метод Ван де Граафа, и к 1937 году построила ускоритель на 5 МэВ, ставший известным как «Разрушитель атомов» (англ. Westinghouse Atom Smasher). К середине 1950-х годов любой уважающий себя физический факультет или лаборатория должны были иметь ускоритель частиц. Сегодня несколько компаний все еще производят машины такого типа, и вы найдете их продукцию в научно-исследовательских институтах и лабораториях по всему миру.

Если вы когда-нибудь видели одно из этих устройств, вы никогда его не забудете. На севере Англии находится Институт Кокрофта, который сегодня специализируется на проектировании и создании новых ускорителей частиц[136]. В огромном ярко освещенном атриуме института посетители застывают на месте при виде громоздкого металлического устройства.

Четыре темно-коричневых ребристых керамических изолятора тянутся вверх, окруженные металлическими кольцами в форме пончика, а между ними зигзагом проходят красноватые медные трубки. Вся конструкция тянется к потолку, где оканчивается огромным луковицеобразным металлическим терминалом. Именно этот генератор Кокрофта – Уолтона ранее обеспечивал протонами большую ускорительную установку[137] в лаборатории Резерфорда – Эплтона, к югу от Оксфорда. Хотя этот генератор производит отличное первое впечатление, на самом деле он не так уж и стар: он надежно служил с 1984 по 2005 год, когда был окончательно выведен из эксплуатации и заменен более современными технологиями[138].

… Вернемся к скрипке Беннетта. Физик-ядерщик Гарри Гоув использовал ускоритель не Кокрофта – Уолтона, а Ван де Граафа в своей лаборатории в Рочестерском университете, когда Чарльз Беннетт в 1977 году попросил его определить возраст скрипки. Это казалось невозможным, по крайней мере до тех пор, пока не возникла идея использовать ускоритель для обнаружения очень малых следов углерода-14. Для своего первого эксперимента они купили в местном магазине несколько мешков древесного угля для барбекю, чтобы увидеть углерод текущего времени (из недавно срубленных деревьев). Они вставили его в ионный источник, начальную точку ускорителя, который испаряет образцы и высоким напряжением удаляет электроны, создавая пучок заряженных ионов, которые затем ускоряются. Для сравнения, они также нашли образец графита, добытого из нефтяных месторождений, которым миллионы лет и в которых углерода-14 уже совсем ничтожное количество. 18 мая 1977 года они проанализировали два образца и обнаружили, что в древесном угле более чем в 1000 раз больше углерода-14 по сравнению с графитом. Как вспоминает Гоув, «это был один из тех мгновенно узнаваемых триумфов, которые слишком редко случаются в науке»[139].

Вместо того чтобы просто ждать, пока радиоактивный распад углерода-14 произойдет самопроизвольно, Гоув и Беннетт взяли крошечный образец и с помощью ускорителя частиц ускорили все отдельные атомы и изотопы. После достижения высокой скорости частицы изгибались под действием магнита, и, поскольку углерод-14 изгибается немного меньше, чем углерод-12, из-за большей массы, относительные количества можно просто подсчитать с помощью детектора. Ускоритель частиц обеспечивал исключительный контроль и точность, позволяя ученым обойти естественные ограничения радиоуглеродного датирования. Быстро стало ясно, что потенциальные области применения новой методики огромны.

Мейер Рубин, геохимик, возглавлявший отдел углеродного датирования в Геологической службе США, увидел статью и тут же связался с Гоувом и его командой. По словам Рубина, у него были груды небольших геологических образцов, которые слишком малы для традиционного метода углеродного датирования. Несколько недель спустя он прибыл в Рочестер, чтобы вместе с командой Гоува и Беннетта попробовать проанализировать миллиграммовые образцы новым методом.

Рубин был в восторге от возможностей измерения небольших образцов, особенно в геологии, климатологии, океанографии и дендрохронологии (изучение колец деревьев). Вместе команда сделала ряд прорывов, используя новую технику: они проверили свой метод, датируя органические образцы возрастом 48 000 лет, обнаружив, что они согласны с более ранним анализом Рубина, в котором использовались гораздо более крупные образцы. Сотрудничая со многими исследователями, группа Рочестера успешно датировала антарктические метеориты, лед, шерстистого мамонта и даже древние образцы воздуха, содержащие не миллиграммы, а всего лишь микрограммы углерода-14. В 1978 году Рубин принес кусок ткани с египетской мумии, возраст которой оценивался примерно в 2050 лет, и эксперимент подтвердил результат. Затем исследователи получили интересную, но противоречивую просьбу.

Примерно в 1979 году с командой связалось Британское общество по изучению Туринской плащаницы – с идеей датировать артефакт, в котором якобы был похоронен Иисус. Потребовалось 10 лет, чтобы воплотить в жизнь эту идею, которая в итоге привела к знаменитому расследованию 1987 года. Небольшие образцы были отправлены в ряд лабораторий по всему миру, которые специально приспособили или установили ускорители частиц для этой цели, включая Рочестер и центр радиоуглеродного датирования в Оксфорде. Гоув и Рубин с 95 % вероятностью установили, что артефакт был создан в Средние века (1260–1390 гг.н. э.), а не 2000 лет назад. В других лабораториях результаты были те же. Но, несмотря на доказательства, Туринская плащаница по-прежнему почитается.

Новый метод, изобретение которого (частично) приписывают Гоуву[140], называется ускорительной масс-спектрометрией, или УМС. Сегодня лаборатории, использующие специальные ускорители частиц в этих целях, можно найти не только в Соединенных Штатах, но и в Турции, Румынии, Австралии, Японии, России и Китае, и это лишь некоторые из них. Многие страны, где установлены эти ускорители, хотят лучше понять свою богатую географическую и культурную историю, а УМС предоставляет возможность собрать воедино истории редких и ценных предметов, не разрушая их. Как и в случае со скрипкой Беннетта, образцы, необходимые для УМС, по меньшей мере в 1000 раз меньше, чем при традиционном радиоуглеродном датировании. В большинстве случаев другого точного метода установления хронологии не существует. С тех пор технология ускорителей открыла новые возможности для изучения истории, геологии, археологии и многих других областей.

Беннетт, похоже, так и не узнал, была ли его скрипка создана Страдивари или нет. По крайней мере, он никогда не подтверждал достоверность этого маловероятного утверждения, поскольку больше об этом не упоминалось[141]. Но к тому времени, возможно, он совсем забыл о скрипке, захваченный высшим научным азартом изобретения самого точного метода датирования исторических артефактов, о котором мы знаем.

Сегодня большинство людей по-прежнему считают, что ускорители частиц и создаваемые ими лучи используются только физиками и никак не связаны с нашей пищей, водой, предметами домашнего обихода или нашим собственным телом. Тем не менее, начиная с чипов в телефонах и компьютерах и заканчивая шинами на автомобилях и термопленкой на продуктах питания, мы каждый день окружены объектами, которые были усилены или иным образом улучшены с помощью пучков частиц. Часто эти методы облучения или модификации с помощью частиц выбираются потому, что они быстрее, экологичнее и эффективнее, чем альтернатива, например химикаты или ручная обработка. Это немалый рынок: по статистике, только в Соединенных Штатах ежегодно с помощью пучков частиц создается или модифицируется продукция на сумму около 500 млрд долл. Многие из используемых машин представляют собой электростатические ускорители, потомки того, который Кокрофт и Уолтон использовали для расщепления атома в начале 1930-х годов.

Одно из масштабных применений ускорителей – полупроводниковая промышленность. Мощные компьютерные чипы в наших смартфонах и ноутбуках основаны на электронных компонентах, изготовленных из полупроводников, формирующих 1 и 0, на которых основана вся компьютерная логика. Чтобы превратить такой полупроводник, как кремний, в полезное устройство, его необходимо слегка загрязнить, добавив легирующие примеси: крошечные количества других элементов, таких как бор, фосфор или галлий. Именно эти легирующие добавки дают точный контроль над электрическими свойствами полупроводника, но их очень сложно добавить химическим путем. Единственный точный способ сделать это – контролировать отдельные ионы и вводить их с помощью ускорителя частиц. Это процесс, называемый ионной имплантацией. Без ускорителей частиц у нас не было бы современной полупроводниковой электроники, которая сейчас встроена в цифровые фотоаппараты, стиральные машины, телевизоры, автомобили, поезда и даже рисоварки.

С помощью пучков частиц можно модифицировать не только полупроводники – их используют даже ювелиры. У алмазной компании DeBeers есть ускорители, производящие ионные пучки, которые используются для бомбардировки необработанных драгоценных камней. Так можно изменить цвет бриллианта или, например, превратить бирюзу из темно-розовой в прозрачно-голубую.

Между тем всего в 15 метрах под знаменитой стеклянной пирамидой в парижском Лувре находится ускоритель частиц, полностью посвященный искусству. Установка называется AGLAE – ускоритель элементного анализа Лувра, – инсталляция длиной 37 метров, которая используется для бомбардировки артефактов из музея, чтобы выяснить, из каких элементов они сделаны. Под руководством директора лаборатории доктора Клэр Пачеко команда с помощью ускорителя занимается анализом ионных пучков.

Один из регулярно используемых методов – спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния. Исследователи подсчитывают ионы, отскакивающие от мишени, в поисках того же результата, который ученые из Кавендиша получили в эксперименте с золотой фольгой, чтобы показать, что у атома есть ядро. Теперь, в контролируемых условиях ускорителя, можно использовать всю мощь этой идеи. Исследуемое произведение искусства помещается на линию пучка частиц, и детектор улавливает ионы, которые рассеиваются в обратном направлении. Для каждого положения детектора различные атомные ядра отражают разное количество ионов, и ускоритель изменяет энергию ионного пучка, чтобы получить характеристическую кривую зависимости энергии от количества ионов. Потом остается только сравнить кривые с кривыми известных материалов, чтобы определить, какие атомы находятся в образце и их относительное количество. Этот метод использовался, например, для подтверждения того, что ножны, принадлежавшие Наполеону, действительно изготовлены из чистого золота. С помощью этого и других методов команда доктора Пачеко может идентифицировать даже малейшие следы элементов периодической таблицы Менделеева, от лития до урана, чтобы раскрыть секреты и происхождение произведений искусства и исторических артефактов без нанесения им какого-либо ущерба. Если вы когда-нибудь задавались вопросом, как историки искусства однозначно определяют подлинность того или иного произведения, то вот один из способов.

Те же методы используются для установления точного состава стекла бутылок старинного вина и сравнения их с известными подлинными бутылками. Винное мошенничество – большая проблема в винодельческой промышленности. Так, однажды коллекционер потратил 500 тысяч долл. на четыре бутылки вина, которые, как утверждалось, принадлежали бывшему президенту США Томасу Джефферсону. Путем ионного анализа выяснилось, что бутылки поддельные, и довольно быстро против виноторговца был возбужден судебный процесс.

Схожая идея также начинает применяться в криминалистике. Большинство методов по сбору следов наркотиков, таких как кокаин, или следов выстрелов уничтожают сами образцы. Но ученые, в том числе доктор Мелани Бейли из Университета Суррея, Великобритания, в настоящее время используют анализ ионных пучков для изучения улик, найденных на месте преступления[142]. Не уничтожая улики, доктор Бейли может проверить элементный состав образца и обнаружить крошечные количества наркотиков или следы, которые были упущены другими. Она даже может сравнить свои результаты с материалами, найденными на одежде или теле подозреваемых: например, крошечные образцы почвы, взятые с обуви, могут указать на подозреваемого.

Для физиков 1932 года все эти технологии были далеким будущим. Кокрофт и Уолтон работали с ускорителем в течение нескольких лет, но вскоре инициатива перешла к новым исследователям. Джон Кокрофт взял на себя управление другими подразделениями лаборатории, а позже работал над использованием ядерной энергии в энергоснабжении. Эрнест Уолтон получил академическую должность в своей родной Ирландии – в Тринити-колледже в Дублине. Этот напряженный период в их карьере, который принес им Нобелевскую премию в 1951 году, больше не повторялся.

Их успех, пришедшийся на тот же год, когда был открыт позитрон, осуществил мечту Резерфорда – открытие того, что находится внутри ядра. Все части головоломки теперь сошлись воедино: ядро атома содержит как протоны, так и нейтроны, обычно в примерно равных количествах. Изотопы различаются по массе, потому что у них разное количество нейтронов, в то время как количество протонов остается неизменным. Некоторые конфигурации более стабильны, чем другие, при этом нестабильные радиоактивны. Теперь задача Резерфорда состояла в том, чтобы понять силы, которые каким-то образом удерживают ядро вместе. Как присутствие нейтронов мешает положительным протонам разрушить ядро? Возникла идея новой, ядерной силы, удерживающей их вместе.

В то время как изобретение Кокрофта и Уолтона все еще использовалось как в научных, так и в промышленных целях, стало ясно, что ускорители частиц, использующие огромные напряжения, скоро достигнут своего предела. Требовалась новая технология. Резерфорд и его коллеги и не подозревали, что именно эта технология, уже разработанная в Соединенных Штатах, почти опередила их в достижении всемирно известного результата.

Глава 6

Циклотрон: искусственная радиоактивность

В 1932 году, когда ускоритель частиц впервые успешно расщепил атом, список элементарных частиц быстро вырос. Он включал в себя электрон и его анти-версию – позитрон, а также протоны и нейтроны. Все они считались неделимыми, хотя позже мы увидим, что протоны и нейтроны тоже имеют структуру. Были введены фотоны, частицы света, и всего четыре года спустя были обнаружены положительные и отрицательные мюоны, тяжелые родственники электронов и позитронов. Никто не знал значения этих частиц, которые не были частью атомов, важны ли они и сколько еще частиц, подобных им, пока не открыто. Но физики понимали, что для того, чтобы узнать больше, им придется последовать примеру Кокрофта и Уолтона и разрушить атом.

Были намеки, которые подтолкнули их в этом направлении, один из которых мы уже видели: тот факт, что какая-то неизвестная сила, казалось, удерживает протоны и нейтроны вместе внутри атома и не дает ядру разлететься на части. Другой намек пришел из химии – или, если точнее, из того, чего недоставало в химии. Уран считался самым тяжелым из известных веществ в периодической таблице[143] того времени, но в таблице не хватало четырех элементов с номерами 43, 61, 85 и 87. Расположив элементы по атомному весу и аналогичным химическим свойствам, русский химик Дмитрий Менделеев в XIX веке предсказал, что эти элементы должны существовать наряду с другими, которые впоследствии были обнаружены. Например, в таблице под алюминием был пробел, и Менделеев предсказал элемент, который он назвал «экаалюминием», а также его химические свойства, плотность и температуру плавления. Галлий (31-й элемент) был открыт в 1875 году и почти точно соответствовал предсказаниям химика. Теперь мы можем назвать недостающие элементы теми именами, которые у них есть сейчас – технеций (43), прометий (61), астат (85) и франций (87), – но в начале 1930-х годов они еще не были открыты и поэтому оставались безымянными.

Вы могли бы подумать, что ученые станут искать эти недостающие элементы, но на самом деле они не тратили свою энергию в этом направлении, и на то были веские причины. Открытие радиоактивности научило их тому, что не все элементы периодической таблицы стабильны, как ранее считали химики, поэтому вполне возможно, что недостающие элементы просто исчезают со временем и, следовательно, их не удастся обнаружить. Теперь, с открытием радиоактивности, атом оказался непредсказуемым, запутанным и настолько динамичным, что химики то и дело заходили в тупик.

Более масштабная цель заключалась в понимании природы атомов и структуры ядра, а также сил, которые удерживают все это вместе. А для этого надо изучить и понять особенности как можно большего числа элементов и попытаться создать всеобъемлющую теорию, которая может предсказать свойства элементов и их изотопов, известных и неизвестных, радиоактивных или нет.

Если бы только можно было создать пучки частиц, достаточно мощные, чтобы расщепить атомы каждого элемента, – кто знает, чего могла бы достичь наука… Именно это побудило Кокрофта и Уолтона обуздать огромные напряжения и построить первый в мире ускоритель частиц, но они были не единственными, кто работал над этой проблемой. Через несколько лет их обойдет молодой американец по имени Эрнест Орландо Лоуренс. Изобретенная им машина не только в итоге будет превалировать в области ядерной физики, но и привлечет ученых из разных дисциплин к преодолению границ и открытию неизведанных областей. А еще работа Лоуренса навсегда изменит медицину.

Лоуренс никогда не собирался становиться физиком. Он был полон решимости изучать медицину, когда поступил в Университет Южной Дакоты и выбрал химию в качестве дополнительной специальности. Любовь к физике пробудил в нем наставник, который обратил внимание на Эрнеста Лоуренса из-за его хобби.

Выросшие в Южной Дакоте, Лоуренс и его сосед Мерл Тьюв большую часть своего свободного времени собирали радиооборудование, общались с помощью азбуки Морзе на чердаке семьи Тьюва, изучали и устанавливали реле, передатчики и прочие мелочи. Когда Лоуренс уехал в университет, он оставил свое радиооборудование дома, но вскоре пожалел, что у университета нет собственного радиоприемника. Лоуренс разыскал декана факультета электротехники Льюиса Эйкли и представил ему четкие и внятные аргументы в пользу покупки некоторого радиооборудования вместе со списками запчастей и указанием их цен.

Вечером Эйкли отправился домой и с энтузиазмом рассказал жене об Эрнесте Лоуренсе, его научном любопытстве и явных способностях. Но почему Лоуренс не поступил ни на физический, ни на электротехнический факультет? Почему он изучал медицину и химию? Убежденный, что Лоуренс – гений в физике, Эйкли выделил ему 100 долларов на покупку радиоаппаратуры, предоставил место для ее установки и оставил его за главного. Эйкли, физик по образованию, осторожничал и не подталкивал Лоуренса к смене курса, поскольку считал, что хорошие студенты сами поймут ценность физики. Он робко спросил Лоуренса, считает ли тот физику полезной ввиду его интереса в области беспроводной связи, но Лоуренс так не думал. Он немного изучал ее в средней школе, но сомневался, что у него есть способности чего-то добиться в этом предмете.

Вопреки всему Эйкли даже пригласил Лоуренса на ужин и начал потчевать его рассказами о великих физиках и их приключениях: начиная с Генриха Герца, увидевшего связь между светом и электричеством, и заканчивая Марией Кюри и ее открытием радиоактивных элементов. Самыми захватывающими были рассказы об Эрнесте Резерфорде, доказавшем, что атом вовсе не неделимый. Эйкли рассказал о приключениях, которые ожидали исследователей в этой области. Они изучали внутренний мир материи и раскрывали тайны Вселенной в мельчайших масштабах, от которых зависит все остальное, включая любимую химию Лоуренса, биологию и медицину. Хорошо тренированный ум, настаивал Эйкли, поможет достичь успехов в любой области, и физика отлично подойдет для такой тренировки. Он выдвинул Лоуренсу последнее предложение: если он проведет один летний месяц, изучая с ним физику, и все равно не проявит к ней интереса, Эйкли никогда больше не поднимет этот вопрос. Лоуренс согласился. К началу нового учебного года сделка окупилась.

«Класс, это Эрнест Лоуренс, – объявил однажды Льюис Эйкли на лекции по физике. – Хорошенько на него посмотрите, потому что придет тот день, когда вы все будете гордиться тем, что учились с ним вместе». Студенты уставились на высокого молодого человека с очаровательной улыбкой, аккуратными каштановыми волосами и голубыми глазами. Однажды, когда Лоуренс заснул на лекции, Эйкли сказал остальным ученикам: «Не обращайте внимания. Пускай спит! Даже во сне он лучше знает физику, чем все вы, бодрствующие»[144]. Эйкли не мог знать, что ждет его любимчика впереди, но его слова оказались пророческими.

К 1928 году, в возрасте всего 27 лет, Эрнест Лоуренс был принят на работу доцентом физики в Калифорнийский университет. Наконец-то возглавив собственную исследовательскую программу и имея за спиной свободу и поддержку, он нуждался только в одном – хорошей теме для исследования.

На этой ступени истории у нас есть преимущество перед Лоуренсом, поскольку мы уже знаем, как обстояли дела в 1928 году и что должно было произойти всего через несколько лет. Мы знаем, что теория Гамова подстегнула Кокрофта и Уолтона разработать первый ускоритель в Кембридже. Мы знаем, что для расщепления ядра лития достаточно энергии всего в несколько сотен кэВ. Но Лоуренс, как и Кокрофт с Уолтоном, ничего из этого не знал. Он знал, что физики открыли электроны и рентгеновские излучение и что у атома есть ядро, и был осведомлен о противоречащих интуиции реалиях квантовой механики и корпускулярно-волновом дуализме. Он знал, что космические лучи непрерывно бомбардируют нас и что облачная камера Вильсона помогла их увидеть, хотя в то время Лоуренс не особенно интересовался детекторами.

Пока многие ученые занимались космическими лучами, Лоуренса, казалось, волновала только возможность контролировать высокоэнергетические частицы в лаборатории. Он не был удовлетворен предпринимаемыми попытками. Его старый школьный друг Мерл Тьюв пытался приручить напряжение в 1 МВ, но Лоуренс хотел знать, куда пойдут исследования после достижения 1 МВ. У него была целая карьера впереди, он не хотел вступать на путь, который закончится всего через несколько лет. Лоуренсу казалось, что в идее использования высоких напряжений для ускорения частиц кроется фундаментальный недостаток. Даже если бы они могли создать полезное напряжение в миллион вольт, они все равно не смогли бы получить частицы с энергией выше 5 МэВ, испускаемые из природных источников (таких как радий), поскольку высокое напряжение преобразуется непосредственно в энергию частиц. Миллион вольт может дать миллион эВ (1 МэВ), но никак не 5 Мэ В. Если тайны атома и должны когда-то раскрыться в лаборатории, то кто-то должен придумать практический метод достижения высоких энергий, десятков или сотен МэВ, без соответствующих высоких напряжений.

В 1929 году Лоуренс поздно вечером читал журналы в библиотеке Калифорнийского университета. По наитию он взял журнал по электротехнике, написанный на немецком языке, и пролистал его, пока не наткнулся на несколько диаграмм и уравнений в статье норвежца по имени Рольф Видероэ. Лоуренс не говорил по-немецки, но идея была достаточно ясна и так.

Сам Лоуренс позже писал, что эта идея настолько проста, что даже дети могли понять ее интуитивно. Когда вы сидите на качелях, есть два способа повыше раскачаться. Вы можете взмыть в воздух одним мощным толчком, либо сделать серию небольших толчков в нужное время, наращивая амплитуду колебаний с помощью принципа резонанса. В уже существующих идеях для ускорителей использовался первый подход, но Лоуренс понял, что предпочтительнее второй способ. Вместо того чтобы единоразово использовать очень высокое напряжение для ускорения частиц, диаграммы Видероэ предполагали подачу осциллирующего напряжения на ряд металлических трубок, выстроенных друг за другом, но с промежутками между ними. Напряжение на трубках будет колебаться от положительного к отрицательному и обратно несколько миллионов раз в секунду при достаточно скромном напряжении. Частицы проходят через середину металлических трубок, как через водопроводную трубу, и только в промежутках между трубками частица сталкивается с напряжением[145]. Если правильно все рассчитать, частицы будут получать небольшой толчок в каждом промежутке, точно так же, как при каждом небольшом толчке на качелях. Для нескольких трубок, питаемых от одного и того же осциллирующего источника, потребуется лишь небольшое напряжение, но общая энергия, получаемая с помощью этих трубок, может быть очень высокой.

Идея Видероэ была хорошей – за исключением одного фундаментального недостатка: чтобы достичь высоких энергий, линия трубок должна быть невероятно длинной. Но что, если вместо длинного ряда трубок запустить частицы по кругу и повторно использовать один и тот же ускоряющий промежуток? Лоуренс мог бы использовать концепцию резонансного ускорения для создания, как он это называл, протонной карусели.

Спеша проверить, сработает ли его идея, Лоуренс схватил бумажную салфетку и начал записывать уравнения. Он знал, что сможет изогнуть направление движения частиц, используя магнитное поле и давно известный факт, что сила магнита может толкать частицы под прямым углом к направлению их движения. С каждым оборотом частицы набирали бы немного энергии, вращаясь по спирали во все более крупных кругах, поскольку они двигаются быстрее. Работая над уравнениями, Лоуренс понял, что бóльшая скорость частиц на каждом бóльшем круге будет точно компенсировать более длинный путь, по которому они должны пройти, поэтому время, необходимое для возвращения к промежутку между трубками, будет оставаться одинаковым на каждом повороте. А значит, он может использовать напряжение, которое колебалось бы с постоянной частотой, что было бы легко спроектировать. Это было слишком хорошо, чтобы быть правдой.

Он помчался в факультетский клуб и попросил первого попавшегося математика, Дональда Шейна, быстро проверить его расчеты. Шейн подтвердил, что математика верна, затем посмотрел на Лоуренса и спросил: «Но что вы собираетесь с этим делать?»[146]. «Бомбардировать и расщеплять атомы!» – ответил Лоуренс.

Это была такая простая и элегантная идея, что Лоуренс удивился, почему она никому не приходила в голову. Несмотря на нетерпение, он не сразу начал осуществлять свой замысел, так как уже спланировал путешествие по стране. Он поехал в Вашингтон на собрание Физического общества, затем в Бостон, чтобы повидаться со своим братом Джоном, и в компанию General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк, где обещал провести два месяца. По пути он выступал с докладами и обедал со многими ведущими физиками, включая Роберта Милликена. Куда бы он ни пошел, он рассказывал о своей идее любому, кто только слушал.

Многие находили причины, по которой его идея не сработает. Говорили, например, что в таком устройстве невозможно сфокусировать частицы, поэтому они не смогут атаковать что-то такое маленькое, как атомное ядро. Также говорили, что частицы не станут следовать спиралевидной траектории или будут отлетать вертикально, врезаться в камеру и теряться. Возникали вопросы и касательно того, как Лоуренс будет извлекать частицы из машины, хотя на этот счет у него уже были некоторые идеи. Даже его старый друг Мерл Тьюв выразил сомнения, в то время как Лоуренс, в свою очередь, скептически отнесся к попыткам Тьюва ускорить частицы при помощи катушки Теслы. Но к тому времени, когда Лоуренс вернулся в Калифорнию, он был готов испытать свою идею.

Первый аспирант Лоуренса в Калифорнийском университете, Нильс Эдлефсен, был на шесть лет старше Лоуренса и только что закончил свою диссертацию. Шел 1930 год, и Эдлефсен еще не решил, какой работой займется после получения ученой степени, так что у него оказалось немного свободного времени. Эдлефсен хотел сосредоточиться на теоретической работе и подготовке к экзаменам, но у Лоуренса были другие соображения. Он настаивал на том, что его радикально новая идея ускорителя частиц гораздо интереснее изучения теории и он не видит никаких причин, по которым она не сработает. Эдлефсен тоже не видел в ней ничего плохого и, проучившись еще две недели, в конце концов сдался и согласился попробовать. «Хорошо! – сказал Лоуренс. – Приступим к работе. Вы сразу же придумаете то, что нам нужно»[147].

Весной 1930 года Эдлефсен приступил к работе со стеклянной колбой размером с флакон духов, которую он выравнивал и покрывал серебром. Он осторожно соскреб узкую полоску серебра посередине, оставив две отдельные серебряные области для электродов. Конструкция колбы позволяла откачать из нее воздух и имела отверстия для введения ионообразующей нити, протонообразующего водорода и электрического датчика для определения результатов. Затем все отверстия были запечатаны воском. Лоуренс тем временем провел несколько переговоров, чтобы получить разрешение на использование самого большого магнита на кафедре. Идея состояла в том, что колба будет обмотана проволокой, доведена до состояния вакуума и помещена между полюсами магнита, что заставит частицы вращаться по спирали, по мере того как они будут набирать энергию. Наконец они были готовы подвергнуть свою установку испытанию.

Они ее включили. Стекло треснуло. Стеклянная камера явно не подходила. Ничуть не смутившись, Лоуренс и Эдлефсен пришли к новой идее. Они взяли маленькую круглую медную коробочку, которую Эдлефсен разрезал пополам, чтобы сформировать электроды. Затем их прикрепили к листовому стеклу с помощью воска так, что две половины коробки были разделены небольшим расстоянием, а их отверстия располагались параллельно друг другу. Если вы представите, что берете большое печенье, завернутое в медную фольгу, затем разламываете его посередине и вынимаете печенье, то два оставшихся медных фрагмента дадут вам представление о том, как выглядели половинки этой коробки. К ним был подключен радиочастотный генератор для получения переменного напряжения. Установка выглядела немного беспорядочно. После всех разговоров Лоуренса о его идее другие сотрудники лаборатории не сдерживались и поддразнивали Эдлефсена и Лоуренса по поводу их якобы мощной машины для ускорения частиц.

Удалось ли Эдлефсену успешно ускорить протоны в устройстве, неясно. Он действительно запустил несколько протонов циркулировать по кругу, но, прежде чем смог получить какие-либо определенные результаты, он должен был приступить к работе, которую нашел в другом месте. Но для Лоуренса проект был достаточно многообещающим, так что он немедленно нанял нового студента для работы над резонансным ускорителем.

Этот студент, Милтон Стэнли Ливингстон, был серьезным на вид сыном священника, который в университете переключился с химии на физику. Единственный сын в семье, он вырос на ферме в Калифорнии среди инструментов и машин, которые научили его практическим навыкам проектирования и построения сложных систем. Теперь эти навыки подверглись испытанию, поскольку он работал над устройством, которое должно было стать известным как «циклотрон».

Ливингстон собрал крошечное устройство, которое могло уместиться на ладони и было похоже на вариант Эдлефсена, хотя и более аккуратный. Всего 11 см в диаметре, оно было сделано из латуни и запечатано воском, а на само изготовление ушло около 25 долларов. Ливингстон быстро добился прогресса, и во время рождественских каникул 1930 года он и Лоуренс использовали эту 11-сантиметровую модель и колебательное напряжение в 1800 В, ускорив протоны до 80 000 эВ, – концепция сработала. Циклотрон мог ускорять частицы до энергий, во много раз превышающих использованное напряжение, точно так, как и задумывал Лоуренс в тот день в библиотеке.

Лоуренс и Ливингстон корректировали устройство, улучшая его методом проб и ошибок. Они изменили форму электродов и размер зазора между ними, а также слегка отрегулировали магнит с целью фокусировки, значительно увеличив ток пучка. Несколько недель спустя они построили циклотрон диаметром всего 30 см, для которого был изготовлен магнит еще большего размера. Настроив его, Ливингстон обнаружил, что они смогли разогнать протоны до скорости чуть менее миллиона эВ, приложив всего 3000 В. Лоуренс буквально прыгал по лаборатории: наконец-то его изобретение может разбивать атомы!

Лоуренс снова отправился в путешествие, и, пока он рассказывал о достоинствах своего нового изобретения, которое почти – но не совсем – достигло волшебной отметки в миллион вольт, Ливингстон продолжал работать. 3 августа 1931 года Лоуренс получил телеграмму, в которой сообщалось, что рекорд наконец достигнут: «Доктор Ливингстон попросил меня сообщить вам, что ему удалось получить протоны с напряжением в 1 миллион 100 тысяч вольт. Он также сказал мне добавить “Ого!”».

Лоуренс был у своей девушки Молли Блюмер, когда пришли новости. Он зачитал телеграмму ее семье. Пока все поздравляли его, он вывел Молли на улицу и сделал ей предложение. Она согласилась – при условии, что сначала закончит учебу в Гарварде. Затем Лоуренс поспешил обратно в лабораторию и провел последующие дни с Ливингстоном, демонстрируя изобретение всем желающим коллегам и друзьям. Относительно крошечная и недорогая машина смогла превзойти результаты, которые Кокрофт и Уолтон достигли с помощью генератора размером с комнату.

Если бы в тот момент они действительно сошлись на том, что достигли желаемого – разрушать атомы, – тогда история ядерной физики выглядела бы несколько иначе. Но команда Лоуренса из десятка физиков и инженеров была полна решимости достичь более высоких энергий. Воодушевленные заразительным энтузиазмом Лоуренса, они построили циклотроны большего размера, сначала 69 см циклотрон, для которого Федеральная телеграфная компания пожертвовала большой магнит, а затем его 94 см версию. Вскоре энергия протонов достигла 2 млн эВ.

Почему они не использовали циклотроны в научных целях? Почему они так увлеклись созданием все больших и больших устройств? Преуспев в создании циклотрона, они фактически изобрели совершенно новую область физики, в которой работаю и я, – физику ускорителей. Они поняли, что управление пучками заряженных частиц и манипулирование ими само по себе является увлекательной областью исследований и что прогресс в этой области обеспечит будущий прогресс в физике, как и предсказывал Лоуренс. Успешно ускоряя пучки с помощью циклотрона, команда Лоуренса уже опровергла заявления многочисленных недоброжелателей, которые говорили, что это невозможно. Теперь им предстояло поработать над тем, чтобы точно понять, как работают ускорители и как их улучшить, что требовало детального знания физики и поведения заряженных частиц. Они вышли так далеко за пределы технологии, что приобрели совершенно новые знания в физике и технике: знания о том, как пучки субатомных частиц создаются и взаимодействуют с электрическими и магнитными полями, как создавать электромагниты с точными свойствами и как фокусировать, транспортировать и измерять пучки субатомных частиц, невидимых глазу.

Энтузиазм Лоуренса и Ливингстона привел к тому, что команда пропустила ряд важных открытий. В 1932 году, как раз когда циклотрон побеждал в гонке высоких энергий, они были – с научной точки зрения – оставлены далеко позади теми, кто проводил более простые эксперименты. Чедвик открыл нейтрон и измерил его массу, которая оказалась очень похожей на массу протона. В Колумбийском университете Гарольд Юри открыл новый изотоп водорода с одним зарядом, но вдвое большей массой, называемый дейтерием. В том же году Андерсон с помощью облачной камеры открыл позитрон. А в апреле пришли важные вести: Кокрофту и Уолтону впервые удалось успешно расщепить атом. Команда Лоуренса быстро настроила циклотрон с литиевой мишенью, чтобы воспроизвести те же результаты. Всего за пару недель они легко увеличили энергию протонов до 1,5 МэВ, что почти в два раза превышает энергию, которой добились в Кавендише. В соответствии с теорией квантового туннелирования Гамова они обнаружили, что более высокие энергии еще больше увеличивают скорость реакции. Пускай они не были первыми, но, по крайней мере, они были правы, полагая, что высокие энергии позволят более эффективно разбивать атомы. Теперь, имея на руках самую высокую энергию, они были на взводе и мчались наперегонки. Циклотронщики, как их стали называть, решили провести эксперимент, который никому другому не удался бы. Они заставили химический факультет университета произвести немного дейтерия, или «тяжелого водорода». Они поместили его в свой ионный источник, чтобы отделить электрон и произвести дейтроны (ядра дейтерия) в качестве снарядов в циклотроне. С одним протоном и одним нейтроном, как предположила команда, более тяжелые дейтроны будут проникать в ядро мощнее, чем протоны. К 1933 году они добились совершенно ошеломительных результатов: все элементы, бомбардированные дейтронами, казалось, запускали реакции, скорости которых намного превышали те, которых можно было бы достичь с помощью протонов. В результате этих реакций всегда образуются нейтроны и протоны с удивительным количеством энергии. Единственным выводом, по словам Лоуренса, было то, что дейтрон распадался. Если это правда, то, как он подсчитал, нейтрон должен быть намного легче, чем измерил Чедвик.

Прежде чем Лоуренс успел это выяснить, ему пришло приглашение на Сольвеевский конгресс 1933 года в Брюсселе – встречу величайших представителей ядерной физики. Сначала Лоуренс не собирался ехать из-за своей большой преподавательской нагрузки, но приглашение было такой большой честью для его лаборатории и университета, что Лоуренсу позволили пропустить занятия и даже отправили его на корабле первым классом. В процессе подготовки Лоуренс собрал воедино все результаты экспериментов с дейтронами, какие только смог.

В Брюсселе Лоуренс оказался среди самых известных физиков, от Альберта Эйнштейна до Марии и Ирен Кюри и, конечно же, лорда Резерфорда. Когда подошла его очередь выступать, Лоуренс рассказал о больших перспективах циклотрона и представил свои результаты экспериментов с дейтроном. Однако он не произвел того впечатления, на которое рассчитывал: многие были настроены скептически или, в лучшем случае, думали, что он, должно быть, совершил ошибку. Резерфорд, самопровозглашенный дедушка ядерной физики, согласился с ними. Несмотря на это, ему понравился юноша-первопроходец. Он толкнул локтем Чедвика, который, должно быть, не был слишком впечатлен молодым американцем, и сказал: «Он прямо как я, когда я был в его возрасте!»

Вскоре команда Кавендиша, использовавшая ускоритель Кокрофта и Уолтона, показала, что дейтроны образуют слой тяжелого водорода на поверхности мишени. Реакции, которые наблюдала команда Лоуренса, заключались в столкновении дейтронов с другими дейтронами, а не в распаде других элементов. Это объясняет, почему результаты выглядели одинаково для каждой мишени, и в правильной реакции масса нейтрона ровно такая, какой ее описывал Чедвик. Раскритикованный Лоуренс написал всем заинтересованным лицам письма с извинениями за ошибку. Обращаясь к своей команде, он настаивал на том, что «наука может развиваться и через ошибки», но теперь он усвоил урок. В будущем им придется быть гораздо более осторожными.

Одна из причин, по которой Лоуренс и Ливингстон продолжали отставать, – отсутствие у них устройства для обнаружения и подсчета частиц. Вот уж чего определенно было в достатке в Кавендишской лаборатории! Команда Лоуренса пыталась разработать счетчик Гейгера, но отказалась после двух попыток, поскольку счетчики постоянно реагировали на высокий фоновый уровень радиации. У них не было и облачных камер, поэтому их измерения были довольно посредственными, хотя циклотрон мог производить гораздо более высокие энергии, чем другие машины.

После Сольвеевского конгресса и фиаско с дейтроном Лоуренс и Ливингстон вернулись к работе, как и все их конкуренты в лабораториях по всему миру. В 1934 году Лоуренс вбежал в лабораторию, размахивая экземпляром французского журнала. Отдышавшись, он сообщил своей команде новость: Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в Париже индуцировали радиоактивность, бомбардируя естественными альфа-частицами мишени из легких элементов. Им даже не потребовался ускоритель.

Понимая, что перед ними все элементы искусственно созданной версии того же эксперимента, они, как писал Ливингстон «… сменили мишень на углеродную, отрегулировали схемы счетчика, а затем на протяжении 5 минут бомбардировали мишень. <…> Счетчик был включен, “щелк-щелк-щелк-щелк”. Мы наблюдали наведенную радиоактивность спустя менее получаса с тех пор, как узнали о результатах Жолио-Кюри»[148].

Команда Лоуренса была настолько сосредоточена на разработке циклотронов, что они упустили возможность первыми обнаружить искусственную радиоактивность. Но они были такие не одни, так как Кавендиш и любая другая лаборатория с ускорителем тоже остались в стороне. Команда Лоуренса подключила свой счетчик Гейгера к тому же переключателю, что и ускоритель, и как только он выключался, выключался и счетчик. Если бы они оставили его включенным, то с первых же экспериментов поняли бы, что циклотрон производит радиоактивные элементы. По крайней мере, теперь они могли понять причину, почему у них не получалось создать надежный счетчик Гейгера: вся лаборатория была радиоактивна[149].

Благодаря экспериментам Жолио-Кюри Лоуренс понял, что можно получить десятки новых радиоактивных элементов. Используя циклотрон, они могут бомбардировать различные элементы протонами или дейтронами, изменять число нейтронов и протонов и производить радиоактивные изотопы. Теперь они могут выйти за рамки естественных радиоактивных элементов. Они могут воссоздать реакции в звездах, которые в первую очередь привели к образованию этих элементов. Возможно, они могли бы даже создать такие элементы и радиоактивные изотопы, которые больше не встречаются на Земле или распались до очень малых количеств.

Менее целеустремленная команда с менее вдохновляющим лидером была бы обескуражена тем, что их циклотрон уступил первое место Кокрофту и Уолтону в гонке за расщепление атома и – всего за несколько недель – в открытии искусственной радиоактивности. Всего год спустя Ирен и Фредерик Жолио-Кюри были удостоены Нобелевской премии по химии. Но если Лоуренс и завидовал успеху других, он этого не показывал. «Открытий хватит на всех», – говорил он своим ученикам[150]. Кроме того, он не стал бы меняться местами с Кокрофтом и Уолтоном или с Жолио-Кюри, потому что теперь у него есть машина, которая обгонит их всех.

В течение одного или двух дней после открытия Жолио-Кюри в 1934 году Лоуренс открыл радионатрий[151], бомбардируя дейтронами мишень из хлорида натрия (поваренной соли). Циклотрон мог производить миллионы атомов радионатрия в секунду, которые затем распадались с периодом полураспада в 15,5 часа, испуская электроны и гамма-лучи. Он снова обнаружил, что чем выше энергия пучка циклотрона, тем выше выход радионатрия. Вслед за ним был открыт радиофосфор. Мы можем только представить, какое волнение Лоуренс, должно быть, испытывал, зная, что перед ним открывался целый мир радиоэлементов. Могут быть обнаружены десятки, если не сотни, новых радиоактивных веществ. В разгар этого волнения ему пришло в голову, что, возможно, эти новые радиоактивные элементы могут оказаться полезными для общества.

Лоуренс написал своему младшему брату Джону, врачу-гематологу. Летом 1935 года Джон Лоуренс приехал в Радиационную лабораторию на каникулы из Йеля, воодушевленный тем, что могут сделать новые радиоизотопы в области медицины.

Уже было известно, что рентгеновские лучи способны убивать человеческие клетки – потенциальное будущее лечение рака. Но никто еще не пробовал использовать радиоизотопы. Поскольку новые изотопы обладали теми же химическими свойствами, что и их нерадиоактивные аналоги, Джон понял, что системы организма могут отнестись к радиоактивным элементам так же, как и к обычным. Соль, изготовленная из радиоактивного натрия, будет усвиваться так же, как, например, обычная соль. Затем он мог бы использовать радиоактивные свойства для взаимодействия с телом или, возможно, даже для визуализации внутренних процессов организма, не делая при этом ни одного разреза на коже.

Джон начал с радиоактивного фосфора-32, производимого циклотроном, исследуя метаболизм животных. Фосфор – второй по распространенности элемент в организме после кальция, он составляет 1 % массы тела и, помимо всего прочего, участвует в формировании костей и зубов. Джон подготовил группу мышей с лейкемией и ввел им радиоактивный фосфор, а затем отправился к местной реке ловить рыбу. Две недели спустя он вернулся и обнаружил, что группа мышей, которым он сделал инъекцию, была жива и, по-видимому, здорова, в то время как все мыши «контрольной» группы, которым не делали инъекцию, были мертвы. В течение нескольких месяцев Джон Лоуренс испытывал радиоактивный фосфор на пациентах-людях и пришел к впечатляющим результатам: фосфор способствовал ремиссии их болезни.

Чуть позже Джон и Эрнест решили проверить, что случится с крысой, если подвергнуть ее внешнему облучению. Они поместили крысу в циклотрон в лучевой камере, между верхним и нижним полюсами магнита рядом с бериллиевой мишенью, и включили луч, обеспечив очень низкую дозу радиации. Примерно через минуту Джон попросил выключить циклотрон, чтобы проверить, как дела у крысы. Она была мертва. Это привело в ужас всю команду, которая испугалась, что биологические последствия радиации намного хуже, чем они думали. Они взялись за дополнительное экранирование циклотрона. Позже Джон понял, что крыса умерла не от радиации, а от недостатка кислорода: она была помещена в вакуумный сосуд, а весь воздух выкачали. Несмотря на это, внезапно возник большой интерес к воздействию радиации на людей, как положительному, так и отрицательному[152]. Эксперименты были настолько многообещающими, что на следующий год Джон отправился в Калифорнийский университет, основал собственную лабораторию и собрал команду. Два брата проработали вместе много лет.

Если бы вы в те дни прошли через Радиационную лабораторию, то отметили бы, насколько она многолюдна. В одном помещении были и клетки с мышами, и «мокрые» лаборатории для химического разделения, и электрические приборы для физиков, не говоря уже о циклотроне и его экранировании. Вас окружали бы не только физики, но и эксперты из прочих областей, включая инженеров, химиков и биомедиков. Лоуренс не всегда мог позволить себе платить им – многие присоединялись к работе исключительно из энтузиазма. Возможность использовать свое открытие в медицине очень помогла ему с финансами, что было особенно важно во времена Великой депрессии. Радионатрий удалось получить с помощью 69-сантиметрового циклотрона, производящего дейтроны с энергией 6 МэВ при относительно скромном токе, но в 1937 году циклотрон был модернизирован и превращен в 94-сантиметрову машину с удвоенным током и энергией пучка в 8 Мэ В. Благодаря этому у исследователей было достаточно радионатрия и радиофосфора для работы, а у физиков – достаточно энергичный луч, чтобы лучше узнать ядерную физику.

Обычно циклотрон обстреливал цель, которая затем передавалась кому-нибудь с химического факультета, проводившему химическое разделение. Обычно это требовало растворения мишени и последующей перегонки для разделения химических веществ с помощью разницы в температурах их кипения. Иногда для разделения растворенных элементов требовались другие методы – например, добавление дополнительных химических веществ, чтобы элемент преобразовался в твердое вещество, или отделение элементов с помощью хроматографии. Как только все было сделано, физик снова брался за дело, используя электроскоп или другой инструмент для измерения активности и периодов полураспада продукта. Используя этот метод, химик Гленн Сиборг в 1937 г. обнаружил новый радиоактивный изотоп железа, железо-59, который сразу же нашел применение в изучении заболеваний крови.

Джон и Эрнест увидели наибольший потенциал в непосредственном применении радиации для лечения рака. Их эксперименты с использованием нейтронов показались перспективными. Они также изучали высокоэнергетические рентгеновские лучи, полученные с помощью линейного ускорителя, построенного коллегой Лоуренса Дэвидом Слоаном. В 1937 году Джон и Эрнест получили известие о том, что у их матери рак матки и ей осталось всего несколько месяцев. Клиника, в которой она находилась, – клиника Мейо – не хотела лечить ее облучением, но братья попросили одного из врачей, работавших с Джоном, попробовать применить рентгеновские лучи. Позже Джон Лоуренс сказал в одном интервью: «Короче говоря, огромная опухоль просто начала испаряться». На момент обнаружения болезни их матери было около 67 лет, она прожила до 83. Мы вернемся к лучевой терапии гораздо подробнее в главе 10.

В 1938 году Сиборг открыл кобальт-60 – интенсивный источник гамма-излучения с периодом полураспада 5,3 года, который позже нашел широкое применение, на пике своего использования обеспечивая 4 миллиона терапевтических облучений в год только в Соединенных Штатах. Он по-прежнему широко используется в медицине и промышленности в качестве хорошо регулируемого источника излучения[153]. В том же году в беседе с врачом Сиборг узнал об исследованиях метаболизма в щитовидной железе с использованием йода-128, период полураспада которого составлял 25 минут и был настолько коротким, что препятствовал исследованиям. Доктор сказал, что он бы предпочел такой изотоп, у которого период полураспада составляет хотя бы неделю. Сиборг и его коллеги быстро нашли йод131, период полураспада которого, как и желал врач, составлял около восьми дней. Циклотрон дал такую богатую почву для открытий, что казалось, будто ученые могут изобретать новые изотопы по первому требованию. Йод-131 в настоящее время используется миллионы раз в год для диагностики и лечения заболеваний щитовидной железы, диагностики заболеваний почек и печени, а также для функционального тестирования органов. Мать Сиборга лечили йодом-131, в результате чего ее жизнь была продлена на годы.

По мере роста все новых применений радиоактивных элементов в медицине физики продолжали расширять границы, ища новые изотопы и собирая воедино все то, что они узнали о структуре ядра и о том, как его использовать. Теперь они могли не только создавать радиоактивные изотопы известных элементов, но и находить те вещества, которые никогда раньше не встречались в природе, чтобы заполнить пробелы в периодической таблице. Первым совершенно новым элементом, обнаруженным в 1937 году, был технеций (атомный номер 43). Он был синтезирован Эмилио Сегре в Италии, после того как он посетил Радиационную лабораторию и убедил Лоуренса отправить ему по почте тонкую молибденовую фольгу – часть циклотрона, – чтобы посмотреть, сможет ли он определить, какой тип радиоактивных элементов там присутствует. После серии химических разделений и очисток Сегре и его коллега Карло Перрье нашли доказательства наличия двух изотопов технеция: технеция-95m (с периодом полураспада 61 день) и технеция-97m (период полураспада – 91 день).

Все изотопы технеция радиоактивны, и так как преобладающий в природе изотоп технеций-99 имеет период полураспада 211 тысяч лет, его очень трудно найти, поскольку практически весь он распался за время существования Земли[154]. Но с циклотроном стало возможно это исправить. В 1938 году Сегре переехал в Соединенные Штаты, где сотрудничал с Гленном Сиборгом, используя циклотрон, чтобы подтвердить существование другого изотопа нового элемента, технеция-99m. Период полураспада этого изотопа – около шести часов, а сам изотоп представляет собой стадию распада ядра технеция, во время которой испускаются гамма-лучи.

Технеций-99m оказался невероятно важным изотопом для медицинской диагностики, и впервые его использовали для медицинского сканирования печени в 1963 году. К концу 1990-х годов он использовался в более чем 10 миллионах диагностических процедур в год только в Соединенных Штатах, визуализируя функции щитовидной железы, головного мозга, печени, селезенки и костного мозга, а также других частей организма. Спрос возрос, и этот изотоп до сих пор широко используется медиками по всему миру в качестве радиоактивного индикатора. Сиборг и Сегре явно не подозревали о его потенциальном применении в медицине, когда занимались его изучением.

Остальные три недостающих элемента периодической таблицы Менделеева были найдены в течение следующих нескольких лет. Все четыре оказались радиоактивными, что объясняло, почему они оставались незамеченными: их очень мало в природе. Период полураспада самого долгоживущего изотопа – франция-233 – составляет всего 22 минуты (открыт в 1939 году Маргаритой Перей в Париже), период полураспада астата-210 – 8,1 часа (открыт в 1940 году Корсоном, Маккензи и Сегре в Калифорнии), а период полураспада прометия-145 – 17,7 года (открыт в 1945 году Маринским, Гленденином и Кориеллом в Теннесси). Когда периодическая таблица была заполнена, циклотрон позволил физикам из Беркли выйти за ее пределы. На протяжении многих лет Сиборг и другие физики, движимые вопросом о том, сколько нейтронов и протонов может удерживаться вместе в ядре и при каких обстоятельствах они стабильны или нестабильны, создавали все более тяжелые элементы. Сиборг был удостоен Нобелевской премии по химии в 1951 году за открытие трансурановых элементов – плутония, америция, кюрия, берклия и калифорния. Сиборг и его коллеги из Беркли позже синтезировали эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий и, конечно же, сиборгий, названный в честь Гленна Сиборга.

Благодаря циклотрону и другим ускорителям периодическая таблица значительно расширилась с тех пор, когда уран (атомный номер 92) считался самым тяжелым известным элементом. Сегодня самый тяжелый элемент, полученный в лаборатории, – это унуноктий (118), также известный как оганесон, названный в честь его первооткрывателя Юрия Оганесяна. Он был синтезирован в 2016 году в Дубне, Россия, и до сих пор было изготовлено только четыре его атома, поэтому его химические и физические свойства все еще изучаются. Чтобы понимать, как образовывались тяжелые элементы в ранней Вселенной, крайне важны исследования образования сверхтяжелых элементов, которые до сих пор продолжаются во многих лабораториях по всему миру.

Периодическая таблица показывает элементы, расположенные по атомному номеру или числу протонов, но из-за расширения числа радиоизотопов с помощью циклотрона появилась вторая версия, «таблица нуклидов», также известная как диаграмма Сегре: количество нейтронов нанесено на горизонтальную ось, а число протонов – на вертикальную. Стабильные элементы периодической таблицы лежат на диагональной линии, но вокруг них нарисована широкая полоса экзотических и нестабильных ядерных конфигураций, известных как нуклиды, расположенных и окрашенных в зависимости от типа излучения, которое они испускают при распаде.

Циклотроны становились все более и более мощными, и в 1939 году в Беркли была профинансирована и открыта новая лаборатория. В лаборатории Крокера был установлен аппарат длиной около 130 сантиметров, а команда Лоуренса насчитывала 60 человек для сборки и эксплуатации циклотронов, которые иногда потребляли так много энергии, что отключали электроэнергию в ближайшем городе. Среди всей этой лихорадочной работы Лоуренс нашел время посетить Стокгольм, чтобы получить Нобелевскую премию по физике 1939 года.

Открытия не прекращались, в частности, был открыт углерод-14 – изотоп, который стал ключевым в радиоуглеродном датировании. Несмотря на рост напряженности во всем мире в 1939 и 1940 годах, Лоуренс спроектировал и построил еще более крупную машину, предназначенную для того, чтобы впервые преодолеть энергетический барьер в 100 Мэ В. Для достижения такой высокой энергии требовался гораздо больший магнит, чтобы ограничивать луч. Чтобы удвоить энергию, надо было увеличить вес магнита в восемь раз, для чего потребовалось бы столько же железа, сколько для военного корабля. Огромная машина длиной почти 4,5 метра, вершина достижений в области создания циклотронов, была построена в новом здании выше по склону от первоначальной Радиационной лаборатории. Когда началась Вторая мировая война, она все еще строилась[155].

Многие физики, включая Лоуренса, были задействованы в войне: искали способы высвобождать энергию из ядер в качестве оружия, и огромный новый циклотрон был реквизирован для военных целей. Тем временем Джон Лоуренс разработал методы визуализации, которые предполагали использование радиоактивных газов для изучения внутреннего функционирования человеческого организма. Работая вместе с Корнелиусом Тобиасом, одним из учеников Эрнеста Лоуренса, он использовал радиоактивные изотопы газов азота, аргона, криптона и ксенона (полученные с помощью полутораметрового циклотрона), чтобы выяснить природу «кессонки», или декомпрессионной болезни. Это было в те дни, когда летчики еще не использовали противоперегрузочные костюмы. Сегодня радиоактивный газ криптон по-прежнему используется в больницах для визуализации дыхания пациентов.

Вероятнее всего, сегодня вы найдете циклотрон не в большой лаборатории, а в подвале больницы. В настоящее время создано и широко используется в медицине более 50 типов радиоизотопов, и почти во всех крупных больницах есть отделение нуклеологии – ядерной медицины. Эти радиоизотопы могут лечить болезни и помогают поставить диагноз, когда наши гормоны, кровоток или другие функции органов не работают должным образом. Если вам когда-нибудь понадобится снимок вашей щитовидной железы, кости, сердца или печени, скорее всего, вы воспользуетесь техникой, разработанной братьями Лоуренс и их командой. Во всем мире ежегодно проводится от 15 до 20 миллионов таких сканирований – примерно одно на сто человек в развитых странах.

Без сотрудничества Джона и Эрнеста Лоуренсов, без стремления разбивать атомы все более и более мощными ускорителями и без междисциплинарного сотрудничества ничего этого не было бы. Сиборг позже говорил, что, когда он работал над поиском радиоизотопов, у него не было ни малейшего представления о полезном клиническом применении его открытий. Лоуренс, конечно, не думал, что создаст машину, которая изменит медицину. Джон и Эрнест, когда были молоды, и не предполагали, что будут работать вместе. Тем не менее Лоуренса и его лабораторию стали считать пионерами междисциплинарного сотрудничества и основоположниками эры Большой науки.

Вдохновение, которое подтолкнуло Лоуренса к созданию циклического ускорителя, проложило путь к более высоким энергиям, чем когда-либо видела наука. На протяжении десятилетий циклотрон двигал ядерную физику вперед. Даже Чедвик построил один такой циклотрон в Ливерпульском университете, заручившись помощью Лоуренса и сказав ему, что это один из самых красивых когда-либо изобретенных инструментов. Тем не менее, несмотря на все открытия и достижения в медицине, энергия циклотронных лучей все еще была намного меньше энергии частиц, исходящих от космических лучей, и в конце концов даже эти прекрасные машины начали достигать своего предела.

Огромное количество железа, необходимое для изготовления магнитов, затрудняло создание более крупных машин. Даже при достаточном количестве железа законы физики в конечном итоге сорвут планы создания все больших и больших циклотронов. Специальная теория относительности Эйнштейна утверждала, что по мере приближения частиц к скорости света они будут продолжать набирать энергию, но больше не будут набирать скорость. Это означает, что с увеличением энергии частицы в циклотроне будут рассинхронизироваться с ускоряющимися толчками и достигнут своего верхнего предела, возможно, в несколько сотен Мэ В. Пришло время что-то менять.

Глава 7

Синхротронное излучение: неожиданный свет

В 1933 году радиоинженер из компании Bell Labs Карл Янский сканировал небо на «коротких волнах» или радиочастотах с помощью антенны. Он пытался выяснить наличие каких-либо источников шума, которые могли бы помешать телекоммуникационной компании AT&T передавать телефонные сигналы через Атлантику. Вместо этого он обнаружил таинственное шипение, которое он поэтически окрестил «звездным шумом», – космические радиоволны, наиболее сильные в направлении края нашей галактики. Тысячелетиями люди смотрели в ночное небо, не зная, что видят всего лишь часть происходящего снаружи, не дальше видимого спектра. Открытие Янского показало, что большая часть света, исходящего из Вселенной, находится не в видимом спектре, а в радиоспектре.

Так совпало, что это открытие случилось тогда же, когда физики-ядерщики изучали природу в ее мельчайших масштабах. Две области – астрономия и ядерная физика – поначалу казались не связанными, пока случайное открытие с использованием ускорителей частиц не привело к объединению знаний двух областей. Результатом стало не просто более глубокое понимание астрофизики, но и создание мощных инструментов, сейчас использующихся практически во всех областях науки, открытия которых повлияли на всю нашу жизнь.

Поначалу астрономическое сообщество проигнорировало открытие Янским космических радиоволн. Но вскоре эту тему подхватил другой радиоинженер, Гроут Ребер. Ребер профинансировал и построил первый радиотелескоп в Иллинойсе в 1937 году и обнаружил яркие источники радиоволн в созвездиях Лебедя и Кассиопеи. Со временем астрономы обратили на это внимание, и этот новый инструмент привел к заметному сдвигу в нашем взгляде на космос. К 1950–1960-м годам радиоастрономия дала нам совершенно иной взгляд на Вселенную, открыв то, о чем мы раньше не знали. Небесные объекты излучали радиоволны, включая нашу галактику Млечный Путь. Астроном Джесси Гринштейн позже говорил в интервью The New York Times, что заря радиоастрономии «привела к появлению информации, которая перевернула идею рационально развивающейся Вселенной… и заменила ее релятивистским космосом сверхвысоких энергий, полным страшных, жестоких, неконтролируемых сил, таких как черные дыры и квазары. Это была революция»[156].

Радиоастрономия привела ко многим открытиям. Например, в 1945 году геолог и физик Фрэнсис Элизабет Александер установила, что радиосигналы исходят от Солнца. В 1967 году Джоселин Белл Бернелл обнаружила объекты, излучающие интенсивные регулярные импульсы радиоволн, напоминающие внеземной маяк, за что они получили прозвище «маленькие зеленые человечки». Пульсары, как мы называем их сегодня, – это чрезвычайно компактные вращающиеся звезды, испускающие излучение со своих полюсов, из которых астрономы многое узнали о процессах в конце жизни звезды. Открытие пульсаров было настолько важным, что за него удостоили Нобелевской премией, но не Белл Бернелл – очевидно, из-за ее статуса аспирантки в то время: вместо нее награду получил ее научный руководитель Энтони Хьюиш[157].

Сегодня многое из того, что мы знаем о космологии, черных дырах, сверхновых и других впечатляющих объектах во Вселенной, – результат десятилетий работы в области радиоастрономии, но еще в 1940-х годах ученые искали ответ на важный вопрос: как эти объекты, от пульсаров до Млечного Пути, излучают радиоволны? Ответ был найден здесь, на Земле, физиками, строящими ускорители, чтобы проникнуть в атом.

В начале 1940-х годов на сцену вышел новый тип ускорителя частиц, который стал известен как бетатрон[158]. Часть «трон» означает «инструмент», а «бета» – излучение, которое состоит из высокоэнергетических электронов, именно то, чего так хотели ученые от новой машины.

Почему бы просто не использовать циклотрон? Оказывается, он отлично подходит для протонов и дейтронов, но плохо ускоряет электроны. Циклотрон, как мы видели в предыдущей главе, представляет собой машину, которая использует магнитное поле для изгиба заряженных частиц по кругу и колеблющееся электрическое поле, которое придает частицам большую скорость. Будучи самыми легкими представителями мира частиц, электроны очень легко достигают скорости, близкой к скорости света, и, согласно теории относительности, хотя частицы могут получать больше энергии на этих скоростях, они уже не становятся быстрее. Это означает, что колеблющееся электрическое поле теряет синхронность с электронами и начинает их замедлять. Физики, стремящиеся заполучить высокоэнергетические электроны для генерации рентгеновских лучей или проведения экспериментов по рассеянию, оказались в тупике. Но бетатрон доказал, что на циклотроне свет клином не сошелся, как любил говорить Лоуренс.

Бетатроны работают по несколько иному принципу. Они используют принцип магнитной индукции, то есть идею о том, что изменяющееся магнитное поле индуцирует ток в замкнутом проводящем контуре, точно так же, как индукционная плита генерирует ток, чтобы нагреть сковороду. Пучок электронов, движущийся по кругу, может действовать так, будто он находится в проволоке или сковороде. Таким образом, помещение электронов в изменяющееся магнитное поле может придать пучку энергию, одновременно удерживая и фокусируя его, но при этом не надо беспокоиться о синхронизации колебаний напряжения. Эта идея фактически схожа с мыслью, которую молодой Эрнест Уолтон предложил Резерфорду в конце 1920-х годов. Попытки Уолтона разработать такой аппарат тогда не увенчались успехом, что стало одной из причин, по которой он в конечном итоге создал ускоритель с Джоном Кокрофтом[159]. Хотя его первые эксперименты потерпели неудачу, Уолтон внес ключевой вклад в теорию такой машины, и в том числе выяснил, как заставить частицы оставаться на желаемой орбите. На самом деле добиться этого куда сложнее, чем вы думаете.

В циклическом ускорителе цель состоит в том, чтобы частицы идеально вращались по кольцеобразной траектории, проходящей внутри круглой трубки, известной как «пончик»[160]. При работе с реальным пучком частиц мы должны думать о них не по отдельности, а как о совокупности независимых частиц, каждая из которых никогда не находится идеально посередине трубки. Вместо этого каждая частица следует по своей собственной траектории, которая не совсем соответствует идеальной орбите. Уолтон справедливо опасался, что по мере ускорения частиц их нужно будет постоянно отталкивать обратно к центру трубки, чтобы они не отлетали и не терялись. Он произвел подробный расчет того, как это сделать, придав магнитному полю такую форму, чтобы оно уменьшалось с увеличением радиуса и искривлялось у внешнего края кольца. Такая установка, как он выяснил, фокусирует частицы и гарантирует, что они всегда возвращаются на идеальную орбиту[161].

К 1940 году первый работающий бетатрон был, наконец, создан Дональдом Керстом в Соединенных Штатах. Новая машина быстро стала многообещающей технологией для ускорения электронов примерно до 99,99 % скорости света. Теперь, когда электроны можно было ускорять, им быстро нашлось применение не только в науке, но и в реальном мире. В частности, появился рынок ускорителей частиц в медицине и промышленности. В 1944 году физик Херб Поллок возглавил команду исследовательской лаборатории General Electric (далее GE) в Скенектади, штат Нью-Йорк, для создания бетатрона, рассчитанного на энергию в 100 Мэ В. Ребристый железный фасад 130-тонной машины возвышался над головами физиков и был больше похож на линкор, чем на медицинское устройство, поперек него шла надпись General Electric. Зазор примерно на высоте головы создавал пространство для кольцеобразного вакуумного сосуда. Работая, машина издавала оглушительный жужжащий шум, поскольку мощные электрические токи циркулировали в катушках электромагнита, ускоряя пучки от нуля до 100 МэВ 60 раз в секунду.

Физик и инженер Уильям Кулидж, по совместительству директор исследовательской лаборатории GE, намеревался использовать бетатрон для создания высокоэнергетических рентгеновских лучей путем воздействия электронов с энергией 100 МэВ на мишень, что позволило бы ему получить рентгеновскую супертрубку, лучи которой могли бы проходить сквозь тело или промышленные объекты для получения изображений там, где рентгеновские лучи с более низкой энергией останавливались. Он надеялся, что бетатрон станет коммерческим устройством, после чего команда будет создавать все большие и большие машины по мере роста рынка. Но лучше всего было то, что ученые не видели предела энергии электронов, которой они могли достичь с помощью такого устройства.

Как только они привыкли управлять машиной, Джон Блюитт, физик из другой группы GE, узнал о теории, которая, казалось, представляла проблему. Советские ученые Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук указали в письме в журнал Physical Review, что существует проблема с ускорением электронов в циклической машине. Если вы примените принцип сохранения импульса к заряженной частице, движущейся по кругу, то обнаружите, что изгибание ее траектории должно вызывать излучение[162]. Блюитт повторил расчеты и понял, что русские правы.

Для бетатрона с энергией 100 МэВ эффект окажется небольшим. Потеря энергии составила бы всего 10 эВ за оборот, так что конечная энергия их машины составила бы 99, а не 100 Мэ В. Невелика потеря. Но расчеты предсказывали, что при каждом удвоении энергии электрона потери увеличатся в 16 раз. Если бы ученые хотели создать бетатроны большего размера, то по мере того, как частицы достигали бы более высоких энергий, испускалось бы огромное количество излучения. По словам Иваненко и Померанчука, будет потеряно так много энергии, что механизм ускорения просто перестанет справляться. Верхним пределом, по их словам, станет энергия частиц около 500 Мэ В. Если это так, то идея бетатрона вскоре устареет.

Некоторые ученые из команды GE скептически относились к идее существования такого эффекта. В конце концов, электроны все время движутся по проводам и не испускают излучения. Блюитт настоял на проведении теста в GE, чтобы проверить, верны ли прогнозы. В их распоряжении был бетатрон мощностью 100 МэВ, и Блюитт подсчитал, что орбита должна немного сместиться из-за радиационного эффекта.

Когда они включили аппарат и провели измерения, орбита действительно казалась немного отклоненной. Но, опять же, это сложная машина, и сдвиг орбиты мог произойти по целому ряду причин. Бесспорным доказательством может служить только само излучение. Они разместили вокруг машины оборудование для отслеживания радиации в радиочастотном спектре, но так ничего и не нашли.

Этот вопрос все еще оставался нерешенным в конце 1945 года, когда Эрнест Лоуренс нанес один из своих регулярных визитов в Скенектади и переключил внимание здешних исследователей на новую цель. На семинаре он представил идею, над которой работала его команда в Беркли. Вместо движущихся по спирали частиц в циклотроне Лоуренс предложил машину с пучком, ограниченным одной орбитой, где ускорение обеспечивалось бы радиочастотными электрическими полями, а магнитное поле возрастало бы во времени. Эту идею одновременно выдвинули сразу два ученых – коллега Лоуренса из Беркли Эд Макмиллан и Владимир Векслер в России. Они развили идею, которую несколькими годами ранее представил австралиец Марк Олифант[163], один из учеников Резерфорда. Эта новая концепция избавила бы от необходимости в гигантских магнитах для циклотронов и бетатронов, но в качестве компромисса выступал несколько более сложный принцип работы: поскольку скорость частиц меняется от орбиты к орбите, ускоряющая частота должна изменяться во времени, чтобы не отставать. Все должно быть идеально синхронизировано, а потому это устройство получило имя «синхротрон».

Физики GE внимательно слушали. У них уже был бетатрон, но они беспокоились, что технология достигнет верхнего предела энергии из-за потерь на излучение. Идея синхротрона казалась интересной, но как она решит проблему? Как синхротрон продолжит ускорять электроны до более высоких энергий, когда начнется излучение?

Макмиллан и Векслер решили эту проблему с помощью принципа фазовой стабильности, который основывался на синхронизации используемых радиочастотных полей для ускорения луча орбита за орбитой. Проще всего представить кучу заряженных частиц в циклическом ускорителе как группу серферов, дрейфующих на волне (напряжения). Если серферу нужно ускориться, он может подняться ближе к вершине волны, где ее изгиб круче; если ему нужно замедлиться, он может спуститься к нижней части волны. При правильной синхронизации по отношению к волне напряжения, создаваемой радиочастотными полями, передние (более быстрые) частицы встречают более низкое напряжение, чем задние (более медленные), и остаются сгруппированными.

Это позволит не только сгруппировать и ускорить пучки частиц, но и, как утверждал Макмиллан, преодолеть любые потери энергии на излучение. Похоже на серфинг при встречном ветре: всем серферам нужно немного приблизиться к вершине волны, чтобы продолжать движение, но они могут это сделать при условии, что волна достаточно высока[164]. Синхротрон сможет превысить энергетический предел в 500 МэВ, предсказанный Иваненко и Померанчуком.

Лоуренсу идея казалась абсолютно привлекательной, поскольку синхротрон может достигать почти неограниченной энергии, в отличие от изобретенного им циклотрона. Он был полон решимости построить синхротрон, чтобы достичь высоких энергий и наконец оставить все то железо, которое нужно для циклотронов. Однако, в типичном для Лоуренса стиле, он еще не построил новый ускоритель: он просто всем о нем рассказывал, пока они с Макмилланом разрабатывали план. Для физиков GE его семинар прояснил сразу две вещи: во-первых, актуальность бетатрона может оказаться еще короче, чем они себе представляли – синхротрон очень быстро выйдет на первый план в ускорении электронов; во-вторых, они могли бы построить небольшой синхротрон до того, как Лоуренс построит свой, чтобы первыми в мире доказать его значимость.

Физики из GE сразу же получили разрешение на создание синхротрона с энергией 70 МэВ и приступили к его проектированию. Сам магнит весил 8 тонн и имел 6-сантиметровый зазор посередине для круглого «пончика» диаметром 70 см, через который проходил луч[165]. Они разработали хитроумный силовой контур, который передавал энергию по кругу для увеличения и уменьшения магнитного поля в установленное время, что позволяло управлять частицами. Между тем Блюитт, который ушел из GE, оставил им некоторые расчеты, полученные от уважаемого теоретика Джулиана Швингера, где было несколько дополнительных сведений об излучении, предсказанном Иваненко и Померанчуком.

Позже Швингер разделит Нобелевскую премию с Ричардом Фейнманом и Синъитиро Томонагой за развитие квантовой электродинамики (КЭД) в конце 1940-х годов. Расчеты Швингера гласили, что излучение, испускаемое по круговой траектории, не будет выделяться во всех направлениях: оно будет образовывать плотный луч, направленный вперед вдоль траектории частицы. Он предсказал, что частота излучения будет смещаться выше по мере увеличения энергии электронов. Наконец, он отметил, что при энергиях, с которыми работала команда GE, излучение должно выходить за пределы радиочастотного диапазона, вплоть до видимых частот.

Синхротрон, построенный физиками из GE, начал работать в октябре 1946 года[166], но вовсе не так гладко, как все надеялись. Компоненты постоянно выходили из строя, их приходилось заменять, но ученые продолжали работу, и в апреле 1947 года все шло довольно хорошо, за исключением одной проблемы: в машине замечалось искрение. Техника Флойда Хабера послали понаблюдать за синхротроном во время его работы, чтобы понять, в чем проблема.

Стоять рядом с такой машиной, когда она работает, довольно опасно, поэтому Хабер установил большое зеркало размером 1,8 × 0,9 м, чтобы наблюдать за машиной, а сам при этом надежно прятался за углом толстой бетонной стены. Когда ученые разогнали машину до пределов ее возможностей, Хабер крикнул, что видит искрение, и велел им выключить ее. Обычно, если происходит искрение, уровень вакуума – давление в «пончике» – быстро меняется, но не в этом случае: уровень вакуума оставался стабильным. Один из физиков, Роберт Ленгмюр, тоже пришел взглянуть, и все вместе они наблюдали маленькое, очень яркое голубоватое пятно, исходящее от синхротрона.

Ленгмюр сразу понял, что он видит. Он попросил остановить ускорение луча – и свет исчез. Это, должно быть, и есть то самое «излучение Швингера». Пораженные тем, что их электронный луч испускает видимый свет, ученые решили проверить предположение о том, что цвет света связан с энергией частицы. Снизив энергию, они наблюдали – должно быть, со смесью удовлетворения и недоверия, – как пятно света меняло цвет с синего на желтый, а затем на красный, пока не исчезло полностью. Все это, как позже вспоминал один из членов команды, заняло около 30 минут[167]. По счастливой случайности, новая вакуумная камера была сделана из стекла, поэтому они могли видеть свет, исходящий от циркулирующих электронов. Этот же эффект ускользнул от них тремя годами ранее при работе с бетатроном, потому что металлическая камера блокировала свет. Это был один из тех редких моментов случайного открытия, которое впоследствии окажет большое влияние.

Свет, излучаемый таким образом, называется синхротронным излучением и обладает очень специфическими свойствами. Он может быть невероятно интенсивным, когерентным (больше похож на лазер, чем на лампочку) и охватывать весь электромагнитный спектр, от рентгеновских лучей через видимый свет до инфракрасного, в зависимости от магнитного поля и энергии электронов. Свет поляризован, то есть все колебания световых волн происходят в одном направлении. Свет может поляризоваться по-разному, в том числе когда он отражается от воды или капота автомобиля, которые поляризуют его в основном в горизонтальном направлении. Вот почему поляризованные линзы в солнцезащитных очках блокируют блики, пропуская только вертикальные световые волны[168]. Синхротронный свет поляризуется в направлении, связанном с изгибом электронов: в случае с лучом, циркулирующим в ускорителе, он поляризуется горизонтально. Его свойства настолько уникальны, что при должных изменениях вы сможете точно определить, когда он возникает: если вы измеряете свет с правильными свойствами, то можете сделать вывод, что он почти наверняка исходит от электронов, чьи траектории изгибаются в магнитных полях.

Это открытие стало ключевым в разгадке мучающего астрономов вопроса об источнике радиоизлучения в космосе. Млечный Путь, пульсары и многие другие объекты – не просто шары из газа и пыли: у них есть магнитные поля. Когда заряженные частицы искривляются в этих полях, они испускают синхротронное излучение точно так же, как в ускорителе, освещая Вселенную, обычно в спектре радиоволн. Астрономы могут проверить, поляризовано ли излучение, и таким образом определить магнитную структуру – расположение и силу магнитных полей – объектов в космосе.

По мере развития радиоастрономии в 1950–1960-х годах выяснилось, что магнитные поля встречаются гораздо чаще, чем предполагалось ранее. Один из впечатляющих примеров – Крабовидная туманность в созвездии Тельца, остатки разрушительной сверхновой, наблюдавшейся в 1054 году н. э., у которой, как оказалось, есть энергетическое облако электронов, вращающихся по силовым линиям магнитного поля и управляемых пульсаром в ее центре. Теперь мы знаем, что все звезды, галактики, нейтронные звезды и сверхновые имеют магнитные поля. Магнетизм может также объяснить поведение самых удивительных объектов в космосе, включая огромные струи (джеты) ионизированного вещества, выбрасываемые сверхмассивными черными дырами: считается, что они вызваны частицами, ускоренными в запутанных магнитных полях в центре этих плотных компактных объектов. Знание о синхротронном излучении помогло астрономам, регистрирующим радиоизлучение из космоса, получить представление о подобных объектах и лучше понять магнитные свойства нашей Вселенной.

В GE свет поначалу восприняли как диковинку и демонстрировали его всем посетителям. Затем ученые поняли, что могут использовать свет для настройки, оптимизации и управления синхротроном, что помогло им спроектировать новые машины для продажи. В течение следующих нескольких лет по всему миру были построены синхротроны с более высокой энергией, и вскоре стало очевидно, что синхротронное излучение обладает куда большим потенциалом, чем просто диагностика электронного пучка. Изобретатель бетатрона Дональд Керст отлично это подметил в своем высказывании: «Как было бы интересно, если бы эти красивые и сложные машины внесли свой наибольший вклад в науку в качестве электрических лампочек»[169]. Во многих отношениях ироничное замечание Керста оказалось пророческим. Как только синхротронное излучение было получено в лабораторных условиях, оно тут же стало непревзойденным инструментом научных исследований, применяющимся в различных областях – от химии и биологии до материаловедения и археологии.

Впервые ученые попытались использовать синхротронное излучение в Корнелле в 1956 году, а пять лет спустя – в Национальном бюро стандартов США, которое устанавливает стандарты работы в таких областях, как радио, автомобильная промышленность и электроника. Подтверждено, что синхротронное излучение намного превосходит любой стандартный источник света или рентгеновскую трубку. Другие быстро последовали примеру, адаптировав существующие синхротроны под нужды пользователей, чтобы те могли получить доступ к свету для экспериментов. Сначала этим сторонним пользователям приходилось бороться за время и пространство на объектах ядерной физики, но к 1970 году был построен первый пользовательский объект: Источник синхротронного излучения (SRS) в лаборатории Дарсбери, Великобритания. Правительства по всему миру начали строить ускорители частиц не для ядерной физики, а для удовлетворения потребностей широкого круга научных и коммерческих пользователей. К 1974 году в мире насчитывалось более 10 синхротронных установок, спроектированных и построенных специально для генерации синхротронного излучения.

Изображения могут быть получены с использованием синхротронного излучения путем помещения образцов в световое поле в вакуумной камере и записи результата, первоначально при помощи фотопластинок, как было в 1970-х годах, а в настоящее время – цифровых детекторов. Исследуемые образцы могут быть невероятно разнообразными: примеры включают в себя шоколад, сталь и даже кусочки морского огурца.

Область, которая, возможно, выиграла от синхротронного излучения куда больше, чем любая другая, – это структурная биология. Здесь огромную роль играют физические структуры в микроскопическом масштабе: то, как сворачиваются белки, возникают болезни и даже сама структура ДНК. Как объяснил оксфордский профессор биологии Дэвид Стюарт в интервью для медицинского факультета Наффилда, структурные биологи занимаются очень подробным изучением биологии, подобно тому как для знакомства с принципом работы автомобиля надо изучить каждую его деталь – как она взаимодействует с другими частями и как все вместе они составляют машину. Организмы, подобные нам, состоят из триллионов клеток, которые обладают поразительным разнообразием внутренних компонентов, действующих на наноуровне. Когда мы понимаем, как работает биология в таком масштабе, это дает нам возможность принимать меры, когда что-то идет не так.

Нынешнее понимание структурной биологии во многом обязано рентгеновской кристаллографии – жемчужине в короне методов визуализации. Этот метод использовался задолго до того, как появились источники синхротронного излучения, и на его основе было присуждено не менее 28 Нобелевских премий.

Все началось с того, что Уильям и Лоуренс Брэгги из Университета Аделаиды, британо-австралийские физики, отец и сын, в 1913 году взяли источник рентгеновского излучения и направили его на кристалл соли. Появившаяся дифракционная картина, как они поняли, могла рассказать им о структуре самого кристалла, вплоть до уровня атомов[170]. Вслед за ними ученые усовершенствовали эту технику, чтобы разгадать структуру практически каждой важной молекулы и материала. Кэтлин Лонсдейл (коллега Уильяма Брэгга) в 1929 году с помощью рентгеновской кристаллографии выяснила, что бензольное кольцо является плоским, в то время как Дороти Ходжкин определила структуру пенициллина (1949), витамина В₁₂ (1955) – достижение, за которое она получила Нобелевскую премию в 1964 году, – и инсулина (1969), последняя задача заняла у нее 34 года. В 1952 году Розалинд Франклин, как известно, использовала рентгеновскую кристаллографию для получения так называемой фотографии 51, показывающей двуспиральную структуру ДНК. Таким образом были определены структуры графита, графена, гемоглобина, миоглобина и бесчисленного множества других веществ, и все это было сделано с помощью обычных рентгеновских трубок. Но с появлением источников синхротронного излучения кристаллография стала значительно более мощной и остается таковой по сей день.

Благодаря синхротронам были совершены огромные прорывы в фундаментальной науке. Используя кристаллографию, сэр Джон Уокер и другие раскрыли структуру аденозинтрифосфата (АТФ) – молекулы, которая транспортирует и накапливает энергию во всех растительных и животных организмах, включая человека. Роджер Корнберг выяснил, как гены копируют сами себя с помощью мРНК, а Венкатраман Рамакришнан и его коллеги исследовали структуру рибосомы. Все это открытия, удостоенные Нобелевской премии. Обратите внимание, что эти прорывы не связаны с ядерной физикой или физикой элементарных частиц – областями, которые в первую очередь привели к случайному открытию синхротронного излучения.

Поначалу все это вкупе с научной мощью может показаться далеким от повседневной жизни, но стоит понимать, что наше знание основ биологии вирусов тоже зависит от рентгеновской кристаллографии. Это внезапно приобрело неотложное значение, когда COVID-19 впервые появился в Ухане, Китай, в конце 2019 года. Вирус SARS-CoV-2 содержит 28 белков. Эти белки представляют собой цепочки молекул, свернутые строго определенным образом, – представьте себе намеренно спутанный клубок шерсти. После сворачивания остаются так называемые активные центры, на которые можно воздействовать химическими соединениями. Структурные биологи могут копировать эти белки для изучения, используя их генетическую структуру для клонирования. Но сначала кто-то должен секвенировать геном вируса.

После того как вирус был впервые обнаружен в Китае 29 декабря, всего через 12 дней стали доступны шесть вирусных последовательностей. К 5 февраля 2020 команда Цзыхе Рао и Хайтао Яна из университета ШанхайТех внесла структуру главной протеазы (протеаза расщепляет белки, но также необходима для репликации вирусов, а потому это привлекательная цель при разработке лекарств) в Банк данных белков (англ. Protein Data Bank) – онлайн-ресурс, который ученые по всему миру используют в качестве главного хранилища своих данных. Они определили эту структуру в Шанхайском центре синхротронного излучения. К тому времени команда уже активно поделилась информацией с более чем 300 исследовательскими группами по всему миру.

Прежде чем большинство правительств предприняли какие-либо действия, структурные биологи уже усердно работали с источниками синхротронного излучения по всему миру, создавая и изучая физические структуры белков, входящих в состав SARS-CoV-2. Все потому, что они знали: для того чтобы лекарство или вакцина были эффективными против вируса, человеческий организм должен вырабатывать молекулы, которые физически распознают, прикрепляются, а затем нейтрализуют и уничтожают нежелательный патоген. У любого варианта лечения или вакцинации одна и та же отправная точка: понимание того, как работает вирус. Ключ к этим знаниям лежит в структуре и функциях вируса. Как только мы поймем химическую основу для распознавания организмом вируса, мы можем попытаться разработать лекарство, снижающее его действие, или вакцину, которая заставит человеческий организм вырабатывать антитела. Главные сражения с пандемией COVID велись не в больницах, а в кольцеобразных зданиях размером с футбольное поле, в которых находились машины из области физики элементарных частиц.

На Австралийском синхротроне, в получасе езды от Мельбурна, доктор Элеонора Кэмпбелл работает в качестве специалиста по физике ускорителей, эксперта, который проводит эксперименты с синхротронным излучением и помогает другим ученым делать то же самое. Пока все остальные были отправлены домой на удаленную работу из-за разразившейся пандемии, Кэмпбелл была одной из немногих ученых, чья работа на этом объекте шла полным ходом. Она следила за экспериментальной станцией источника синхротронного излучения под названием MX2, используемой для макромолекулярной кристаллографии, которая позволяет ученым определять расположение и формы биологических молекул вплоть до атомов. В обычное время она работает в области химии, физики конденсированного состояния, инженерии, наук о Земле и материаловедения. Но в начале 2020 года вся работа была полностью посвящена исследованиям, связанным с COVID.

Экспериментальная станция получает синхротронное излучение из самого сердца объекта, непосредственно синхротрона, скрытого за большими бетонными защитными стенами. Основное кольцо выполнено из повторяющегося набора электромагнитов – железных блоков высотой по плечо, питаемых толстыми медными кабелями, – на которые с помощью меньшего ускорителя подаются высокоэнергетические (3 ГэВ) электроны. Специализированная оперативная группа посменно поддерживает круглосуточную работу. Электроны внутри синхротрона могут циркулировать и излучать свет в течение нескольких дней или недель, испуская излучение при непрерывном пополнении энергии. Когда один пучок электронов удаляется из машины, его место быстро занимает другой, так что пользователи едва могут заметить изменение в уровне излучения[171].

Ряд экспериментальных станций расположен по касательной к окружности кольца. Их расположение определяется «вставными устройствами», размещенными вокруг кольца для генерации синхротронного излучения. В настоящее время, вместо того чтобы просто использовать излучение, получаемое естественным образом в изгибающихся магнитах, «вставные устройства», называемые вигглерами и ондуляторами, буквально перемещают пучок, создавая луч, который можно настроить на определенную длину волны. Затем свет проходит через окно или порт, который выходит на экспериментальную установку, где ученые, готовые к сбору данных, проводят свои эксперименты, помещая образцы белков в держатель.

Первым шагом станет успешное превращение белка в кристалл, одна из самых сложных частей работы. Биологические молекулы большие и пластичные – иными словами, мягкие, – в то время как то, что мы обычно считаем кристаллами, к примеру соль, традиционно твердое. Работа Кэмпбелл заключается в том, чтобы убедить «массу биологической материи сформировать упорядоченный, твердый кристалл». Это процесс проб и ошибок, требующих тестирования многих реагентов – начиная с химикатов, которые работали в прошлом, – в точных количествах, пока не будет достигнут желаемый эффект. Если ученому повезет настолько, что из белков образуются кристаллы, ему все равно придется вылавливать крошечные кристаллы микрометрового размера с помощью миниатюрных нейлоновых петель. Эта ювелирная работа требует предельного терпения. Как только кристаллы готовы к изучению, исследовательские группы обычно берут с собой всю свою команду: они работают круглосуточно, чтобы максимально использовать отведенное им время. Однако во время пандемии многие исследовательские группы были вынуждены работать удаленно, в то время как Кэмпбелл и ее коллеги управляли установкой на месте.

Кэмпбелл знает, каково это – проводить эксперимент на таком объекте удаленно. Свои эксперименты для докторской в Кембриджском университете она проводила, сидя за компьютером в своей лаборатории, в то время как ее тщательно подготовленные образцы кристаллов удаленно помещались в луч кем-то другим из британского источника синхротронного излучения Diamond. Она нажимала кнопку «Обновить», и на ее экране появлялась новая форма белковой структуры. Пока Кэмпбелл получала представление о белках, фактическая геометрия всего эксперимента оставалась скрытой. Теперь она была по другую сторону: помогала удаленным пользователям проводить эксперименты, чтобы узнать как можно больше о коронавирусе.

Биологов, с которыми работала Кэмпбелл, не пугали ни удаленная настройка, ни работа допоздна. Без синхротрона им пришлось бы проводить дни напролет, используя лабораторный источник рентгеновского излучения: чтобы получить изображение с разных углов, уходит около 40 минут (кристаллография включает в себя получение изображений под углом 180 градусов, дифракционных картин и восстановление трехмерной структуры с помощью математики). На экспериментальной установке MX2 получение изображения под углом 180 градусов занимает всего 18 секунд. Так что если кто-то пытается протестировать ряд образцов, например с небольшими вариациями белка, то это займет всего несколько часов работы, хотя раньше это могло бы стать предметом целой кандидатской диссертации. Уникальные свойства синхротронного излучения позволяют проводить эксперименты, которые раньше были просто невозможны. Без синхротронов биологам потребовались бы годы, чтобы понять структуру SARS-CoV-2.

По всему миру на подобных объектах ученые объединили усилия ради одной цели: составить карты в атомном масштабе как можно большего числа белков, составляющих SARS-CoV-2. В более спокойные времена исследователи использовали подобные устройства для создания изображений и расшифровки структур многих ключевых биологических молекул, что привело к новым методам лечения СПИДа, рака кожи, диабета 2-го типа, лейкемии и сезонного гриппа, а также к прорывам в борьбе с вирусами Эбола, Зика и атипичной пневмонии. Вот почему около 50 источников синхротронного излучения по всему миру можно считать нашей передовой защитой от возникающих вирусных заболеваний.

К закрытию первого из этих специализированных синхротронов, Источника синхротронного излучения Дарсбери (SRS), в 2008 году на его базе было проведено около 11 000 научных исследований. Он помог с тысячами открытий, которые прямо или косвенно повлияли на нашу жизнь. Новые материалы для одежды и электроники, новые фармацевтические препараты и моющие средства – вот лишь некоторые из продуктов, появившихся в результате исследований на этом предприятии. Трудно представить, насколько далеко простирается использование такого объекта, однако точно известно, что его применяли 11 из топ-25 британских компаний, ранжированных по уровню расходов на НИОКР.

SRS использовали для определения структуры ящура, что привело к созданию новых вакцин, и для понимания такого явления, как «гигантское магнетосопротивление», или ГМС, – хитрость, стоящая за огромной емкостью памяти в наших электронных устройствах, таких как iPhone. Исследования SRS способствовали созданию более чистого топлива и ряда новых лекарств. Он даже внес свой вклад в культурное наследие, изучив образцы с военного корабля Тюдоров «Мэри Роуз», чтобы узнать, как лучше сохранить останки. В исследовании, проведенном компанией Cadbury – производителями шоколада, – изучалось образование кристаллов в шоколаде, чтобы сделать его вкус еще более насыщенным. Аналогичный метод был использован для изучения образования кристаллов в металлах с целью повышения безопасности полетов.

Ошеломительные прорывы – «хлеб с маслом» для таких предприятий. Они творят науку со скоростью, за которой трудно угнаться. История синхротронного излучения еще раз дает понять, как сильно инструменты физики могут трансформировать другие области науки. Она напоминает нам о том, что различные области знаний неразделимы, от самых маленьких до самых больших объектов в природе и всего, что находится между ними. По словам Кэмпбелл, она чувствует себя маленькой, просто входя в это большое сооружение каждый день. Иногда ее поражает, насколько сложны синхротроны. Команда физиков, работающих с ускорителями, наверняка сказала бы то же самое о ее работе. Вот почему многие современные научные прорывы обязательно носят междисциплинарный характер: ни один человек не может сам полностью понять весь процесс. Тем не менее, используя этот продукт физических исследований, ученые, подобные Кэмпбелл и ее предшественникам, могут создать знания, которые имеют гораздо более широкий охват, чем могли когда-либо предсказать физики из General Electric, Лоуренс, Керст или Олифант. Как мы видим, это знание выходит за рамки биологии и даже за пределы нашей планеты. Понимание фундаментальной науки, лежащей в основе синхротронного излучения, помогло открыть отличный инструмент для астрономии. Астрономы смогли увидеть объекты в космосе в совершенно новом свете, раскрыв внутреннюю работу всего, от галактик до квазаров и черных дыр, поскольку все они испускают синхротронное излучение в форме радиоволн. Сегодня радиоастрономы изучают сложное поведение магнитных полей, генерируемых в малоизученных областях Вселенной, – например, вспомните недавние наблюдения так называемых быстрых радиовсплесков: чрезвычайно мощные импульсы радиоволн длительностью в миллисекунду, указывающие на новые высокоэнергетические процессы, которые мы еще не до конца понимаем. Космологи тем временем рассматривают существование магнетизма в отдаленных областях космоса как объяснение быстрого расширения ранней Вселенной. Наличие источников синхротронного излучения дает физикам инструмент, который объединяет их в стремлении понять физику очень большого и очень малого.

Это все возможно, потому что принципы физики применимы не только к Земле, но, насколько нам известно, ко всему. Та же самая физика, благодаря которой мы можем раскрывать тайны внешних пределов Вселенной, позволяет разгадывать внутреннюю работу нашей биологии и предпринимать меры, когда что-то идет не так. Нет никакой особой причины, по которой Вселенная должна работать именно таким образом, но она так работает, и это завораживает.

В конце концов, синхротронное излучение, которое оказалось таким невероятным инструментом для астрономов и других ученых, стало огромным препятствием для физиков элементарных частиц. Они хотели ускорять частицы до все более высоких энергий, чтобы разбивать атомы, но столкнулись с тем фактом, что частицы излучают энергию, когда их разгоняют быстрее. Ученым пришлось бы еще больше увеличить количество энергии, чтобы преодолеть ее потерю. Вскоре они достигнут практического предела того, сколько энергии могут придать частицам – по крайней мере, некоторым из них.

Формула излучения предсказывала, что ускорение частиц с малой массой, таких как электроны, до высоких энергий будет проблемой, но что мощность испускаемого излучения будет намного ниже для более тяжелых частиц. Протон почти в 2000 раз тяжелее электрона, но излучает в 10¹³ раз меньше излучения, чем электроны[172]. Оборотной стороной является проблема, связанная с искривлением траектории высокоэнергетических протонов в циклическом ускорителе, для чего требовались либо очень сильные магниты, либо гораздо большее кольцо, чем у ускорителей электронов. Поскольку физики были полны решимости разогнать протоны до более высоких энергий, следующее стало неизбежным: ускорители частиц, построенные во второй половине ХХ века, будут расти и расти.

Физикам пришлось объединить усилия и собрать специализированные команды инженеров, аналитиков данных, менеджеров и других специалистов, чтобы создавать огромные машины и управлять ими. Они стали одними из первых, кто внедрил вычислительную технологию, и им пришлось создавать новые способы регистрации частиц – все это требовало выхода за границы возможного. Со временем их поиски выявили гораздо больше частиц, чем кто-либо предполагал. Сотни исследователей пытались ответить на вопрос: существует ли в природе глубинный порядок? Можем ли мы предсказать и классифицировать множество различных частиц или наша реальность – просто управляемый вид хаоса?

Глава 8

Физика элементарных частиц выходит на новый уровень: странные резонансы

Луис Альварес клевал носом, когда самолет, на котором он летел, Great Artiste, приближался к Японии. Это было 6 августа 1945 года, незадолго до рассвета, и тридцатичетырехлетний физик был измотан. Его пилот следовал за другим самолетом, бомбардировщиком B-29 Enola Gay. Третий, неназванный, самолет, позже получивший прозвище «Необходимое зло», летел рядом. В отличие от большинства бомбардировок Второй мировой войны, в которых были задействованы сотни самолетов, в этой участвовали только три: они должны были скрытно подлететь и сбросить одну бомбу на город Хиросима. Но не обычное оружие, а «Малыша» – атомную бомбу, начиненную обогащенным ураном.

Альварес использовал свои знания физики в разработке «Малыша» в рамках Манхэттенского проекта – секретной американской программы, задуманной совместно с союзниками из Великобритании и Канады, – в котором было разработано первое ядерное оружие. За время войны проект превратился в огромное предприятие, на котором было занято 100 тысяч человек, большинство из них даже не подозревали о цели своей работы. Когда военное руководство приняло решение использовать новое оружие против Японии, Альваресу[174] было поручено установить приборы, которые могли бы отследить падение бомбы и замерить количество энергии, выделившейся при ее взрыве. Хотя Альварес был оснащен парашютом, он решил, что не станет его использовать: если их собьют, то лучше умереть, чем попасть в плен к японцам.

Выпущенная бомба пролетела 44 секунды, прежде чем взорваться. Небольшой внутренний взрыв – имплозия – объединил два куска высокообогащенного урана, образовав критическую массу. Затем ядра урана-235 разделились, высвободив нейтроны и запустив цепную реакцию. Ослепляющий световой импульс наполнил самолет Альвареса, за которым последовала серия ударных волн, угрожающих разорвать самолет на части. 10 минут – и ядерный гриб поднялся на высоту до 18 км. Альварес посмотрел на пейзаж внизу. Пустошь. Позже он писал, что «тщетно искал город, который был нашей целью», думая, что, возможно, они промахнулись. Пилот все ему разъяснил: цель – город Хиросима – поражена. 80 тысяч человек были убиты в одно мгновение.

На обратном пути на базу, когда до него дошла судьбоносность миссии, Альварес написал письмо своему четырехлетнему сыну. Он знал, что мальчику будет трудно понять, как его отец мог оказаться причастен к такому историческому событию. За плечами семьи Альвареса было много приключений: дедушка Альвареса сбежал на Кубу, изучал медицину в Калифорнии, затем женился на бабушке (выросшей в Китае) и перевез семью на Гавайи. Отец Луиса (тоже врач) и мать некоторое время работали в Мексике, прежде чем вернуться в Сан-Франциско, где родился Альварес. Высокий, светловолосый, смелый и умный, Альварес выбрал физику, поскольку чувствовал, что она приведет его к приключениям. Но военная работа была не тем приключением, которое он изначально имел в виду.

Три дня спустя Альварес наблюдал с острова Тиниан, как его коллеги вылетели сопровождать вторую бомбу, которая была сброшена на город Нагасаки. На следующий день, 10 августа 1945 года, японцы были готовы капитулировать. Альварес не писал об этих событиях еще 40 лет.

Сегодня Мемориальный музей мира в Хиросиме рассказывает историю разрушительного воздействия ядерного оружия на город и исследует более широкие последствия его применения во время Второй мировой войны. Физикам в этом музее особенно тревожно: поразительное количество известных имен из нашей области фигурирует в музейном описании Манхэттенского проекта. Многие из персонажей, с которыми мы уже встречались в этой книге, участвовали в разработке ядерного оружия, потому что обладали теми знаниями и навыками, которые были необходимы для этого проекта.

Циклотроны Эрнеста Лоуренса были преобразованы для разделения изотопов урана, а он сам руководил обширным предприятием по созданию калютронов (устройств для разделения изотопов) на основе накопленного его командой опыта при создании машин в Беркли. В проекте участвовали несколько сотрудников и студентов Лоуренса, в том числе Альварес. Сету Неддермейеру пришла в голову идея имплозии, позволяющей обеспечить критическую массу плутониевой бомбы, сброшенной на Нагасаки. Нильс Бор, Джеймс Чедвик, Джон Кокрофт и Марк Олифант принимали участие в проекте наряду со многими теоретиками, которые сыграли менее заметную роль в нашей истории, включая коллегу Лоуренса Роберта Оппенгеймера, как известно, возглавившего проект.

Некоторые приглашенные физики отказались от участия в Манхэттенском проекте, чтобы заняться другой работой во время войны. Карла Андерсона просили возглавить проект, но, поскольку ему нужно было заботиться о своей матери[175], он предпочел другую работу – с артиллерийскими ракетами. Одной из ученых, наотрез отказавшихся участвовать, была Лиза Мейтнер, одна из немногих женщин-физиков того времени. Прозванная Эйнштейном «немецкой Марией Кюри», Мейтнер была родом из Вены. Ей пришлось изучать физику в частном порядке, потому что государственные университеты не принимали женщин. Поощряемая и финансово поддерживаемая своим отцом, она отправилась в Берлин, после того как получила докторскую степень. Там она каким-то образом добилась разрешения Макса Планка на посещение его лекций и в конце концов стала его ассистенткой.

Позже, когда она стала первой женщиной-профессором физики в Германии, ей пришлось покинуть страну из-за своего еврейского происхождения. Лиза Мейтнер первой поняла, что ядра могут не просто испускать бета– или альфа-частицы, а полностью расщепляться[176], и ее племянник Отто Фриш назвал это явление «делением ядра». Несмотря на возможность применить свои знания, она отказалась присоединиться к Манхэттенскому проекту, заявив: «Я не стану иметь ничего общего с бомбой!» Коллега Мейтнер Отто Ган опубликовал первые доказательства деления ядра, не указав ее в качестве соавтора, чтобы не выдать факт своей с ней переписки и в результате не подвергнуться преследованиям. В 1944 году Ган был удостоен Нобелевской премии за эту работу. Вклад Мейтнер не был признан.

Те, кто все же согласился присоединиться к Манхэттенскому проекту, не знали, выполнима ли вообще порученная им задача – создать ядерное оружие. Но после первого испытания в июле 1945 года, названного «Тринити», стало ясно, что это действительно возможно. Это привело в ужас многих физиков, которые подписали петиции в Чикаго и Лос-Аламосе, возражая против применения созданного ими оружия. Но не в их власти было принимать решения. После того как были сброшены бомбы и разрушены Хиросима и Нагасаки, настрой физиков в Лос-Аламосе был мрачным. Как позже вспоминала Эвелин Литц, работавшая библиотекарем и занимавшаяся физикой здоровья, «в день, когда была сброшена бомба, не было никакого веселья… Все остались по домам; мы были очень серьезны»[177]. Многие физики, такие как Альварес, очень долго не говорили об этом событии. Большинство из них позже ссылались на то, что это помогло положить конец войне и, таким образом, спасло жизни с обеих сторон. Какой бы ни была их моральная позиция, работа была сделана.

Физики вышли из Второй мировой войны уже не такими наивными, сильнее осознавая свою социальную ответственность. Они не искали искупления, но в послевоенную эпоху определенно возродилось стремление использовать свои навыки на благо мирного общества. Во время войны физика использовалась в разрушительных целях, но теперь настало время для благородных стремлений: накопления знаний и открытия новых частиц. Как и в случае с Манхэттенским проектом, это начинание требовало международного сотрудничества, которое Соединенные Штаты, как уже доказано, способны обеспечить. Физики приступили к своей работе в совершенно иных масштабах, и это окупилось как для науки, так и для общества.

16 августа 1945 года Уинстон Черчилль заявил, что «Америка сегодня находится на вершине могущества». Он поделился с Палатой общин своим желанием сохранить секреты атомного оружия в тайне ради «общей мировой безопасности». Соединенные Штаты создали огромный военно-промышленный потенциал, который, по мнению Черчилля, накладывал на страну новые послевоенные обязательства. Он продолжил: «Пусть они действуют в соответствии со своими обязанностями, не для себя, а для других, для всех людей во всех странах, и тогда для человечества наступит более светлый день»[178].

Для многих молодых физиков, таких как Альварес, их исследовательская работа была прервана войной. Теперь каждый стоял перед выбором: что делать дальше? Большинство физиков вернулись в свои университеты и исследовательские лаборатории. Альварес вернулся в Беркли с твердым намерением применить свои знания о радарах в ускорителях частиц.

Его выбор был продиктован осознанием того, что он будет работать с лучшим оборудованием в мире. При финансовой поддержке правительства США команда из Беркли завершила строительство большого циклотрона, который они начали еще до войны, но с одним изменением: они включили принцип фазовой стабильности Эдвина Макмиллана[179] (см. главу 7) и построили протонный синхроциклотрон, который достиг беспрецедентной энергии пучка в 350 Мэ В. Команда из Беркли приступила к поиску новых частиц.

Сначала они использовали ускоритель для воспроизведения открытий, сделанных с использованием космических лучей. Эксперименты на горных вершинах с облачными камерами и ядерными эмульсиями показали себя продуктивным методом обнаружения позитронов, мюонов и пионов, как мы видели в главе 4. Теперь появились свидетельства существования новых частиц, обладающих свойствами, сильно отличающимися от тех, которые ученые видели раньше, – таких как электрически нейтральные V-частицы (1947), идентифицируемые по их распаду на пары треков, которые образовывали V-образную форму в детекторах. В 1949 году была обнаружена другая частица, которая распалась на три пиона[180], позже названная каоном, а в 1952 году в космических лучах была обнаружена новая частица, названная кси-минус-гипероном («гипер», потому что частица тяжелее протона)[181].

Природа, казалось, изобиловала частицами, которые не играли никакой роли в повседневной жизни, и было неясно, каково их значение. Что еще хуже, большинство новых частиц оказались долгоживущими (где «долго» означает наносекунды), что заставило теоретиков ломать голову. Новые частицы стали называть «странными». По всего нескольким фотографиям каждой новой частицы нельзя было полностью понять их.

Единственный способ разобраться в их тайнах – создать их в больших количествах в лаборатории.

Новый большой циклотрон в Беркли сыграл решающую роль. В 1949 году физики, работавшие с ускорителем Альвареса и Лоуренса на 350 МэВ, обнаружили частицу, которую не заметили облачные камеры: электрически нейтральную версию пиона[182]. Знаменательно то, что впервые неизвестная частица была обнаружена с использованием ускорителя, а не космических лучей. Наконец, технология ускорителей достигла беспрецедентных энергий, и с гораздо более совершенными и надежными машинами физики начали выходить за рамки того, что им могли предложить эксперименты с космическими лучами. Ускорители частиц обеспечивали контролируемые условия, необходимые для того, чтобы собрать воедино сложную головоломку из частиц и сил. Единственная проблема заключалась в том, что 350 МэВ – это недостаточно высокая энергия, чтобы увидеть полную картину.

Энергетический диапазон ускорителя был решающим, потому что странные частицы оказались тяжелыми – их масса больше массы ранее открытых частиц, таких как мюон и пион. Эквивалентность между энергией и массой определяется уравнением Эйнштейна E = mc² и настолько укоренилась в физике элементарных частиц, что мы даже используем единицы энергии для описания масс частиц. Нейтральный пион (π⁰), например, имеет массу 135 МэВ, что является его массой покоя – массой, измеренной в неподвижном состоянии, но выраженной в единицах энергии (МэВ). Эта эквивалентность между массами и энергиями частиц означает, что E = mc² дает нам обменный курс между массой и энергией. Это абсолютно ошеломляющий курс, потому что c, скорость света, составляет 299 792 458 метров в секунду. В квадрате это число настолько велико, что я не осмелюсь его здесь записать. И это больше не теоретический обмен: с большими ускорителями это стало экспериментальной реальностью.

Создание ускорителей для достижения более высоких энергий уже не сводилось только к исследованию нейтронов и протонов в ядре. Чего хотели ученые, хотя в то время они не формулировали это таким образом, так это создать совершенно новые частицы из вакуума, из энергии. Поначалу это сбивает с толку. Основной принцип заключается в том, что мы бомбардируем мишень высокоэнергетическими частицами – в данном случае протонами. Первоначальные частицы исчезают, и вся эта энергия преобразуется в новые частицы, новую материю. Исходная частица просто перестает существовать – что противоречит представлениям классической физики, но допускается в квантовой механике.

Конечно, тут есть ряд правил: природа не позволит вам бомбардировать любую мишень любой частицей и производить все, что вам заблагорассудится. Должны соблюдаться определенные величины. Например, общая энергия частиц, вступающих в столкновение, должна быть такой же, как и при выходе. Когда вы ударяете пучком частиц в цель, большая часть этой энергии идет не на создание новых частиц, а уносится в виде кинетической энергии в обломках. Существуют и другие правила, регулирующие взаимодействия частиц, включая сохранение электрического заряда, момент импульса (частица может вращаться вокруг своей оси) и другие квантовые числа, но подробнее об этом позже. Сейчас важно то, что для создания странных частиц физикам из Беркли был нужен протонный пучок с более высокой энергией, чем когда-либо мог обеспечить циклотрон.

Перед Альваресом и Лоуренсом возникла новая большая цель: построить машину достаточно мощную, чтобы создавать все известные странные частицы, обнаруженные в космических лучах, и, возможно, даже более тяжелые. Для этого надо построить машину нового типа. Вместо циклотрона, для которого требовался один огромный магнит (магнит для циклотрона с энергией в 350 МэВ был настолько велик, что команда из 100 человек смогла легко сфотографироваться, сидя в его железном ярме), они собирались построить ускоритель, кольцо которого состоит из множества небольших магнитов. Команда из Беркли начала разрабатывать планы протонного синхротрона[183] – кольцеобразной машины, отличной от ранее существовавшего синхроциклотрона, – которая могла бы достигать тех же энергий, что и частицы, исходящие от космических лучей. Поскольку такой ускоритель мог достигать миллиардов электрон-вольт, диапазона ГэВ, название машины было соответствующим: ее назвали Беватрон[184].

Команда из Беркли была не одинока в своих амбициях. На Лонг-Айленде 11 университетов объединились для создания новой Брукхейвенской национальной лаборатории, и строительство их собственного протонного синхротрона уже шло полным ходом. В 1953 году они запустили Космотрон – 23-метровое кольцо медного цвета, состоящее из 288 магнитов, каждый из которых весит шесть тонн. Вершина промышленной красоты. Внутри всей этой меди и железа находилась вакуумная труба, в которой протоны разгонялись до 88 % от скорости света. Когда Космотрон достиг расчетной энергии в 3,3 ГэВ, он стал рекордсменом среди ускорителей, превзойдя циклотрон в Беркли почти в 10 раз.

Команда из Беркли не отставала, и в 1954 году, всего через год после запуска Космотрона, Беватрон с ревом ожил. Ошибиться тут было невозможно: огромный мотор-генератор ходил взад и вперед, наполняя бетонный зал воющими звуками. Беватрон был даже больше Космотрона, его ширина составляла 41 метр, а вакуумная труба была такой большой, что, как говорили, по ней можно чуть ли не проехать на автомобиле. Альварес и его коллеги – главный физик Эд Лофгрен и инженер Уильям Бробек – превзошли своих соперников, достигнув почти вдвое большей энергии, чем у Космотрона, и создав пучок протонов с рекордной энергией в 6,2 Гэ В.

Зачем строить два ускорителя вместо одного? Помимо географического расстояния между двумя лабораториями и сосредоточения исследовательских сообществ на Восточном и Западном побережье, причина в первую очередь заключалась в том, что правительство США приняло решение продолжить эксплуатацию крупных лабораторий, созданных во время войны, объединив человеческие и финансовые ресурсы для достижения великих научных целей. А создание новых лабораторий, таких как Брукхейвен, могло обеспечить, как считалось, здоровую конкуренцию.

Технологические достижения Второй мировой войны продемонстрировали, что команда физиков и инженеров с достаточными ресурсами может решать невероятно сложные теоретические и практические проблемы. Более того, они доказали свою способность работать в командах беспрецедентного размера и сложности – сотни ученых и инженеров и десятки тысяч других сотрудников, от строителей до пожарных, – для достижения одних из самых сложных целей, которые когда-либо перед собой ставило человечество. Такой подход поспособствовал развитию других амбициозных научных проектов, включая космическую программу США и Советского Союза. Отныне физике, особенно в Соединенных Штатах, был присвоен статус, которого не было ни у одной другой дисциплины.

Такая поддержка физики совпала с периодом огромного роста в Соединенных Штатах. Экономика процветала, принося новые потребительские товары, новые богатства и развивая пригороды. Уровень рождаемости вырос: только в 1946 году родились рекордные 3,4 миллиона младенцев. Государственный бюджет также расширился за счет инвестиций в дорожное сообщение между штатами, школы, военные операции и новые технологии, такие как компьютеры. В результате в 1950–1960-х годах физика элементарных частиц также пережила бум. Сами физики обрели чувство уверенности. Ответы на животрепещущие вопросы были почти у них в руках: что это за странные частицы, обнаруженные в космических лучах, и что можно узнать из них о Вселенной, о материи и о силах, которые связывают все воедино? У всех ли новых частиц есть их эквивалент в антивеществе? И есть ли во всем какой-то основополагающий порядок?

Эксперименты переросли университетские лаборатории и стали проводиться на национальных объектах, объединяющих большие группы людей в стремлении к общей цели. Альварес и Лоуренс были лишь двумя из многих физиков, участвовавших в этом изменении. Эксперименты, проведенные в этот период, были сосредоточены на больших ускорителях частиц, начиная с Беватрона и Космотрона, которые в конечном итоге должны были подавать частицы в новые детекторы, выдающие миллионы изображений для анализа. Даже значение слова «эксперимент» в лексиконе физиков поменяло свое значение.

Как мы уже видели, раньше исследователи сами создавали свое оборудование с нуля или, по крайней мере, управляли им самостоятельно. Эксперимент служил проверкой или испытанием идеи ученого. Но к 1950-м годам эксперимент подразумевал создание гигантского механизма, спроектированного одной группой, обслуживаемого инженерами-специалистами, управляемого преданным своему делу персоналом, а полученные результаты анализировались одной командой и интерпретировались другой. Несколько групп в рамках одного эксперимента могли искать ответы на совершенно разные вопросы, а ускорители, детекторы и другие части оборудования изменялись и совершенствовались по мере изобретения и внедрения новых технологий. Стало трудно сказать, где заканчивается один эксперимент и начинается другой.

Сегодня исследователи в области физики элементарных частиц привыкли к крупным лабораториям и международному сотрудничеству, но это не всегда было в порядке вещей. Только в середине ХХ века, в эпоху Большой науки, объединились технологические, политические, научные и личные факторы, подарив нам современный подход к физике элементарных частиц. В результате количество обнаруживаемых частиц резко возросло, а эксперименты стали так далеко опережать теорию, что потребовалось почти 20 лет, чтобы математически осмыслить основополагающий порядок.

Сидя перед пультами управления, заполненными циферблатами и счетчиками, операторы ускорителей доводили Космотрон (на Восточном побережье) и Беватрон (на Западном побережье) до полной мощности, а затем направляли луч на цель, создавая потрясающий источник редких частиц. Вскоре команды произвели и измерили все известные частицы космических лучей: пионы, мюоны, позитроны и странные частицы. Теперь можно было наблюдать не просто отдельные пионы при кропотливом анализе космических лучей, а генерировать устойчивый пучок пионов с большим количеством энергии и детально его анализировать. В 1953 году на Космотроне пионы запустили в облачную камеру, где, как будто по требованию, было обнаружено огромное количество странных частиц, а вскоре и Беватрон последовал примеру. Благодаря ускорителям физики заполучили скорость передачи данных, о которой первооткрыватели космических лучей могли только мечтать.

К 1954 году, когда начал работать Беватрон, список странных частиц увеличился: по словам Альвареса, было найдено «несколько заряженных частиц и нейтральная частица, все с массами около 500 МэВ»[185], а также три более тяжелые, чем протон, нейтральная лямбда-частица (Λ), две заряженные сигмы-частицы (Σ^±) и отрицательная кси-частица (Ξ^—). Далекий от того, чтобы разом ответить на все их вопросы, список странностей только увеличивался по мере того, как ученые проводили больше измерений. Появлялись странные частицы со временем жизни в 100 миллиардов раз дольше, чем ожидалось. Не то чтобы они жили долго с объективной точки зрения – они распадались всего через 10^–10 секунд, в миллион раз быстрее, чем мгновение ока, – но по прогнозам теоретиков они должны распадаться всего за 10^–21 секунд, то есть еще в 100 миллиардов раз быстрее!

Кроме того, вопреки ожиданиям физиков, некоторые частицы не производились в равных количествах.

На тот момент физики считали, что в природе существуют четыре силы. Гравитация и электромагнетизм были хорошо известны, но они не объясняли ядерную сферу, поэтому были предложены две другие. Концепция сильного ядерного взаимодействия была выдвинута Хидеки Юкавой в 1934 году как сила, которая связывает протоны и нейтроны в ядре. Его теория исходила из частицы с массой, примерно в 200 раз превышающей массу электрона, которая переносила или опосредовала эту силу. Сначала считалось, что мюон – переносчик сильного взаимодействия, но вскоре это было исключено, поскольку он не взаимодействовал с ядерной материей ожидаемым образом. Позже была выдвинута кандидатура пиона, но это все еще оставалось неясным. Второй предложенной силой было слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный бета-распад, оно описывалось в теории Энрико Ферми еще в 1933 году. Куда вписывались странные частицы, оставалось неизвестным. Может ли быть так, что странные частицы создаются одной силой, сильным ядерным взаимодействием, но разрушаются через слабое взаимодействие?

В Мичиганском университете двадцатипятилетний физик-экспериментатор Дональд Глазер столкнулся с проблемой странных частиц. Даже в 1950 году он понимал, что странные частицы привели к тому, что физика элементарных частиц, по его словам, «как бы застряла»[186]. В то время все в этой области знали, в чем причина: недостаточно данных. Без дополнительных данных теоретикам недоставало информации, чтобы выяснить, что такое странные частицы или как они сочетаются с другими частицами и силами в природе. Глазер намеревался найти способ это исправить.

Строительство больших ускорителей само по себе не решало всех загадок странных частиц. Конечно, ускорители могут создавать много странных частиц, но все это бесполезно, если их не получается обнаружить и измерить. Пока Альварес и другие занимались созданием больших ускорителей, идея Глазера заключалась в создании детектора, который мог бы улавливать больше данных от космических лучей, чем облачная камера.

В отличие от многих других физиков того времени, Глазер не хотел работать в больших лабораториях, предпочитая вместо этого свою небольшую университетскую группу. Он тщательно обдумал, какой жизнью он хотел бы жить. Будучи спортивным человеком, он мечтал жить на вершине горы на горнолыжном курорте, днем катаясь на лыжах, пока его оборудование собирало данные. По вечерам он бы их просматривал и открывал новые частицы. Он знал, что некоторые швейцарские исследователи живут именно так, медленно, но устойчиво набирая новые знания с большим количеством времени для размышлений.

Глазер знал, что в новом детекторе ему надо найти способ придать взаимодействиям крошечных частиц огромное усиление, чтобы сделать их доступными для записи. Он имел в виду метастабильное состояние, когда крошечное количество энергии вызывает гораздо больший эффект, точно так же, как облачная камера использует метастабильное состояние перенасыщенного пара, чтобы вызвать образование облачных капель. Сначала Глазер рассматривал возможность использовать облака, но, когда узнал, что группа в Брукхейвене пытается построить облачную камеру с высоким давлением, где сброс между снимками занимает 20 минут, решил, что это бесполезно, так как такая камера никогда не соберет достаточно данных. Он отправился на охоту за новым способом регистрации частиц.

Глазер предположил наличие какой-нибудь жидкости, которая затвердевала бы при прохождении через нее частицы, образуя нечто вроде «пластиковой рождественской елки» из распадов и взаимодействий частиц. Он мечтал, что сможет собирать эти пластиковые деревья, измерять все углы и таким образом открывать новые частицы. Но, когда он попробовал провести такой эксперимент с химическим раствором, вместо того чтобы образовать «рождественские елки», смесь просто превратилась в вязкую коричневую массу. Глазер не стал утруждать себя публикацией результатов и перешел к следующей идее. Он попытался использовать кристаллы льда в воде, но понял, что потребовалось бы слишком много времени, чтобы растопить лед и возобновить эксперимент. Глазер перепробовал все физические, электрические и химические установки, какие только мог себе представить, но ни одна из них, казалось, не была способна произвести запись событий с участием частиц, пригодную для сбора данных.

Но в 1951 году мысль о скороварках все изменила. В скороварке вода нагревается до температуры выше точки кипения (100 градусов по Цельсию), прежде чем появляются пузырьки. Глазер задался вопросом, можно ли налить в скороварку жидкость и довести ее до такой температуры выше точки кипения, чтобы в случае быстрого снятия крышки она оказалась достаточно нестабильной и чувствительной к воздействию частиц[187].

Он попробовал несколько различных жидкостей, пытаясь выяснить, будут ли они образовывать пузырьки при воздействии источника излучения. У газированной воды слишком большое поверхностное натяжение для работы, с имбирным элем дела обстояли не лучше. В какой-то момент Глазеру пришла в голову идея, что подойдет жидкость с небольшим количеством алкоголя, и он нашел общедоступную жидкость, которая соответствовала критериям, – пиво. Единственная проблема заключалась в том, что алкоголь был запрещен на территории университета, поэтому Глазер протащил ящик на кафедру уже после закрытия. Он опустил бутылку в большой стакан с горячим маслом, поставил рядом источник кобальта-60 – мощный гамма-излучатель – и снял крышку в ожидании, будет ли пиво пениться по-другому из-за источника излучения. Глазер пришел к выводу, что на пиво, по-видимому, не влияет источник кобальта, но он забыл принять во внимание еще один аспект своего ночного эксперимента. Горячее пиво вспенилось так быстро, что взлетело в воздух, ударившись о потолок. На следующее утро Глазер оказался в неудобном положении: ему пришлось объяснять, почему вся кафедра провоняла пивом. Заведующий кафедрой, трезвенник, был в ярости[188].

В конце концов Глазер изучил соответствующие химические таблицы, где наткнулся на жидкость, называемую диэтиловым эфиром, которая обычно используется в качестве анестетика. Глазер создал маленькую стеклянную колбу размером примерно с большой палец и налил в нее диэтиловый эфир. Однажды ночью, примерно в 3 часа, он перегрел эфир, используя горячее масло. Затем он взял источник кобальта-60 и поднес его к колбе. Жидкость взорвалась пузырьками. Он поднес источник снова, и произошло то же самое. Физик быстро дополнил установку камерой с высокой частотой кадров и фотовспышкой, которую позаимствовал у коллег-инженеров, и сумел сделать снимок гамма-лучей, проходящих через крошечный детектор. У него получилось. Глазер изобрел новый тип детектора частиц: пузырьковую камеру[189].

Глазер понял, что его новое изобретение позволит собирать данные с огромной скоростью. В пузырьковой камере жидкость в 1000 раз плотнее воздуха, поэтому вероятность увидеть, как частица пройдет через камеру, в 1000 раз выше, чем в облачной камере. Он подготовил доклад, готовый представить свою работу на собрании Американского физического общества в Вашингтоне в апреле 1953 года.

Прибыв на конференцию, Глазер был расстроен, узнав, что его выступление запланировано на последний день, когда все пожилые и более признанные физики уже спешат на свои рейсы. Вечером за выпивкой он пожаловался на свое затруднительное положение группе старых физиков, среди которых был Луис Альварес. Альварес признал, что к тому времени он тоже покинул бы конференцию, но ему стало любопытно, над чем работает Глазер. Когда Альварес узнал о пузырьковой камере, он сразу понял значение идеи молодого человека: «Я безуспешно ломал голову в поисках подходящего детектора для Беватрона, который вот-вот запустят. Мне сразу стало ясно, что камера Глазера отлично подойдет»[190].

Альварес позаботился о том, чтобы два члена его команды остались и послушали выступление Глазера. И Альварес, и Глазер знали, что нужно сделать, чтобы пузырьковая камера показала себя как можно лучше в Беватроне. Во-первых, очевидным улучшением было бы заменить диэтиловый эфир жидким водородом: поскольку водород в основном состоит из протонов, это приведет к простым столкновениям высокоэнергетических протонов из Беватрона с протонами водорода. Однако водород чрезвычайно взрывоопасен, а жидкий водород чрезвычайно холодный – около –250 градусов по Цельсию, – поэтому все нужно делать очень осторожно. Вторая задача состояла в том, чтобы увеличить размер детектора и дать высокоэнергетическим протонам достаточно места для взаимодействия в водороде, создания странных частиц и оставления длинных треков, которые можно сфотографировать и проанализировать.

Глазер, уже будучи в Мичигане, знал, что не сможет конкурировать с огромными ресурсами и командами инженеров, которые были в распоряжении Альвареса. Он мечтал о своей идиллической жизни в горах, где сможет использовать пузырьковую камеру с высокоэнергетическими космическими лучами. Теперь он понял, что не так с его мечтой: пузырьковые следы появлялись и исчезали так быстро, что включить камеру в нужное время и сфотографировать взаимодействие частиц практически невозможно. К тому моменту, когда откроется затвор камеры, трек из пузырьков уже исчезнет. Единственный способ результативно использовать пузырьковую камеру – объединить ее с одним из больших ускорителей, где предсказуемое время возникновения частиц дало бы ему шанс обнаружить их взаимодействия.

После всех этих лет активного дистанцирования от работы в крупных лабораториях, казалось, у Глазера не было выбора. Он собрал своих студентов для тяжелого разговора, и в конце концов все они согласились перейти к работе на больших ускорителях. Глазер построил пропановую пузырьковую камеру размером 15 см в поперечнике и купил 12 м трейлер, в который он и его аспиранты погрузили все оборудование и отправились в путешествие по стране. Сначала Глазер хотел использовать свой детектор на Космотроне в Брукхейвене. В первом использованном рулоне пленки было всего 36 снимков. В череде изображений попалось от 30 до 40 примеров редких распадов, которые раньше не получалось запечатлеть при полетах на воздушном шаре и ядерных эмульсиях. Когда ученый вышел из фотолаборатории, вокруг него собралась огромная толпа. Он сказал: «…я не знал точно, что получится, но я знал, что если что-то и получится, то нечто грандиозное»[191].

У пузырьковой камеры гораздо более короткий цикл работы и лучшее разрешение, чем у облачной камеры, что соответствовало быстрому распространению частиц на новых ускорителях. Альварес и его команда отметили потенциал нового детектора и сразу же составили план по созданию большой водородной пузырьковой камеры для Беватрона. Сначала они воссоздали результаты Глазера, затем небольшая группа из механической мастерской помогла со строительством серии водородных пузырьковых камер все большего размера. Стеклянные колбы казались недостаточно прочными, поэтому были сконструированы стальные резервуары со стеклянными окнами, через которые можно было фотографировать пузырьки.

К 1958 году у Альвареса была 38-сантиметровая пузырьковая камера, работающая на базе Беватрона, и вскоре он убедил Глазера переехать в Калифорнию вместе с шестью аспирантами.

Альварес готовился запустить программу по созданию огромной двухметровой камеры с пузырьками жидкого водорода, но даже камеры меньшего размера уже снабдили физиков огромным количеством данных. Вскоре самой большой проблемой стал анализ миллионов полученных фотографий. Пузырьковая камера Глазера, безусловно, решила проблему слишком малого объема данных, но создала новую: для извлечения полезной информации из пленки требовались люди, которые просматривали бы каждое изображение по очереди.

Фотографии были разосланы по всему миру для изучения. У Глазера был специальный портфель со встроенным устройством для просмотра снимков, позволявший ему анализировать треки частиц во время своих многочисленных поездок между Брукхейвеном, Мичиганом, Чикаго и Беркли. Со временем этот анализ превратился в специализированную работу, выполняемую группой обученных «сканеров». Это была почти полностью женская группа, известная как «сканирующие девушки», которые день за днем анализировали следы частиц[192]. Сначала они измеряли длину и дугу интересных треков частиц, записывая данные вручную, шаг за шагом. Команда Альвареса в конечном итоге создала полуавтоматические измерительные машины, которые сканеры использовали для ввода данных на перфокарты и в первые компьютеры.

В результате этого индустриализированного сбора данных получилась не та четкая картина, которая ожидалась, а полная путаница. В 1958 году Альварес обнаружил новую сбивающую с толку частицу, которая была названа Y*(1385) – читается как «Y звездочка тысяча триста восемьдесят пять» – из-за ее массы около 1385 Мэ В. Я говорю «около», потому что ее масса была неопределенной, и в этом ключевая часть ее тайны. По правде говоря, массы всех частиц неопределенны; точность, с которой мы знаем массу, связана с тем, как долго они живут. Внесу ясность: это происходит не из-за ошибок в измерениях, а из-за свойства материи, закрепленного в ключевом принципе квантовой механики, – принципе неопределенности Гейзенберга. Этот принцип подразумевает, что чем короче время жизни частицы, тем меньше мы уверены в ее энергии – и, следовательно, в ее массе. Новая частица Y* Альвареса жила всего около 10^–23 секунд, поэтому ее масса составляла всего «около» 1385 Мэ В. То, что обнаружил Альварес, было не просто новой частицей, а самым преходящим физическим явлением в мире природы: даже двигаясь почти со скоростью света, они преодолевают расстояние, не превышающее ширины протона, прежде чем распасться.

Y* (1385) стала первой из совершенно нового типа частиц, резонансных частиц, и за ней последовали многие другие. На момент запуска Беватрона было известно около 30 частиц, но в конечном итоге обнаружено около 200 новых частиц и резонансов – так много, что ученые с лихвой израсходовали буквы греческого алфавита. В то время как экспериментаторы делали открытие за открытием, физики-теоретики затевали свою собственную творческую революцию, чтобы попытаться навести порядок в новых частицах.

Странные частицы указывали путь. В 1956 году физик-теоретик Мюррей Гелл-Манн[193] (и независимо от него Кадзухи-ко Нисидзима в 1953 году) присвоили каждой из странных частиц новую величину, называемую странностью. Идея заключалась в том, что странность сохраняется при сильных взаимодействиях: если при создании двух частиц у одной странность +1, а у другой —1, общая странность сохраняется. Заметив, что странные частицы обычно создаются парами, Гелл-Манн счел идею рабочей. Он также выдвинул причину, по которой странные частицы живут дольше, чем ожидалось: странность, как предсказал физик, не сохраняется при слабых распадах. Когда странные частицы распадаются на не-странные, распад не может происходить за счет сильного взаимодействия (которое должно подчиняться закону сохранения странности) – скорее, должен иметь место более медленный слабый распад. Их распад тормозится самой природой, что объясняет относительно длительное время жизни странных частиц.

К 1961 году Мюррей Гелл-Манн и Юваль Неэман предложили систему классификации, основанную на странности и электрическом заряде, которую часто называют «Восьмеричным путем» – отсылка к Благородному восьмеричному пути в буддизме. Математически обосновывая свою теорию, Геллман и Нееман смогли развести частицы по упорядоченным группам, создав систему классификации. Одним из аспектов классификации было различение спина частицы – квантового числа, описывающего собственный момент импульса частицы, вращающейся вокруг своей оси. Пионы и каоны (все со спином 0) образуют группу из восьми мезонов, в то время как лямбда, протон и нейтрон (со спином 1/2) были отнесены к другому октету из так называемых барионов. Также была выделена другая группа из 10 барионов – декуплет (все со спином 3/2), включающий такие странные частицы, как дельта, сигма и кси, все из которых уже были открыты. Но вот в чем загвоздка: в декуплете должна существовать пока еще ненайденная частица, названная омега-минус. Был только один способ убедиться в правильности системы Гелл-Манна.

К 1964 году Брукхейвен модернизировал Космотрон до нового ускорителя под названием Синхротрон с переменным градиентом (англ. Alternating Gradient Synchrotron – AGS)[194] и установил огромную двухметровую пузырьковую камеру с жидким водородом и 400-тонным магнитом. Команда во главе с Николасом Самиосом приступила к поискам омеги-минус. Ее открытие позже в том же году стало крупным триумфом новой теории. Физики двигались в правильном направлении.

После этого открытия математические основы классификации Гелл-Манна привели его к поистине поразительному предположению: протоны, нейтроны, мезоны (как пионы) и резонансы вовсе не фундаментальные частицы – они сами состоят из более мелких частиц. Гелл-Манн назвал эти фундаментальные составляющие кварками[195]. Он предположил, что существует три типа кварков: «верхние», «нижние» и «странные». Верхние и нижние кварки образуют протон и нейтрон, а странные кварки идут на создание странных частиц – каонов, лямбд и так далее. Резонансные частицы можно понимать как возбужденные состояния кварков, объединенных вместе.

Большая наука промышленного масштаба начала приносить свои плоды. Кажется, без нее мы никак не смогли бы прийти к идее кварков – маленькой команде просто невозможно построить и эксплуатировать такое массивное оборудование. Конечно, такое масштабное расширение сопряжено со своими проблемами: трудно даже выяснить, кто именно был вовлечен в открытие или какова была точная роль каждого отдельного ученого. Сохранилось очень мало записей сканирующих девушек. Аспиранты, покинувшие проект, никак не отображены в истории. В статье об открытии омега-минус обозначены 33 автора, и это не включая разработчиков ускорителей, инженеров, сканеров или теоретиков – даже Гелл-Манна[196]. Поэтому сегодня мы обычно слышим только истории о нескольких физиках-теоретиках, а не о командах экспериментаторов, инженеров и многих других, необходимых для таких открытий, как резонансные частицы и омега-минус.

Глазер, извечный поборник малой науки, был возмущен этим сдвигом в стиле работы. Всего через несколько лет после получения Нобелевской премии в 1960 году за пузырьковую камеру Глазеру так надоела административная работа, связанная с наблюдением за большими командами сканеров и инженеров, что он бросил физику и ушел в нейробиологию, где основал первую биотехнологическую компанию Cetus Corporation[197]. Альварес тем временем получил Нобелевскую премию в 1968 году.

Большая наука, практикуемая в таких лабораториях, как Беркли, объединяет ученых разных типов, что создает возможность проводить амбициозные прикладные исследования наряду с экспериментами, движимыми любопытством. Альварес стал сторонником этого стиля исследований, как и другой ветеран Манхэттенского проекта Роберт «Боб» Ратбун Уилсон. Как и Альварес, Уилсон был одним из бывших циклотронщиков Эрнеста Лоуренса, но после войны он переехал в Гарвард. Уилсон не гордился своей ролью в разработке атомного оружия, комментируя в интервью: «Я всегда надеялся, что мы не добьемся успеха»[198]. Уилсон вырос в Вайоминге, в семье бывших квакеров. Еще до войны он слыл пацифистом, но после своего военного опыта он твердо решил внести вклад в применение физики в мирных целях.

В 1946 году Уилсону пришла в голову идея, которая показалась ему настолько очевидной, что он посчитал, что она, должно быть, уже приходила в голову многим другим. Энергии протонных пучков циклотронов теперь достаточно высоки, несколько сотен МэВ, чтобы лучи могли проникать глубоко в ткани человека и оказывать прямое терапевтическое применение, особенно при лечении рака. Когда его предложение дошло до медицинского сообщества, оказалось, что никто на самом деле не думал об этом. Воплощение этой идеи заняло бы много лет, но в конечном итоге она проложила бы путь к созданию совершенно нового лечения рака с использованием высокоэнергетических заряженных частиц – корпускулярной терапии[199].

Вопрос, на который нужно было ответить Уилсону, заключался в следующем: как высокоэнергетические частицы взаимодействуют с человеческим телом и можно ли их использовать для лечения рака? Наслышанный об успешной истории применения циклотронных изотопов в медицине, он знал, что можно обратиться к брату Эрнеста Лоуренса, Джону.

В 1950-х годах лечение рака с помощью радиации плотно вошло в медицину. Рентгеновские лучи (а иногда и электроны) использовались в лучевой терапии, потому что было хорошо известно, что ионизирующее излучение – излучение с достаточной энергией для вытеснения электронов и образования ионов – может убивать раковые клетки. Цель такого лечения всегда состоит в том, чтобы доставить достаточную дозу излучения к опухоли и уничтожить ее, но как можно меньше воздействовать на здоровую ткань, чего бывает трудно достичь.

Сложность обуславливается непредсказуемостью поведения лучей в материи, и именно поэтому идея Уилсона стала огромным прорывом.

Когда высокоэнергетический фотон или электрон попадает в человеческую ткань, которая примерно на 70 % состоит из воды, он взаимодействует с электронами вокруг атомов и довольно быстро теряет энергию. С точки зрения дозы облучения это означает, что большое ее количество откладывается непосредственно под кожей и меньшее количество уходит вглубь тела. Но когда тяжелая заряженная частица попадает в ткань или воду, крошечных электронов недостаточно, чтобы замедлить ее, поэтому она медленно теряет энергию, лишь немного отклоняясь от своего пути. Протон или другая тяжелая заряженная частица может проникнуть глубоко внутрь тела, поначалу выделяя очень мало энергии, замедлиться и в конечном итоге остановиться, доставив большую часть своей энергии (и, следовательно, урона) к концу своего пути. Если вы построите график зависимости потери энергии протона от глубины его попадания в вещество, он будет следовать кривой, называемой пиком Брэгга[200].

Уилсон понял, что с точки зрения биологии пик Брэгга тяжелых заряженных частиц гораздо лучше подойдет для лечения опухолей. В зависимости от начальной энергии протонов частицы могут останавливаться на разных глубинах, позволяя врачам точно направлять излучение туда, где оно необходимо. Но физика излучения и материи – это одно, а еще предстояло выяснить воздействие на человека.

Джон Лоуренс и его коллега доктор Роберт Стоун ранее исследовали использование нейтронов в терапии, но их результаты были неубедительными. Идея Уилсона использовать вместо этого заряженные частицы побудила их коллегу Корнелиуса Тобиаса в 1948 году провести биологические эксперименты с использованием циклотрона с энергией 350 МэВ и проверить влияние протонов и дейтронов на клетки. Результаты оказались многообещающими, и в 1952 году воздействию пучков ионов дейтрона и гелия подвергся первый человек. В 1954 году – в тот год, когда был запущен Беватрон, – первый человек подвергся воздействию протонных лучей.

Несмотря на наличие более точного инструмента для доставки излучения вглубь тела, врачи не могли использовать пучки частиц, потому что им пришлось бы действовать вслепую: современные методы визуализации не позволяли им наблюдать происходящее в теле человека, потому что компьютерная томография (глава 1) еще не была изобретена. Одной из мишеней, которую можно было увидеть, был гипофиз, контролирующий высвобождение определенных гормонов. Поэтому первый метод лечения был направлен на остановку выработки гипофизом гормонов, вызывающих рост раковых клеток. Благодаря этому методу самая первая пациентка, женщина с метастатическим раком груди, была успешно вылечена[201]. Прошло еще несколько десятилетий, прежде чем объединение технологий визуализации и применения ускорителей позволило разработать эффективный способ лечения рака, однако этот эпизод положил начало развитию одного из самых сложных медицинских методов.

Сегодня более 100 центров по всему миру предлагают терапию частицами – с использованием либо протонов, либо тяжелых ионов (обычно ионов углерода). Всего 10 лет назад было 22 центра, и их число продолжает расти в геометрической прогрессии. Терапия частицами особенно хорошо подходит для лечения глубоких и труднодоступных опухолей, тяжелых детских случаев или опухолей вблизи важных органов. В 2016 году в Великобритании одна семья попала на первые полосы газет после того, что проехала через всю Европу, вопреки советам врачей, ради лечения своего ребенка в Праге с помощью протонной терапии, в то время как первый в Великобритании протонный терапевтический центр еще только строился.

Центры тщательно спроектированы таким образом, что пациенты едва ли знают о том, что поблизости находится ускоритель частиц. В Институте Пола Шеррера в Швейцарии процедурные кабинеты расположены в коридорах, отделанных деревянными панелями, с подсвеченными бумажными экранами в японском стиле, создающими ощущение, что дневной свет находится прямо за стеной. Экраны маскируют бетонную радиационную защиту метровой толщины. Во время лечения пациент лежит на кровати из углеродного волокна, установленной на роботизированной системе позиционирования, в центре небольшой комнаты. Если бы не большая белая металлическая насадка, торчащая из потолка, можно было бы ожидать, что хирург появится в любую минуту. Но в этом учреждении не требуются хирурги-люди.

Любопытным пациентам (или физикам) разрешена экскурсия за кулисы. Прочные на вид стены процедурного кабинета скрывают похожее на пещеру пространство, заполненное большим оборудованием, звуками вакуумных насосов и жужжанием источников питания. В задней части пещеры металлическая вакуумная трубка выходит через отверстие в бетонной защите, пропуская протоны из ближайшего ускорителя. Протонный луч проходит через ряд магнитов, которые поднимаются над палатой пациента. Наконец, он изгибается с помощью 200-тонного магнита, который направляет луч туда, где он необходим. Да, один из магнитов почти в два раза тяжелее синего кита. И да, он часто находится прямо над пациентом.

Вся конструкция, называемая гантри, движется: она вращается вокруг пациента, направляя луч под любым углом, пока пациент лежит на кровати, не в состоянии ощутить или почувствовать пучок частиц, взаимодействующий с его телом. Для протонной терапии циклотрон диаметром в несколько метров – лишь небольшая часть системы. Для более тяжелых частиц требуются синхротроны диаметром около 20 метров.

Те же ученые, которые разрабатывают ускорители частиц для физики элементарных частиц, разрабатывают синхротроны (и некоторые циклотроны) для терапии частицами в больницах. Совместное развитие терапии рака и физики элементарных частиц стало возможным благодаря междисциплинарному сотрудничеству. Все так и задумывалось: Лоуренс (который умер в 1958 году) и его преемники намеревались создать среду, в которой знания могли бы легко пересекать границы дисциплин. Этот новый масштабный командный подход к науке одновременно произвел революцию в нашем понимании частиц и катализировал их пользу для общества.

Сейчас мы стремимся сделать эту технологию еще более компактной, дешевой и точной. Терапия частицами дает физикам совершенно новую мотивацию адаптировать и изобретать новые ускорительные технологии. Это всего лишь одно из многих удивительных практических применений физики, которые появились в результате перехода этой области к масштабным совместным экспериментам.

Этот переход произошел не только в Соединенных Штатах, но и во всем мире. По мере восстановления после Второй мировой войны в Европе французский физик Луи де Бройль предложил европейским ученым объединиться и создать многонациональную лабораторию. Это было необходимо, если они хотели продолжить исследования в области физики высоких энергий. Оглядываясь на крупные проекты, планируемые и реализуемые в Соединенных Штатах, они знали, что единственный способ остаться в игре – это объединить ресурсы. После лоббирования правительств в течение ряда лет двенадцать стран Западной Европы ратифицировали создание в 1954 году новой лаборатории, Европейского совета по ядерным исследованиям (ЦЕРН), недалеко от Женевы. В нем приняли участие исследователи из стран, которые всего несколько лет назад находились в состоянии войны, включая Бельгию, Данию, Францию, Германию, Грецию, Италию, Нидерланды, Норвегию, Швецию, Швейцарию, Соединенное Королевство и Югославию. Управляемый рядом советов, в которых есть представители каждой страны-участницы, ЦЕРН создал уникальную структуру для принятия решений и продвижения крупных научных проектов, поощряя страны к совместной работе для достижения общих целей. В отличие от многих лабораторий США, в конвенции ЦЕРН записано, что лаборатория «не должна проводить работу в военных целях, а результаты ее экспериментальных и теоретических работ должны публиковаться или иным образом становиться общедоступными». Задачей ЦЕРН была и остается наука во имя мира.

Тем временем научный потенциал Японии был разрушен не только из-за бедности, вызванной войной, но и из-за действий американских военных в 1945 году. Опасаясь, что циклотроны могут быть использованы для создания ядерного оружия, солдаты оккупационной армии США разбили четыре больших японских циклотрона и сбросили их в Токийскую гавань[202]. Конец этому положил Сан-Францисский мирный договор, вступивший в силу в 1952 году, который восстановил мир между Японией и частью стран антигитлеровской коалиции и даже позволил японцам задуматься о создании новых машин. Сегодня в Японии проводятся исследования мирового уровня не только в области физики элементарных частиц, но и в области терапии частицами.

Для физиков 1960-х годов применение их работ в биологии все еще оставалось побочным проектом, полная реализация которого была далеко в будущем. С новой системой классификации элементарных частиц они наконец пришли к пониманию материи и сил на более фундаментальном уровне. Не все новые частицы были элементарными, некоторые из них имели составляющие, называемые кварками, но сами кварки до сих пор не наблюдались. Все частицы, содержащие кварки, взаимодействуют через сильное ядерное взаимодействие, но физики на данный момент все еще не разгадали тайну того, как работает слабое ядерное взаимодействие. Они знали только, что эта четвертая сила ответственна за бета-распад. И именно бета-распад ведет нас к нашему следующему приключению.

Глава 9

Мега-детекторы: поиск неуловимого нейтрино

Из трех основных типов радиоактивного распада – альфа, бета и гамма – один странно отличался от других. Бета-распад беспокоил физиков с начала 1900-х годов, поскольку казалось, что он нарушает один из основополагающих законов физики. Разгадка тайны бета-распада заняла более 50 лет и потребовала от физиков провести серию экстраординарных подземных экспериментов, чтобы найти теоретическую новую частицу, которую, по мнению ведущих экспертов, невозможно обнаружить. Этой частицей было нейтрино: самая распространенная, но самая неуловимая частица во Вселенной.

С начала 1900-х годов эксперименты показали, что при бета-распаде образуются электроны с диапазоном самых различных энергий. В то время это не вызвало особого беспокойства, но после открытия атомного ядра у физиков возникли вопросы. Когда элемент подвергается бета-распаду, он не остается неизменным: элемент смещается на одно место вправо в периодической таблице. Это совсем не то же самое, что потерять электрон с атомной орбиты, поскольку это изменит только электрический заряд атома, а не тип атома. При бета-распаде ядро излучает электрон. Детальные измерения Джеймса Чедвика и его коллег показали, что бета-частицы имеют непрерывный характер энергий, варьирующийся от очень малой до практически максимальной энергии, по-видимому, случайным образом. Это проблема совершенно иного уровня: бета-распад нарушает самые основные принципы физики.

В атоме, подвергающемся бета-распаду, сначала присутствует один объект – атом. Далее два объекта – атом и электрон. Закон сохранения импульса, диктует, что кинетическая энергия, уносимая «снарядами» в простой системе из двух тел, подобной этой, должна принимать предсказуемое уникальное значение. Альфа– и гамма-излучения подчиняются этому закону, но при бета-излучении энергии случайны и непредсказуемы. Нарушение такого фундаментального научного принципа – верный признак того, что ваш эксперимент не удался или ваши измерения неверны. И все же, как бы ученые ни старались, любой, кто проводил такой эксперимент, не находил верного ответа.

У каждого физика было свое мнение на этот счет. Некоторые, как Нильс Бор, намеревались отказаться от идеи сохранения импульса или, по крайней мере, обойти ее, предположив, что в крошечных атомных масштабах энергия сохраняется только в среднем, а не при каждом отдельном распаде. Однако один теоретик, Вольфганг Паули, не смог так просто отказаться от этой тайны. Паули был хорошо известен своим критическим и рациональным подходом, так что ему даже дали прозвище «бич Божий». Его не устроило предложение голландско-американского физика Петера Дебая, который на встрече в Брюсселе предложил просто не думать о бета-распаде вообще. Паули был полон решимости придерживаться закона сохранения импульса и сумел найти теоретическое решение, но, к его ужасу, это сделало ситуацию еще хуже. «Я совершил ужасный поступок, – говорил он. – Я постулировал частицу, которую невозможно обнаружить».

Паули впервые изложил свою идею другим физикам в письме 1930 года. Возможно, предположил он, энергию уносит крошечная электрически нейтральная частица? Паули счел это настолько нелепым, что, как он писал своим адресатам, «он не смеет ничего публиковать» на эту тему и сначала обратится к своей «дорогой группе радиоактивных» и спросит, насколько вероятно найти экспериментальные доказательства существования такой частицы. Проблема, как хорошо знал Паули, заключалась в том, что такая частица, по прогнозам, не имеет массы и электрического заряда, что делало практически невозможным ее обнаружение в эксперименте.

В 1933 году идея Паули была воплощена в теории бета-распада Энрико Ферми, итальянского физика, которого уважали как за его теоретические, так и за экспериментальные навыки. Ферми назвал новую частицу нейтрино, или «нейтрончик», и представил теорию в журнале Nature. Ее отклонили на том основании, что в ней «содержались предположения, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя». Год спустя в Манчестере физики Рудольф Пайерлс и Ханс Бете подсчитали, что нейтрино, образующиеся при бета-распаде, могут проходить через всю Землю, никак не взаимодействуя с материей. Фактически они могут пройти через свинец толщиной, измеряемой в световых годах. Теоретически нейтрино могло бы решить проблему бета-распада, но какая польза от частицы, если ее невозможно обнаружить, а потому нельзя и проверить? Еще многие годы экспериментаторы так или иначе игнорировали нейтрино.

Все так и продолжалось еще в течение двух десятилетий. Наконец, в 1950-х годах тридцатитрехлетний физик решил заняться неуловимым нейтрино. Этим человеком был Фред Райнес, родом из маленького городка Нью-Джерси. Он едва закончил свою докторскую, когда начал работать над теоретической частью Манхэттенского проекта, и продолжал работать в Лос-Аламосе после войны. Интерес Райнеса к физике пригодился правительству, но, как и в случае многих его коллег, война использовала его знания для работы над атомным оружием. Райнес решил, что пришло время заняться чем-то более фундаментальным для физики. Спустя несколько недель, проведенных в офисе, он понял, что единственная идея, которая постоянно возвращается к нему, – это поиск нейтрино.

Как создать источник нейтрино? Как их обнаружить? Если бы Райнес построил правильный детектор, возможно, он смог бы доказать их существование. Быстрый расчет подсказал ему, что даже если бы он смог придумать необходимый детектор, вероятность взаимодействия нейтрино настолько мала, что детектор должен быть огромным. Лучше всего подошла бы какая-нибудь жидкость, но самые большие жидкостные детекторы в те дни были объемом около литра. (Это был 1951 год, и пузырьковая камера Дональда Глазера только создавалась, хотя она все равно не могла непосредственно обнаружить нейтрально заряженные нейтрино). Как сделать детектор с объемом в тысячу раз больше того, что считалось самым современным? Энрико Ферми тоже понятия не имел, как[203]. А уж если Ферми не может это сделать, как может кто-то другой? Это казалось невозможным, и на какое-то время Райнес отложил идею в сторону.

Вскоре после этого он застрял в аэропорту Канзас-Сити из-за неисправности двигателя самолета. Его коллега из Лос-Аламоса, Клайд Коуэн, тоже застрял. Коуэн был инженером-химиком и бывшим капитаном ВВС США и во время войны служил офицером связи. Там, где Райнес был искрометным экстравертом, Коуэн был более сдержанным, менее общительным, но блестящим экспериментатором. Они вдвоем бродили по аэропорту и беседовали, и когда Райнес предложил свою идею поиска нейтрино, Коуэн тут же за нее ухватился. Они решили отправиться на поиски нейтрино просто потому, что все говорили, что это невозможно. Их менеджеры в Лос-Аламосе согласились на диковинное предложение, и так родилось новое сотрудничество.

При запуске проекта в 1951 году была сделана фотография Райнеса и Коуэна с их командой из пяти человек, окруживших на лестничной клетке картонную вывеску. На ней был нарисованный от руки логотип с вытаращенным глазом и надпись «Проект “Полтергейст”». За вывеской один из участников зачем-то держал большую метлу. Все они в приподнятом настроении, как и следовало ожидать: их предложенный эксперимент включал в себя строительство огромного резервуара, наполненного чрезвычайно хорошо отфильтрованными и подготовленными жидкостями, тонкую электронику и надежду, что они смогут поймать частицу, считающуюся почти неуловимой.

Райнес и Коуэн изучили теорию нейтрино Ферми, которая гласила, что нейтрино невероятно редко взаимодействует с веществом, поэтому их первый шаг – найти что-то, что могло бы обеспечить как можно больше нейтрино. Хотя каждое нейтрино может пройти долгий путь через материю, статистически, если бы их было достаточно, некоторые из них могли бы случайно взаимодействовать с ядром на пути через детектор. Первая идея физиков заключалась в поимке нейтрино от атомной бомбы, но вскоре они поняли, что новая технология ядерных реакторов предлагает куда менее опасную альтернативу. По расчетам ядерный реактор должен производить огромный поток 10 тыс. млрд (10¹³) нейтрино в секунду на квадратный сантиметр. Не так много, как ядерное оружие, но все же реактор – постоянный источник, который мог производить нейтрино в течение очень длительного периода времени.

Райнес и Коуэн сосредоточили свое внимание на поиске реакции, предсказанной теорией Ферми, в которой протон захватывает нейтрино, превращаясь в нейтрон и испуская позитрон[204]. В результате этого процесса ожидалась двойная сигнатура от нейтрино. Во-первых, позитрон аннигилировал бы электрон, создавая вспышку гамма-лучей, которая была бы контрольным признаком того, что нейтрино посетило детектор. Вторая часть сигнала должна исходить от появляющегося нейтрона, который будет поглощен ядром и испустит гамма-излучение примерно пять микросекунд спустя. Что действительно было нужно проекту «Полтергейст», так это система, способная уловить две вспышки гамма-излучения с интервалом в пять микросекунд. Ученые надеялись, что этот сигнал позволит отличить нейтрино от космического луча или другого фонового шума.

Выяснив, что они ищут, Райнес и Коуэн сконструировали детектор. Здесь в игру вступили два последних технологических достижения. Первым было открытие того, что некоторые прозрачные органические жидкости излучают видимый свет, когда через них проходит гамма-луч или заряженная частица. Такой «жидкий сцинтиллятор» выдает небольшие вспышки, которые затем можно уловить с помощью другого хитроумного изобретения – фотоэлектронного умножителя. Эти вакуумные трубки немного похожи на длинные электрические лампочки, заполненные электроникой. Когда вспышка света попадает на переднюю часть одной из этих вакуумных ламп, она преобразуется в поток электронов (благодаря фотоэлектрическому эффекту, описанному в главе 3), вследствие усиления которого возникает электрический импульс, достаточно мощный для того, чтобы его можно было измерить с помощью электроники. Фотоэлектронные умножители должны были стать глазами эксперимента[205]. Как вы можете видеть, здесь требовались знания не только физики, но также химии и электроники.

Команда попыталась разработать полностью электронный метод измерения. Больше не было необходимости анализировать миллионы фотографий, как в облачной или пузырьковой камере. Если нейтрино действительно провзаимодействуют в жидком сцинтилляторе, трубки уловят определенную последовательность вспышек и отобразят их в виде вспышек на осциллографе[206]. Время между импульсами подтвердило бы присутствие нейтрино.

Недостаток электронных измерений заключался в том, что сами ученые были несколько отстранены от происходящего в эксперименте. Сложно интуитивно понять данные, когда все, на что нужно смотреть, – это несколько вспышек. Любая вспышка гамма-излучения в детекторе с последующей случайной вспышкой через пять микросекунд может обмануть физиков, заставив их думать, что они видели нейтрино. Надо было убедиться, что этого не произойдет, но был только один способ сделать это: удалить все другие возможные источники радиации из окружающей среды. Теперь началась по-настоящему тяжелая работа.

Рабочее место Райнеса и Коуэна представляло собой похожее на склад здание, изолированное и неотапливаемое. Постоянно прибывали грузовики с деталями для эксперимента, а коробки забивали помещение так, что чуть ли не вдвое превышали рост физиков. Команда потратила месяцы на тестирование различных смесей сцинтиллятора и измерение отклика фотоэлектронного умножителя, чтобы убедиться, что электроника исправна. Зимой отсутствие отопления тоже оказалось некстати, так как температура жидкости для сцинтиллятора должна поддерживаться выше 16 градусов по Цельсию, чтобы жидкость не мутнела и не портила эксперимент. Команда установила электрические обогреватели, чтобы поддерживать необходимую температуру своих реагентов, но обеспечить тепло для себя им не позволяли счета за электричество.

Первая версия детектора собралась в прототип, получивший название «Эль Монстро». Когда все, казалось, работало, команда построила второй детектор, который назвала «Герр Ауге», или «Мистер Глаз». Это были уже далеко не литровые детекторы: теперь объем емкости составлял 300 литров, и ее окружали 90 фотоэлектронных умножителей.

Затем команда приступила к титанической задаче устранения источников излучения, которые производили случайные гамма-лучи в детекторе. Некоторые источники были очевидны и предсказуемы: нейтроны, исходящие из ядерного реактора, можно было блокировать толстым слоем парафина. На эту защиту не было потрачено практически ничего: команда изготовила парафиновые блоки самостоятельно, расчистив снег снаружи здания и отливая каждый блок вручную, чтобы затем отправить его к реактору.

Другие источники радиации удалить было труднее, поскольку «Герр Ауге» улавливал излучение, которого не улавливали счетчики Гейгера и другие приборы. «Герр Ауге» оказался лучшим детектором гамма-лучей, который когда-либо существовал. Он был настолько чувствителен, что ученые даже решили спустить в него нескольких членов команды, чтобы посмотреть, обнаруживает ли детектор излучение от человеческого тела. В результате была обнаружена легко детектируемая скорость счета, обусловленная содержанием небольшого количества радиоактивного калия-40 в организме их секретаря и коллег[207]. Такая чувствительность была команде на руку: они поняли, что детектор может помочь в построении самого себя.

Перед постройкой каждой новой детали они помещали ее в «Герр Ауге» для измерения уровня радиоактивности. Латунь и алюминий оказались радиоактивнее железа и стали. Даже калий в стекле фотоэлектронного умножителя вносил свой вклад в фоновый шум. В физической структуре детектора были обнаружены некоторые радиоактивные компоненты, которые пришлось разобрать и заменить. В каждом случае команда кропотливо заменяла любой материал, производящий фоновый шум. Это может показаться крайним уровнем совершенства, но ученым нужно было быть уверенными в источнике буквально каждой вспышки фотона в их детекторе, и, как оказалось, таких источников было много.

После нескольких месяцев работы все было готово. Детектор перевезли и установили рядом с ядерным реактором в Хэнфорде, штат Вашингтон. Затем физики стали ждать. Они знали, что не будет никакого «Ага!» – только постепенное накопление отдельных событий, которые они проанализируют, когда соберут достаточно данных. В течение нескольких месяцев члены команды сменяли друг друга, ожидая и наблюдая, пока их система бесшумно работала в своем сильно экранированном корпусе.

Когда команда перегруппировалась и проанализировала данные, были замечены какие-то вспышки света, соответствующие нейтрино. Соблазнительные результаты, но еще не убедительные. В данных все еще было слишком много шума, чтобы можно было объявить об открытии. Шум исходил не от искусственного излучения или материалов детектора, а от космических лучей. Столько работы проделано по снижению излучения, но оставалось устранить последний источник… Был только один возможный способ защитить свой эксперимент от излучения, поступающего из космоса: надо перенести его под землю.

К счастью, в Саванна-Ривер, ядерном могильнике в Южной Каролине, нашлось свободное место в подвале, и владелец разрешил физикам провести свой эксперимент на глубине 12 метров. К Райнесу и Коуэну присоединились еще несколько коллег из Лос-Аламоса, и все вместе они взялись перестраивать весь детектор.

К концу 1955 года проект «Полтергейст» был официально известен как «Нейтринный эксперимент в Саванна-Ривер». Установка превратилась в трехслойный сверкающий сэндвич с прямоугольными резервуарами, весящими колоссальные 10 тонн. Детектор находился под реактором, окутанный слоями экранирования, в то время как электронные кабели передавали сигналы на трейлер снаружи.

Райнес и Коуэн оставались в Саванна-Ривер около пяти месяцев. Как только химия и электроника были готовы, все свелось просто к тщательному сбору данных, вспышка за вспышкой. Каждый раз, когда хотя бы раз или два раза в час случился «блип-буп» двух вспышек с интервалом в пять микросекунд, ученых переполняла надежда, которая так и шептала: «Нейтрино…»

Ученые были полны решимости убедиться, что им не показалось. Ничто не было оставлено на волю случая. Они протестировали детектор с помощью источника позитронов, чтобы убедиться, что свет, испускаемый позитроном, дает тот самый «блип» на экране, а затем проверяли источник нейтронов, чтобы убедиться, что он дает ожидаемый «буп». Они полностью откачали сцинтилляционную жидкость, повторно откалибровали смесь, чтобы изменить время второй световой вспышки, и это дало желаемый эффект. За все это время они записали данные за 900 часов, когда реактор был включен, и 250 часов, когда он был выключен.

В конечном итоге, чтобы быть полностью уверенными, что они не просто видят фоновые нейтроны от реактора, они привезли грузовики мешков с песком с местной лесопилки и пропитали мешки водой. Один за одним сотрудники притащили их к установке и соорудили вокруг детектора стены толщиной в 1,2 метра. Это обеспечило достаточную дополнительную защиту, чтобы блокировать любые нейтроны реактора. И вот снова эти две заветные вспышки, те самые «блип-буп». Нейтринный сигнал сохранялся.

Момент эврики наступил не в спешке, а в постепенном накоплении данных до тех пор, пока не осталось никаких сомнений. Когда все было суммировано, нейтринных сигналов оказалось в пять раз больше при включенном реакторе по сравнению с тем, когда он был выключен. Команде удалось, несмотря ни на что, разработать систему, которая из 100 триллионов (10¹⁴) нейтрино, испускаемых реактором каждую секунду, могла улавливать несколько нейтрино каждый час и измерять их взаимодействие. 25 лет спустя после того, как Паули предсказал существование частицы, которую невозможно обнаружить, Райнес, Коуэн и их команда достигли невозможного.

«Мы рады сообщить вам, что мы определенно обнаружили нейтрино», – написали они в телеграмме к Паули, который тогда прервал совещание в ЦЕРН, на котором он присутствовал, прочитал телеграмму вслух и выступил с импровизированной мини-лекцией. Согласно легенде, позже Паули выпил со своими друзьями целый ящик шампанского, что может объяснить, почему его ответная телеграмма так и не дошла до Райнеса и Коуэна. Телеграмма гласила: «Все приходит вовремя к тому, кто умеет ждать».

Неуловимое нейтрино наконец-то было найдено, а закон сохранения импульса соблюдался даже в самом малом масштабе, объясняя процесс радиоактивного бета-распада. Нейтрино было не просто плодом теоретического воображения, а реальным и осязаемым: неуловимой, нейтральной, легкой частицей, способной беспрепятственно путешествовать в самые глубокие уголки Вселенной. Открытие нейтрино привело к совершенно новым областям исследований.

После первого обнаружения возникало все больше и больше вопросов о нейтрино. Каковы их свойства? Существует только один тип нейтрино или несколько? Они стабильны или имеют ограниченный срок жизни? В ходе каких процессов во Вселенной они появляются? Как и многие эксперименты, которые мы видели, проект «Полтергейст» породил лавину новых вопросов, и со временем на большинство – но не на все – из них были даны ответы. Неуловимое нейтрино оказалось куда важнее, чем считалось ранее. Оно не просто помогло нам понять радиоактивный распад, оно подарило нам новый взгляд на Солнце, сверхновые и происхождение материи.

Растущее значение и богатство этой области исследований можно увидеть по признанию Нобелевского комитета. В области физики нейтрино были присуждены три Нобелевские премии – и все намного позже первоначального эксперимента. Первая премия досталась в 1995 году Райнесу спустя десятилетия после их открытия (Коуэн, к сожалению, скончался тринадцатью годами ранее), вторая – Рэю Дэвису и Масатоси Косибе в 2002 году, а третья – Такааки Кадзите и Артуру Макдональду в 2015 году.

Первоначальный поиск нейтрино был мотивирован загадкой бета-распада, и предположение Паули о нейтрино появилось в 1933 году, всего через год после открытия Чедвиком нейтрона. Теперь мы можем объединить эти идеи, чтобы лучше понять, что происходит в атомном ядре во время бета-распада: нейтрон превращается в протон, изменяя тип элемента и высвобождая электрон (чтобы сбалансировать электрический заряд) и нейтрино[208]. Нейтрино уносит часть энергии в ходе этой реакции, разделяя общую доступную энергию с электроном, именно поэтому энергия электронов была непредсказуемой. Ни электрон, ни нейтрино не существуют до распада. Кусочки головоломки начали складываться воедино. Но тут же второй эксперимент снова сбил физиков с толку…

Когда нейтрино было впервые обнаружено в середине 1950-х годов, физики только начинали понимать, что Солнце – это ядерная печь, вырабатывающая свою энергию посредством цепочек термоядерных реакций, называемых протон-протонным циклом или рр-циклом, в несколько этапов превращающим протоны в гелий[209]. Если теории о Солнце верны, огромное количество нейтрино должно вылетать прямо из Солнца почти со скоростью света, достигая Земли где-то через восемь минут[210].

У радиохимика из Брукхейвена Рэя Дэвиса была фора еще за год до первого нейтринного эксперимента Райнеса и Коуэна. Дэвис не искал вспышки света. Он проверял идею, выдвинутую другим теоретиком, Бруно Понтекорво, который предсказал, что нейтрино, взаимодействуя с атомом хлора, приведет к образованию радиоактивного атома аргона. Дэвис специализировался в области радиохимии: если кому и суждено было найти пару отдельных радиоактивных атомов аргона, так это ему.

Эксперимент Дэвиса по обнаружению нейтрино основывался на использовании огромных емкостей с жидкостью для химчистки – дешевой и легкодоступной, содержащей хлор. Он начал с 3800 литров и постепенно повышал емкость. Несмотря на свое преимущество, Дэвис упустил возможность первым обнаружить нейтрино, потому что ядерные реакторы – и бета – распад – на самом деле производят эквивалент частицы из антивещества, антинейтрино, которое и обнаружили Коуэн и Райнес[211]. Эксперимент Дэвиса, однако, был способен улавливать только «обычный» вид нейтрино. Хотя Коуэн и Райнес опередили его, со временем Дэвис переключил свое внимание на обнаружение нейтрино не от реакторов, а от Солнца. Это решение оказалось ключевым: физика нейтрино перестала рассматриваться как любопытный побочный эффект бета-распада и стала полноправной областью исследований физики элементарных частиц.

Дэвис сотрудничал с молодым физиком-теоретиком Джоном Бакалом, который провел сложные расчеты, чтобы предсказать скорость образования солнечных нейтрино. К 1964 году они опубликовали статьи со своими планами. Они были уверены, что смогут улавливать солнечные нейтрино, возможно, по 10 или 20 штук в неделю, но для этого потребуется эксперимент в 100 раз больший, чем их и без того огромная версия, – перспектива настолько амбициозная, что она попала в журнал Time еще до того, как была профинансирована.

В 1965 году в глубине шахты Хоумстейк в Южной Дакоте была вырыта огромная пещера. В ней команда Дэвиса и Бакала соорудила резервуар объемом 380 тысяч литров и наполнила его жидкостью для химчистки, привезенной на 10 железнодорожных вагонах. Благодаря невероятной настойчивости и тщательно проделанной химической работе этот титанический труд окупился. Собрав несколько десятков радиоактивных атомов аргона, Дэвис смог доказать существование солнечных нейтрино. Проблема заключалась в том, что он нашел только примерно треть от того числа нейтрино, которое предсказал Бакал. Они проверили расчеты, но не нашли никаких ошибок. Дэвис вернулся к работе и продолжал собирать данные еще почти 20 лет. Все это время загадка оставалась неразрешенной: наблюдалось странная нехватка солнечных нейтрино.

Проблема солнечных нейтрино поставила вопрос: были ли расчеты неверными? Неужели физики неправильно поняли, как Солнце вырабатывает энергию? Или же тут что-то не так с нейтрино? Неужели Солнце перестало вырабатывать энергию, и мы, напрямую зависящие от нее, в опасности? В конце концов на первый план вышла теория о том, что нейтрино превращались во что-то другое или исчезали между Солнцем и Землей. Идея, что нейтрино ведут себя таким довольно странным образом, была предложена Понтекорво еще в 1957 году[212], но долгое время не воспринималась всерьез. Именно этот вопрос побудил Арта Макдональда и около 100 других сотрудников построить Нейтринную обсерваторию в Садбери (SNO – Sudbury Neutrino Observatory).

Макдональд, родом из Новой Шотландии в Канаде, рано заинтересовался математикой и физикой, а затем получил докторскую степень по ядерной физике в Калтехе в 1969 году. Он оставил профессорскую должность в Принстоне, чтобы вернуться в Канаду в 1989 году и руководить SNO. Под его руководством SNO был построен на глубине более чем в 2 км под землей в никелевой шахте в Онтарио. Этот грандиозный эксперимент под управлением 100 коллег Макдональда проводился с 1999 по 2006 год. Такааки Кадзита провел аналогичный эксперимент под названием «Супер-Камиоканде» в цинковой шахте в Японии. Эти два опыта приведут к получению общей Нобелевской премии по физике в 2015 году.

SNO – это, по сути, огромное подземное стерильное помещение. К счастью, вы можете посетить его виртуально[213], избавив себя от неудобств реального посетителя или ученого, который должен принять душ, переодеться, а затем пройти через воздушный душ, чтобы грязь из шахты не попала в чувствительное оборудование. Внутри все кажется довольно аскетичным: просто голые останки шахты, превращенной в лабораторию. Диспетчерская состоит из пяти компьютерных мониторов на нескольких столах, расположенных рядом с несколькими стеллажами, забитыми оборудованием. Кабельные лотки и трубы уходят высоко вверх по стене. Если бы не порода, можно было бы забыть, что эксперимент проводится на глубине почти в 2000 метров под землей. Табличка на стене напоминает ученым: «Безопасность и качество. Всегда». Посетители могут виртуально пройти из диспетчерской по коридору и через помещение, полное оборудования. Затем они попадают к самому детектору.

Практически подвешенные внутри пустого детектора, вы чувствуете себя так, словно попали в вывернутый наизнанку зеркальный шар. Со всех сторон вас окружают 9600 фотоэлектронных умножителей золотистого цвета. Даже через экран компьютера калейдоскопическая красота гигантской – диаметром 12 метров – геодезической сферы захватывает дух. Мужчина, одетый в синий комбинезон и оранжевую каску и стоящий напротив, кажется почти карликом на фоне установки. Виртуальная экскурсия проводилась, когда детектор был пуст, но обычно все эти золотые детекторы должны были играть роль глаз, вглядывающихся в тысячи тонн тяжелой воды, позаимствованной у канадского парка ядерных реакторов, стоимостью в баснословные 300 млн канадских долларов.

Самая дикая идея оказалась правильной. Существует три типа нейтрино, и все они объясняются нейтринными осцилляциями: то есть нейтрино, рожденное как, скажем, электронное нейтрино, колеблется между своим исходным состоянием и двумя другими типами – мюонными нейтрино и тау-нейтрино. Эксперимент Дэвиса был чувствителен только к электронным нейтрино, поэтому солнечные нейтрино других типов оставались незамеченными, объясняя нехватку двух третей предсказанного количества. Первое доказательство этой идеи пришло от японского детектора Кадзиты «Супер-Камиоканде»[214] в 1998 году, состоящего из 50 000 тонн сверхчистой воды в резервуаре на глубине 1000 метров под землей, где 13 000 фотоэлектронных умножителей отслеживали вспышки света, возникающие непосредственно в результате взаимодействия нейтрино. Результаты Кадзиты подтвердили идею о том, что атмосферные нейтрино, создаваемые космическими лучами, в полете переходят из одного типа в другой. Это все еще не совсем решило проблему солнечных нейтрино, поскольку ученые не рассматривали нейтрино, исходящие от Солнца. Наконец, 18 июня 2001 года Арт Макдональд и команда SNO объявили, что их красивый детектор золотистого цвета продемонстрировал наличие нейтринных осцилляций, разгадав тайну пропавших солнечных нейтрино, которые Рэй Дэвис наблюдал почти пятьдесят лет назад.

После церемонии вручения Нобелевской премии в Стокгольме в 2015 году Макдональд посетил многие институты, которые сделали эту победу возможной. Среди них был Оксфорд, где он праздновал вместе со своими многочисленными коллегами в отделанной деревянными панелями столовой Мэнсфилд-колледжа. Хотя я не занимаюсь физикой нейтрино, мне посчастливилось присутствовать на этом мероприятии. Между основным блюдом и десертом Макдональд взял слово. «Никто не сталкивается с нейтрино в повседневной жизни, – сказал он. – Может быть, однажды нейтрино изменит один из ваших атомов, и вы даже не узнаете об этом». Теперь мы знаем, что нейтрино – это самая распространенная частица во Вселенной, которая нам известна. Десятки миллиардов из них проходят через вас каждую секунду, но их очень-очень трудно обнаружить. SNO – это невероятный пример того, на что физики элементарных частиц готовы пойти, чтобы понять такие неуловимые частицы, как нейтрино.

Благодаря экспериментам Макдональда и Кадзиты мы теперь знаем, что нейтрино могут менять тип с течением времени и расстояния. Все это кажется очень странным. Возможно, лучшая аналогия, которая описывает это явление, была предложена Эмили Коновер из Чикагского университета[215], которая сравнивала нейтрино с Золушкой, отправляющейся на бал в своей карете. Она начинает свой путь в чем-то, что определенно похоже на карету, но чем ближе она к дворцу, тем выше вероятность, что ее карета превратится в тыкву. В терминах квантовой механики мы можем сказать, что карета одновременно является и тыквой, и каретой, и все зависит от того, на каком участке траектории вы ее наблюдаете. Если бы Золушка путешествовала на электронном нейтрино, есть шанс, что к тому времени, когда она доберется до бала (или детектора), она окажется на мюонном или тау-нейтрино.

Эти осцилляции требует – с математической точки зрения, – чтобы у нейтрино была небольшая масса, но мы все еще не знаем, какое нейтрино самое тяжелое, и точно не знаем, какова масса каждого из них. У других частиц не наблюдаются осцилляции; по-видимому, это свойство характерно только нейтрино. Все, что мы знаем, – это то, что если сложить все три массы вместе, сумма будет все равно в миллион раз легче электрона. Мы не знаем, почему нейтрино такие легкие.

Нейтрино не участвуют в сильном или электромагнитном взаимодействии – только в слабом и гравитационном. С точки зрения нейтрино вещества вообще почти не существует, это всего лишь несколько электронов, вращающихся в пространстве. Из-за этого их очень трудно обнаружить, однако это также делает их ключевым инструментом для исследования слабого взаимодействия без помех со стороны электромагнитного и сильного взаимодействия. Со временем это понимание привело к созданию пучков нейтрино, приводимых в движение ускорителями частиц (пучки протонов создают пионы, которые затем распадаются на мюоны и нейтрино), и Нобелевской премии 1988 года Леона Ледермана, Джека Стейнбергера и Мелвина Шварца, которые первыми установили различия между электронными и мюонными нейтрино (третий тип, тау-нейтрино, был обнаружен в эксперименте 2000 года в Фермилабе).

Сегодня мы также знаем о других необычных свойствах нейтрино, которые, по-видимому, отличают их от всех других частиц. Например, большинство частиц могут быть «левыми» или «правыми», но все нейтрино – левые, а все антинейтрино – правые. Хиральность частиц означает направление их вращения и то, как оно соотносится с направлением движения частицы. Сожмите руки в кулаки: даже если вы направите большие пальцы в одном направлении (направлении движения), то пальцы левой и правой рук будут изогнуты в противоположных направлениях – это сродни хиральности частицы.

Мы так и не выяснили, почему нейтрино не могут быть как левыми, так и правыми. Что мы знаем точно, так это то, что во Вселенной существует множество источников нейтрино. В 1987 году в результате многочисленных экспериментов были обнаружены нейтринные всплески сверхновой, что дало начало новой области нейтринной астрономии. В звезде фотоны света постоянно взаимодействуют, поглощаясь и переизлучаясь атомами. Фотонам может потребоваться 100 тысяч лет, чтобы добраться от ядра звезды до поверхности. Однако нейтрино беспрепятственно улетают в космос, позволяя нам заглянуть в сердце Солнца и сверхновых звезд, чего не могут другие частицы. За пределами нашей галактики в космосе создаются чрезвычайно высокоэнергетические частицы, и весьма вероятно, что нейтрино однажды станут посланниками, которые научат нас, как работают эти космические ускорители частиц. Возможно, мы даже сможем скопировать этот механизм в лабораториях на Земле.

Нейтрино образуются и гораздо ближе к нам. Бета-распад происходит также в недрах Земли, производя антинейтрино[216]. Детектор Борексино – эксперимент, предназначенный для поиска таких геонейтрино (наряду с солнечными нейтрино), – расположен в лаборатории в глубине горного массива в Гран-Сассо, Италия. Общими усилиями 100 физиков из Италии, Соединенных Штатов, Германии, России и Польши пытаются выяснить, какая часть тепла Земли приходится на радиогенное тепло, которое выделяется в недрах планеты в результате радиоактивного распада в основном таких элементов, как калий-40, торий-232 и уран-238. Найти ответ на этот вопрос невероятно важно для геологов, поскольку тепло управляет почти всеми динамическими процессами на Земле, от вулканов до землетрясений, и эти эксперименты дали толчок совершенно новой области исследований – нейтринной геофизике.

Помимо интересных новых областей науки и увлекательных вопросов, в настоящее время мы не имеем прямого применения нейтрино в нашей повседневной жизни. Когда я намеревалась писать о проекте «Полтергейст» и его последователях, я знала, что на этом этапе мне придется это признать. Но все же нейтрино настолько важны для общей истории физики элементарных частиц, что не написать о них было бы непростительно.

Нейтрино – классический пример исследований, движимых любопытством, которые, по-видимому, не имеют никакого практического применения. По сравнению с быстрым электроном, который взаимодействует с веществом посредством электромагнитной силы, или нейтроном, который взаимодействует с атомными ядрами посредством сильного ядерного взаимодействия, беззарядное и почти безмассовое нейтрино похоже на едва заметное облачко частицы, которая почти ни с чем не вступает в контакт. Тем не менее, оглядываясь на уже знакомые нам эксперименты, мы понимаем, что не всегда очевидно, какое применение найдет то или иное открытие.

Многие открытия, которые мы уже видели, были преждевременными по сравнению с технологиями того времени: поначалу синхротронное излучение не казалось полезным, как и электрон. Фотоэлектрический эффект использовался лишь отчасти на протяжении десятилетий. Ускорители частиц изобретались не для получения медицинских изотопов или лечения рака. Никто не ждал этих открытий с нетерпением, кроме физиков, которые их совершали, и даже тогда открытия не всегда были преднамеренными. Хотя вполне вероятно, что нейтрино никогда не будут столь же непосредственно полезны, как электроны, знания, которые мы почерпнули из них, важны, и – что кажется невероятным – в разработке есть несколько возможных применений.

На шахте Боулби на севере Англии Британия совместно с Соединенными Штатами в настоящее время проводит новый эксперимент под названием WATCHMAN (от англ. WATer CHerenkov Monitor of ANtineutrinos – Черенковский водный детектор антинейтрино)[217]. Проект будет использовать детектор нейтрино для дистанционного мониторинга ядерных реакторов путем обнаружения создаваемого этими реакторами потока нейтрино. Этот проект мог бы внести уникальный вклад в мировую безопасность, предоставив надежный способ проверить, соблюдаются ли договоры о нераспространении ядерного оружия. Поскольку нейтрино трудно остановить, скрыть действующий ядерный реактор от такого детектора не получится.

Нейтрино также могут косвенно помочь нам перейти от использования ископаемого топлива и ядерных реакторов деления к управляемому термоядерному синтезу, чтобы в будущем иметь обильный, безопасный и низкоуглеродный источник электричества. Термоядерные реакторы воссоздают ядерные реакции, подобные тем, которые происходят на Солнце, но не способные «выйти из-под контроля», однако для запуска подобных технологий мы должны быть абсолютно уверены в нашем понимании ядерной физики. Отчасти это понимание пришло из экспериментов с солнечными нейтрино Рэя Дэвиса, «Супер-Камиоканде» и SNO, которые доказали, что наша модель образования нейтрино на Солнце верна.

В будущем, возможно, найдутся прямые применения нейтрино и тем знаниям о них, которыми мы располагаем. Благодаря своей способности беспрепятственно преодолевать огромные космические расстояния почти со скоростью света, нейтрино могут даже однажды стать своего рода системой космической связи. Если на одной из тысяч открытых нами экзопланет существуют какие-то развитые цивилизации, то, вполне вероятно, они общаются друг с другом посредством нейтрино. Это больше похоже на научную фантастику, но в 2012 году нейтринный эксперимент под названием MINERvA (от англ. Main Injector Neutrino ExpeRiment to study v-A interactions – Эксперимент с нейтрино от главного инжектора для изучения v-A взаимодействий) в Фермилабе пытался это реализовать. С помощью протонного ускорителя двоичным кодом был закодирован пучок нейтрино, затем его отправили через полмили породы на детектор и успешно расшифровали[218]. Подобная технология может быть полезна и на Земле – например, для подводных лодок, сообщающихся через воду, которая искажает радиоволны. С помощью нейтрино можно общаться не только через воду, но и напрямую через центр Земли.

Справедливо будет сказать, что мы еще не готовы использовать нейтрино и, возможно, никогда не будем готовы. Мы не можем предсказать будущее, но что мы можем сказать о нейтрино, так это то, что результат нашего стремления их понять внес косвенный, но глубокий вклад в нашу жизнь. Мы уже видели, что SNO располагалась в глубокой подземной лаборатории в Канаде, которая теперь переименована в SNOLAB. И глубоко под землей – не просто метафора. Находясь на глубине 2100 метров, лаборатория расположена в 20 раз глубже, чем Большой адронный коллайдер, о котором мы поговорим позже. Давление воздуха увеличивается на 20 % по мере того, как вы совершаете шестиминутный спуск в лифте. Найджел Смит, исполнительный директор SNOLAB до 2021 года, сравнивает это путешествие со спуском в самолете, но только в окружении скал.

В подземной лаборатории работают не только физики, изучающие элементарные частицы. Само ее создание открыло возможности многим другим областям науки. Столь глубокое расположение под Землей предоставляет уникальную среду, потому что лаборатория имеет невероятно низкий уровень фонового излучения от космических лучей. Стабильный, чистый подземный объект с таким низким уровнем радиации позволил осуществить широкую исследовательскую программу, направленную на изучение воздействия низких уровней радиации на клетки и организмы. Ни одно наземное животное никогда не жило – или, если уж на то пошло, не эволюционировало – без воздействия фонового излучения космических лучей, а потому эти эксперименты помогают биологам понять, что будет, если это излучение убрать. Это исследование крайне важно, потому что может дать ответ на вопрос о том, всегда ли радиация вредна для клеток и организмов, всегда ли она наносит ущерб или существует какой-то пороговый уровень радиации, который безвреден или, возможно, даже полезен для жизни.

Это могло бы рассказать нам больше о том, влияют ли на эволюцию случайные мутации, вызванные радиацией. Пока результаты, по-видимому, указывают на то, что низкий уровень радиации действительно нужен[219]. Если дальнейшие эксперименты подтвердят эти данные, это будет иметь огромные последствия не только для людей и нашего взаимодействия с радиацией, но и для нашего понимания существования жизни в других частях космоса. Без глубоких подземных лабораторий мы просто не смогли бы провести такое исследование.

SNOLAB также является одним из лучших мест на (или в?) Земле для проведения экспериментов на квантовых компьютерах. Появляются доказательства того, что время декогеренции, то есть время, которое квантовый «бит» может хранить информацию до того, как ее потеряет, может быть ограничено естественным фоновым излучением на поверхности Земли. Возможно, в будущем потребуется запускать квантовые компьютеры под землей. На данный момент, по крайней мере, эти лаборатории предоставляют возможность проводить такие опытно-конструкторские работы.

Нейтрино называли призраком, вестником, космическим кораблем, сгустком пустоты. Начало его жизни было попыткой спасти основной закон физики, и со временем оно привело к огромным достижениям в астрономии, космологии, геологии и нашем самом фундаментальном понимании материи.

Теперь нейтрино – часть Стандартной модели физики элементарных частиц, но некоторые из их свойств – «левосторонность», наличие массы, изменение типа – показали нам, что должна существовать физика, выходящая за рамки Стандартной модели, которая, конечно же, вызывает бесчисленные вопросы. Почему у нейтрино есть масса? Являются ли нейтрино своей собственной античастицей? Одинаковы ли осцилляции нейтрино и антинейтрино, и если нет, то может ли это объяснить, почему мы видим во Вселенной больше вещества, чем антивещества? Оказывается, что нейтрино, каким бы крошечным оно ни было, во Вселенной в миллиард раз больше, чем материи, из которой состоят звезды, галактики и мы сами. Это повело экспериментаторов и теоретиков ко все большим высотам – или, скорее, глубинам, – чтобы разгадать его секреты. По иронии судьбы, доказав работоспособность одного основного закона, нейтрино теперь – один из богатейших источников пробелов в наших знаниях физики. Что еще раз подтверждает, сколь много нам предстоит узнать о Вселенной, частицах и силах.

Глава 10

Линейные ускорители: открытие кварков

Вдоль южного побережья Британии в море смотрит ряд гигантских бетонных тарелок, самая большая из которых представляет собой 60-метровую изогнутую стену. Издалека они выглядят как спутниковое или радиооборудование, но время этих технологий тогда еще не пришло. Построенные между 1915 и 1930 годами, эти тщательно продуманные сооружения представляют собой звуковые зеркала, обеспечивающие систему раннего предупреждения о приближении вражеских самолетов к берегу. Идея по своей сути оригинальная: использовать большие параболические тарелки для отражения звуковых волн в фокальную точку, где оператор прислушивается к шуму пропеллера самолета. Однако устройство оказалось довольно неэффективным, и вскоре на смену ему пришла новая техника.

К концу 1920-х годов радиопередатчики и приемники начали широко использоваться, а в 1935 году британский физик Роберт Уотсон-Уотт изобрел систему, которая могла отражать коротковолновые радиосигналы[220] от удаленных движущихся объектов, например кораблей или самолетов, и обнаруживать отраженные волны с помощью антенны, чтобы затем точно определить местоположение объекта. Физик назвал систему «Радиообнаружение и определение дальности», или радар (акроним от английского radio detection and ranging). К 1939 году, когда разразилась Вторая мировая война, вдоль южного и восточного побережий Британии была установлена вереница радиолокационных станций.

Радар значительно превосходил звуковые зеркала, но для полного раскрытия своего потенциала система нуждалась в трех ключевых улучшениях. Во-первых, радар должен работать на еще более короткой длине волны, чтобы иметь возможность обнаруживать небольшие объекты, такие как немецкие подводные лодки, которые регулярно атаковали и топили корабли. В принципе их можно было бы обнаружить высокочастотным радаром, если бы они всплыли. Во-вторых, система также нуждалась в гораздо более мощных радиопередатчиках, чем те, которые были доступны в то время, для покрытия более отдаленных областей. И в-третьих, требовалась радиолокационная система, которую можно было бы установить на истребителях, то есть намного меньше и легче существующих систем. Стремление улучшить радар во время войны привело к огромным достижениям в развитии технологий, от телекоммуникаций до лечения рака. В то же время физики усовершенствовали эти достижения в области радиолокационных технологий, чтобы совершить одно из самых непростых открытий в истории – обнаружить кварки.

На калифорнийском побережье выпускник факультета физики Стэнфордского университета Рассел Вариан и его младший брат, пилот Сигурд Вариан, жили в социал-теософском обществе под названием «Халцион», где работали над собственными идеями в области радиолокационной технологии. Они пытались создать лабораторию в обществе, но работать в изоляции было довольно трудно. В 1937 году братья решили, что им стоит более тесно сотрудничать с Биллом Хансеном, с которым Рассел делил комнату в аспирантуре. Хансен отлично разбирался в радиоволнах. Вместе они заключили сделку с университетом, согласно которой молодые ученые не будут получать никакой зарплаты, но им будет выделяться бюджет в 100 долларов, а сам университет получит половину прибыли от всего, что будет запатентовано в ходе данного предприятия.

Хансен вырос в Калифорнии и с самого раннего возраста интересовался механическими и электрическими игрушками. Выдающийся ученик, особенно в математике, он окончил среднюю школу в четырнадцать лет и два года спустя поступил в Стэнфорд, где сначала изучал инженерное дело, а затем – экспериментальную физику. В аспирантуре Хансен работал над атомной физикой, где и познакомился с коллегой-аспирантом Расселом Варианом. Самого Рассела часто недооценивали из-за его дислексии. К этому времени интерес Хансена заключался не только в генерации радиоволн: он хотел создать ускоритель частиц для электронов.

Хансену пришла в голову идея сконструировать металлическую полость нужных размеров таким образом, чтобы внутри нее могли резонировать электромагнитные волны. Тогда он мог бы послать пучок электронов и использовать электромагнитные волны, колеблющиеся внутри, для ускорения луча. Он назвал свое устройство румбатроном из-за того, как отражались волны. Однако Хансен столкнулся с той же проблемой, что и первооткрыватели радара: ему нужен был источник радиочастотной энергии с длиной волны короче, чем у любого существующего источника.

Хансену и братьям Вариан потребовалось 12 месяцев, чтобы изобрести устройство под названием клистрон. Внутри цилиндрического устройства размером с консервную банку радиосигнал малой мощности подавался на электронный луч, который проходил через ряд полостей, как и предполагал Хансен. Устройство не ускоряло электроны – вместо этого благодаря комбинации резонатора и проходящих электронов создавался резонанс и испускались электромагнитные волны. Результатом было то, что небольшой входной сигнал усиливался энергией электронного пучка, создавая мощные микроволны в диапазоне частот ГГц. Слово «микроволна» не означает, что длина волны крошечная: на самом деле длина волны составляет около 10 см, что примерно в 200 тысяч раз больше, чем видимый свет, который могут воспринимать наши глаза. Это название было принято потому, что производимые волны были короче привычных радиоволн. Эта коротковолновость означала, что клистрон сам по себе маленький и легкий: он весил всего несколько килограммов.

Клистрон еще не был достаточно мощным, чтобы его можно было использовать для радиолокации, но все же это был огромный шаг вперед – первое устройство, работающее в микроволновом диапазоне, к тому же эффективно и стабильно[221]. По крайней мере, Хансену и братьям Вариан казалось, что это первое устройство такого рода, поскольку они не знали о схожем изобретении в Великобритании.

12 сентября 1940 года сверхсекретная делегация из шести человек, в том числе Джон Кокрофт, прибыла в Вашингтон с тем, что американские историки назвали «самым ценным грузом, когда-либо доставленным к нашим берегам»[222]. Они несли жестяной сундук, в котором находилось небольшое медное устройство, а также ряд документов, описывающих ряд других британских изобретений. Соединенные Штаты на тот момент все еще были нейтральной территорией, и план[223] состоял в том, что Великобритания просто передаст эти секреты в обмен на ресурсы для разработки и производства.

Медное устройство внутри сундука было изготовлено физиками Джоном Рэндаллом и Гарри Бутом в Бирмингемском университете в 1939 году. Их изобретение[224], резонансный магнетрон, представляет собой цилиндрический медный блок с большим центральным отверстием, окруженным другими, более маленькими отверстиями, как лепестками цветка. Электроны циркулируют внутри центрального отверстия устройства под воздействием магнита, и когда они проходят мимо «лепестков» или резонаторов, то создают резонанс, который производит электромагнитные волны. Чем меньше устройство, тем более высокочастотные волны оно создает: это устройство работало на частоте 3 ГГц, что очень похоже на частоту клистрона.

И магнетрон, и клистрон могли генерировать высокочастотные импульсы с гораздо меньшей длиной волны, чем существующие радиолокационные системы, что позволило бы радару обнаруживать объекты меньшего размера и использовать более маленькие антенны. Оба устройства были компактными и легкими. Что отличало магнетрон от других, так это то, что он мог генерировать импульсы беспрецедентной мощности и мог использоваться для определения местоположения самолетов на расстоянии многих километров.

Британцы признали перспективность резонансного магнетрона, поэтому держали устройство в секрете, но им не хватало мощностей для разработки технологии в больших масштабах. Связи с усилением немецких бомбардировок было решено поделиться сверхсекретной технологией с США в обмен на помощь. США поначалу неохотно вступили в переговоры, но в конечном итоге поделились собственными разработками прототипов радаров, которые, по их признанию, зашли в тупик. Им требовалось большая мощность передатчика. Когда Джон Кокрофт и его коллеги раскрыли тайну резонансного магнетрона, решение было найдено: его выходная мощность в тысячу раз превышала мощность клистрона. В результате правительство США профинансировало тайное создание Радиационной лаборатории[225] физиками из Массачусетского технологического института, где были собраны воедино множество теорий и компонентов, необходимых для работы высокочастотного радара, – и все это с использованием магнетронной технологии. В то время единственными людьми, имевшими опыт в области высокочастотных технологий, были физики ускорителей, и вскоре они принялись за работу, доводя магнетроны до все большей и большей выходной мощности. Билл Хансен регулярно посещал Массачусетский технологический институт для обучения физиков. На пике развития Радиационной лаборатории в ней работало 4000 человек, и именно там была разработана половина всех радиолокационных систем, использовавшихся во время войны.

Компании начали производить магнетроны в больших масштабах, и Массачусетский технологический институт выбрал местную электронную компанию Raytheon для помощи в разработке. Вскоре такие крупные игроки, как General Electric и Westinghouse, тоже начали производить магнетроны, наряду с более мелкими компаниями вроде Litton Industries, занимавшейся производством вакуумных ламп где-то на промышленных задворках Сан-Франциско, которая помогла братьям Вариан построить первые клистроны.

К 1945 году одна из этих компаний, Raytheon, производила 17 магнетронов в день для Министерства обороны. Однажды один из инженеров, Перси Спенсер, заметил, что, когда он стоял перед магнетроном, у него в кармане растаяла плитка шоколада. Он решил попробовать использовать магнетрон для приготовления пищи, сначала попкорна, который имел оглушительный успех, а затем других продуктов, которые, как он обнаружил, быстро нагревались в металлическом контейнере. Raytheon получила патент на первую микроволновую печь, и ее первая коммерческая версия, Radarange, была примерно 243 см высотой и стоила 5000 долларов. Со временем более компактные и дешевые микроволновые печи, работающие на магнетронах, стали повседневной бытовой техникой, которую мы используем и по сей день. Довольно неожиданный спин-офф радара, но далеко не единственный.

Статья в журнале Saturday Evening Post[226] от 8 февраля 1942 года возликовала: «Клистронный луч еще удивительнее, чем мечтали его изобретатели». В статье говорилось об инженерах по телефонной связи, использующих волны от клистронов для одновременной передачи 600 тысяч разговоров по всей стране, и инженерах по телекоммуникациям, делающих то же самое с изображениями. Их военное применение заключалось не только в обнаружении вражеских самолетов или кораблей: «Направленный вниз с авиалайнера клистронный луч сообщает пилоту, как высоко он летит над землей. Направленный вперед, он вовремя предупреждает пилота о приближающихся горах, чтобы тот мог изменить курс полета».

Клистрон был лицензирован компанией Sperry Gyroscope для коммерческого и военного применения, включая радар, и Рассел и Сигурд Вариан временно переехали на Лонг-Айленд, чтобы работать над этими засекреченными проектами. К 1948 году братья Вариан осознали коммерческий потенциал телевизионного вещания и телекоммуникаций, поэтому они покинули Sperry Gyroscope и вернулись в Калифорнию, где основали компанию Varian Associates[227], производящую клистроны для этих быстро развивающихся рынков.

Главным пользователем магнетронов были британские военные, и в 1953 году был написан отчет, в котором оценивалось качество различных производителей магнетронов в Европе и США. К удивлению GE, Raytheon и Westinghouse, на первом месте оказалась компания Litton Industries. Как, спрашивали себя крупные компании, удалось этой маленькой фирме превзойти их? Litton смогли начать производить магнетроны для радиолокационных систем, потому что у них было ноу-хау в производстве вакуумных ламп, но это никак не отличало их от прочих компаний. Чем обусловлено их преимущество? Все объяснилось их связью с Биллом Хансеном, клистроном и его стремлением создавать ускорители частиц.

Стэнфордская группа не смогла бы построить первые клистроны без сотрудничества с Litton Industries. Компания поставляла компоненты стэнфордской группе и обсуждала их производственные процессы. Именно из этого опыта компания узнала, например, о важности высокого вакуума для создания стабильных устройств высокой мощности. Они знали, как обеспечить контроль качества, чтобы их устройства поддерживали высокий вакуум и чтобы все компоненты оставались чистыми во время производства. Именно этот коммерческий секрет привел их к успеху в создании магнетронов.

Под руководством компаний Litton и Varian в Стэнфордском индустриальном парке начали появляться другие высокотехнологичные компании. Varian и их местные конкуренты привлекли внимание людей, желающих работать в высококвалифицированных технических областях. В течение 10 лет после основания Varian Associates заняла несколько крупных зданий, в которых работало более 1300 человек, с годовым объемом продаж в 20 млн долл.[228] В этот район продолжали прибывать тысячи людей, желающих работать в развивающихся компаниях, производящих микроволновые устройства и вакуумные лампы, или попытать счастья, открыв собственный бизнес по продаже специализированных материалов, высокоточной обработке и предоставлению других услуг. То, что когда-то было захолустьем, стало самым известным технологическим центром в мире – Кремниевой долиной.

Развитие Кремниевой долины и ее роль в совершенствовании технологий – это сложная история, однако именно эти компании создали ту промышленную инфраструктуру, которая сделала это развитие возможным. Именно эта концентрация высокотехнологичных навыков подготовила благодатную почву, на которой выросла полупроводниковая промышленность в конце 1950-х и 1960-х годах[229]. А совсем неподалеку, в Стэнфордском университете, это также позволило совершить одно из крупнейших открытий века в физике.

Как и у многих физиков, работа Хансена была прервана войной, и его мечта о создании ускорителя частиц для физических исследований была отложена. После войны проекты мощных магнетронов и клистронов были рассекречены, и внезапно физики ускорителей по всему миру получили промышленную и недорогую технологию, позволяющую вывести ускорители частиц на новый уровень. Хансен вернулся к своей первоначальной идее: создать ускоритель электронов. Но теперь магнетроны и клистроны – радиочастотные источники питания – могли подавать энергию в ускорители нового типа. Наконец идея Видероэ, сформулированная еще в 1920-х годах, – линейный ускоритель – могла полностью реализоваться.

Вместо подачи высокого напряжения, как во времена Кокрофта и Уолтона, Хансен планировал пропускать частицы через радиочастотные резонаторы, чтобы они получали энергию. Он спроектировал систему в виде серии точно обработанных медных резонаторов с отверстием для прохождения луча – ускоряющих резонаторов. Чтобы генерировать электромагнитные волны, они должны были питаться от клистрона, который был выбран отчасти потому, что создатель системы участвовал в его изобретении. Внутри ускоряющих резонаторов эти волны должны были колебаться таким образом, чтобы электрическое поле давало толчок вперед, заставляя частицы двигаться быстрее. Ученый знал, что если бы он мог перепроектировать клистрон так, чтобы он выдавал достаточно высокую радиочастотную мощность, то толчок вперед и энергия, которую частица получит при прохождении через ускоряющие резонаторы, были бы существенными. Линейные ускорители электронов теперь потенциально могут быть компактными и эффективными благодаря новым радиочастотным источникам питания.

Хансен собрал команду в Стэнфорде, включая Эда Гинзтона и Марвина Чодороу, и к 1947 году они построили свой первый ускоритель на 6 Мэ В. В отчете финансирующему органу было всего три слова: «Мы ускорили электроны». Линейный ускоритель, или LINAC (акроним от англ. LINear ACcelerator), был намного меньше и легче существующих ускорителей. Незадолго до этого команда под руководством Луиса Альвареса из Беркли построила низкочастотный протонный ускоритель и с гордостью сфотографировала свою команду: на фото около 30 человек сидели бок о бок на своей (сравнительно огромной) машине. Когда Хансен узнал об этой фотографии, он схватил трех своих аспирантов и встал рядом с ними, с новым высокочастотным ускорителем электронов в одной руке. Длина ускорителя составляла менее двух метров: маленький, легкий, эффективный, почти образ будущего. Исследования Хансена и других ученых включали двусторонний поток инноваций: физики изобрели новые устройства – магнетрон и клистрон, которые нашли крупномасштабное применение в радарах, а затем индустриализация этих устройств помогла физикам реализовать собственные экспериментальные амбиции.

Хансен мечтал о гораздо более крупной машине: ускорителе электронов на миллиард вольт, который можно было бы использовать для исследования сил в ядре. В то же время планировались Космотрон и Беватрон – стремление строить большие ускорители достигло апогея. Хансен нанял около 30 аспирантов и 35 техников для работы над новым устройством. Они построили серию прототипов, начиная с их оригинального Mark I на 6 МэВ, а затем Mark II на 33 МэВ в 1949 году. Но, к сожалению, Хансен так и не увидел завершения своего проекта, потому что ему становилось все хуже из-за хронического заболевания легких. Он скончался в 1949 году, как раз перед началом эксплуатации Mark II. Это стало шоком для всех, в том числе и для его команды. Гинзтон говорил: «Было непонятно, как можно достроить машину на миллиард вольт без него»[230].

Все эти инновации произошли до того, как теоретические разработки 1950-х годов дали физикам более глубокое понимание взаимодействий между частицами и фундаментальными силами. В главе 8 мы видели, как создавались большие лаборатории для создания огромных протонных синхротронов для изучения пионов и странных частиц. Примерно в тот период разрабатывалась новая технология LINAC для электронов, которая поначалу, казалось, имела мало общего с пониманием сильного взаимодействия и новых частиц. Но со временем все изменилось.

Как только Мюррей Гелл-Манн упорядочил длинный список частиц «Восьмеричным способом», стало ясно, что странные частицы гораздо больше похожи на протоны и нейтроны, чем на электроны или фотоны. Чтобы по-настоящему понять странные частицы, необходимо было понять сильное ядерное взаимодействие. Помочь с этим могли большие протонные синхротроны, но проблема данного подхода в том, что сильное взаимодействие свойственно и протонам, что делает практически невозможным изоляцию сильного взаимодействия странных частиц от сильного взаимодействия протонов.

Это был ключевой момент обсуждения 20 или около того физиков и инженеров из Стэнфорда, которых пригласили в дом немецко-американского физика В. К. «Пифа» Панофски в Лос-Альтос-Хиллз 10 апреля 1956. Когда они прибыли, им сказали, что все они могут стать волонтерами в новом неназванном проекте, который не имел финансирования. Перспектива несанкционированного эксперимента возбудила их любопытство, поэтому они остались. Идея исследования свойств сильного взаимодействия в протонах и нейтронах с помощью электронов появилась именно потому, что электроны взаимодействуют через электромагнитную силу, а не через сильное ядерное взаимодействие: они могли бы использовать электроны в качестве зонда, чтобы лучше понять сильное взаимодействие.

Помогло то, что электроны уже были хорошо изучены. В 1950х годах Ричард Фейнман, среди прочих, создал теоретическую основу квантовой электродинамики, или КЭД, – способ расчета взаимодействий частиц, основанный на наборе правил, которые сделали вычисления удобными. Этот метод работал для фотонов, электронов и мюонов, их соответствующих античастиц и даже для нейтрино. Однако он не применялся ни к странным частицам, ни к протонам и нейтронам. Физики предположили, что если бы они создали ускоритель электронов и бомбардировали материалы, богатые протонами и нейтронами, то могли бы отделить данные о взаимодействиях, которые они могли рассчитать (используя КЭД), от тех, которые не могли. Таким образом, они, возможно, смогли бы выделить сильные взаимодействия, которые их интересовали. Они подсчитали энергию, которая потребуется, и получилось число, в 20 раз превышающее мечту Хансена об 1 ГэВ[231]. Существовала только одна технология, которая могла производить нужный луч, и над ней уже работали: LINAC.

В LINAC луч не изгибается, поэтому электроны не теряют энергию из-за синхротронного излучения (см. главу 7). Для получения достаточных данных требовалось как можно больше электронов, и LINAC сделал возможными такие интенсивные пучки, потому что не было необходимости ждать ускорения одной партии частиц до запуска новой: в машине мог идти непрерывный поток частиц, ускоренных по прямой линии. Для этого нужны мощные радиочастотные источники – клистроны, но при достаточно длинном ускорителе все могло сработать. К счастью, технология продолжала развиваться со времен первой версии Хансена на 6 Мэ В. Команда достигла 400 МэВ в 1953 году, и к тому времени, когда на совещании в Лос-Альтосе была предложена цель в 20 ГэВ, ускоритель Mark III приближался к первоначальной цели в 1 Гэ В.

Конечно, такому амбициозному новому проекту требовалось название, а учитывая чудовищные размеры ускорителя – его длина составляла около двух миль, – ученые приняли название «Проект М». Технически буква М ничего не означала, но между собой физики расшифровывали ее как «монстр», что соответствовало масштабу проекта. На серии еженедельных встреч в течение следующего года они обсуждали идеи для линейного ускорителя мощностью 20 ГэВ, который будет расположен в кампусе Стэнфорда в Менло-Парке. Команда описала свою задумку в 100-страничном документе и направила запрос на сумму 114 млн долл. трем различным федеральным агентствам.

Эд Гинзтон, давний коллега Хансена и один из основателей компании Varian, руководил разработкой дизайна. В течение пяти лет команда преодолевала ряд сложных политических препятствий, пока им наконец не выделили деньги в 1961 году. Центр Стэнфордского линейного ускорителя, известный как SLAC (от англ. Stanford Linear Accelerator Centre), наконец-то начал работу. Стэнфордский университет сохранил за собой руководство проектом, открыв при этом доступ ученым из любой точки мира. Университет пожертвовал землю, а Министерство энергетики взяло на себя оплату счетов. Теперь все сошлось воедино: продукт правильных людей, правильных технологий и правильного местоположения – и все это объединялось вокруг общей цели.

С момента публикации проекта в 1957 году до включения луча в 1966 году были сделаны дальнейшие теоретические разработки, которые помогли создать мощную движущую силу экспериментальной программы SLAC. В 1964 году «Восьмеричный путь» был усовершенствован в более сложную кварковую модель, предложенную независимо Гелл-Манном и Цвейгом. Протоны, нейтроны, пионы, каоны и другие тяжелые частицы вовсе не были фундаментальными частицами, а состояли из трех типов кварков: верхнего, нижнего и странного, каждый из которых имел определенный спин и электрический заряд[232]. Но в теории был один чрезвычайно тревожный результат: предполагалось, что у кварков не целый, а дробный электрический заряд.

В природе никогда не встречалось ничего подобного. Как у этих новых частиц может быть электрический заряд +2/3 или –1/3? Даже Гелл-Манн не был уверен, действительно ли кварки существуют или это просто изящный математический прием, который случайно сработал. Если эти странные «нецелые» кварки – строительные блоки атомов и если, в свою очередь, кварки действительно составляют протоны и нейтроны в ядре, должна быть возможность их создать и измерить их свойства. Поиск кварков стал следующей большой экспериментальной задачей.

Экспериментаторы ЦЕРНа быстро поняли, что частицы с зарядом 1/3 и 2/3 должны оставлять характерные треки в пузырьковой камере – следы, которые могли пропустить в более ранних экспериментах. Две группы просмотрели 100 тысяч фотографий пузырьковой камеры из предыдущих экспериментов, но не нашли свидетельств дробно заряженных частиц. Ученые попытались найти кварки, используя протонный синхротрон и пузырьковую камеру, но ничего не добились. Кварки либо имели массу, превышающую ту, которую они могли создать, либо их не существовало. Либо происходило нечто иное.

Лаборатории с большими ускорителями протонов, похоже, не могли освободить кварки путем расщепления протона или нейтрона на части. Нужно придумать другой способ определить, существуют ли они. Но как это сделать? Так уж получилось, что новое оборудование в SLAC как раз обеспечивало необходимые условия для такой работы.

Ускоритель на 20 ГэВ появился на свет в 1966 году, задействовав несколько тысяч человек из Стэнфорда и других стран и компаний, а поиск кварков стал приоритетом номер один. Тогда же родилось сотрудничество SLAC с Массачусетским технологическим институтом, в котором участвовали, в частности, Генри Кендалл, Ричард Тейлор и Джером Фридман. Сторону SLAC возглавляли Кендалл и Тейлор. Кендалл, любитель активного отдыха, – физик родом из Бостона, а Тейлор, известный своим остроумием и юмором, – из канадской провинции Альберта. Фридман, художественно одаренный сын еврейских русских иммигрантов, представляющий Массачусетский технологический институт, был родом из Чикаго. Фридман ездил на работу в Калифорнию, где встречался с Кендаллом и Тейлором.

Замышляемый ими эксперимент напоминал тот, который мы уже видели, когда Гейгер и Марсден отражали альфа-частицы от золотой фольги, выясняя, есть ли у атома ядро. Чтобы узнать, есть ли у протонов и нейтронов подструктура, охотники за кварками конца 1960-х годов решили использовать почти такой же метод. Электроны с энергией 20 ГэВ могли проникнуть глубоко внутрь протонов и нейтронов. Если внутри есть какие-либо кварки, электроны разлетятся в результате столкновения, а их углы и энергии можно будет использовать для восстановления того, с чем они взаимодействовали[233].

Если вы сегодня поедете по межштатной автомагистрали 280, на полпути между Сан-Франциско и Сан-Хосе вы проедете прямо по двухмильному ускорителю. Когда его строили, туннель, в котором находится ускоритель, считался самым длинным зданием в Соединенных Штатах[234]. Внутри располагается клистронная галерея, полная мощных радиочастотных устройств, изобретенных Хансеном и братьями Вариан. Генерируемая ими энергия передается на несколько метров под землей в точно обработанные медные резонаторы, из которых состоит линейный ускоритель электронов. Внутри электроны разгоняются на волнах, пока не достигнут 20 ГэВ[235], двигаясь со скоростью 99,9999999 % от скорости света.

Когда в конце 1960-х годов все было готово, в конце ускорителя электронные пучки изгибались и направлялись по трем линиям в два экспериментальных зала, где они попадали – или, точнее, рассеивались – в мишень, сделанную из жидкого водорода, богатого протонами. Затем рассеянные электроны проходили через устройство, называемое магнитным спектрометром, которое измеряло энергию электронов, изгибая их в магнитном поле. Спектрометр был самым большим научным прибором своего времени, длиной 50 метров и весом 3000 тонн. При этом он был подвижен и установлен так, чтобы поворачиваться вокруг цели и проводить измерения под разными углами.

В 1967 году Кендалл, Тейлор и Фридман начали проводить эксперименты с большим спектрометром и двумя поменьше. Что они ожидали увидеть? Несмотря на амбиции найти кварки, большинство физиков все же считали, что их не существует и что протон и нейтрон имеют своего рода мягкую внутреннюю структуру. Ожидалось, что меньше электронов будет рассеиваться по мере увеличения угла наклона спектрометра. Любое отклонение от этого может указывать на наличие кварков – или чего-то еще – внутри. В ходе эксперимента были собраны данные для создания распределения вероятностей, и команда принялась внимательно изучать результаты и их интерпретировать.

Ожидания и результаты эксперимента расходились невероятным образом[236]. Сначала было не совсем ясно, что результаты свидетельствуют о наличии кварков, но, похоже, они правда свидетельствовали о какой-то структуре внутри протона. Теоретики, включая Ричарда Фейнмана и Джеймса Бьёркена, для описания найденных сущностей придумали название «партоны». Во многом все происходящее напоминало эксперимент с золотой фольгой, только на этот раз физики проникли еще глубже в сердце материи: протоны не были фундаментальными частицами, и результаты, казалось, доказывали, что партоны – предположительно, тип частиц – были похожи на точки, точечноподобны. Что значит «точечноподобна» в отношении частицы? Так же, как и в случае с электроном, это означает, что частица настолько мала, что ее невозможно измерить. Как позже вспоминал Джером Фридман, «это была очень странная точка зрения. Она настолько отличалась от того, что предполагалось в то время, что мы не хотели обсуждать результаты публично»[237].

В течение следующих нескольких лет Фридман, Кендалл и Тейлор продолжали собирать данные под разными углами спектрометра и провели второй раунд экспериментов с использованием жидкой дейтериевой мишени для сбора сравнительных данных для нейтрона[238]. Имея достаточно доказательств, они могли быть уверенными в своих результатах: партоны действительно были кварками, точечноподобными объектами, образующими структуру протонов и нейтронов. Теперь мы можем сказать, что протон состоит из трех кварков, двух верхних и одного нижнего, а нейтрон – из одного верхнего и двух нижних. Последним кусочком головоломки было подтверждение идеи о том, что кварки обладают дробными электрическими зарядами. Сравнили рассеяние электронов с аналогичными данными из ЦЕРНа, где использовали (электрически нейтральные) нейтрино, которые дали физикам информацию об электрических зарядах, участвующих во взаимодействии. У кварков правда дробные заряды.

Дальнейший анализ данных выявил еще более необычную информацию о протонах и нейтронах, чем тот факт, что внутри них были кварки. Каждый протон или нейтрон состоит примерно из равных частей кварков и нейтральных глюонов – безмассовых частиц и переносчиков сильной взимодействия, которые «склеивают»[239] кварки вместе, – это во многом похоже на то, как фотон переносит электромагнитную силу. Три основных кварка в протоне и нейтроне называются валентными кварками. Вокруг них – «море» кварк-антикварковых пар, которое также обнаружилось в данных, полученных в результате рассеяния при низких энергиях. Протон и нейтрон следует рассматривать полностью с точки зрения как массы, так и взаимодействий, включая как морские кварки – верхние, нижние и странные пары «кварк – антикварк», – так и валентные кварки.

В 1970-х годах физики начали понимать необычные свойства сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе. Оно относительно слабо на коротких расстояниях, но чрезвычайно сильно на больших, словно эластичная лента, удерживающая кварки вместе. Когда кварки находятся рядом друг с другом, они могут двигаться с относительной свободой, но стоит их разлучить, как против вас восстанет свойство, называемое конфайнментом (удержанием). Оно удерживает кварки внутри протона и нейтрона до такой степени, что если вы попытаетесь разделить их, то вложенная вами энергия просто создаст новую пару «кварк – антикварк». Странным результатом этого становится то, что мы попросту не можем наблюдать кварки поодиночке. Вот почему Кендалл, Тейлор и Фридман добились успеха там, где другие не смогли: они нашли способ наблюдать кварки в их замкнутом состоянии внутри протонов и нейтронов.

Сильное взаимодействие также отвечает за удержание нейтронов и протонов внутри атомного ядра, причем неявным образом. На больших расстояниях его часто называют остаточным сильным взаимодействием. Подробное описание того, как именно взаимодействуют кварки, изложено в теории, называемой квантовой хромодинамикой, или КХД, которая помогает понять, как удерживается атомное ядро.

Согласно КХД, кварки несут заряд (аналогичный электрическому заряду), называемый цветовым зарядом. Всего их три типа: красный, зеленый и синий, хотя они не имеют никакого отношения к привычному пониманию цвета. Цветовой заряд антикварков, соответственно, антикрасный, антизеленый и антисиний. И когда кварки объединяются в частицы, наложение их цветов делает частицу «бесцветной». Синий, красный и зеленый в сочетании бесцветны, поэтому, если кварки внутри протона синие, красные и зеленые, эта частица, следовательно, «разрешена». Пион состоит из кварка и либо верхнего, либо нижнего антикварка, в синем и антисинем, красном и антикрасном или зеленом и антизеленом сочетании.

Протоны и нейтроны внутри ядра в целом бесцветны, но кварки внутри них оставляют небольшой остаточный эффект сильного взаимодействия, которое каким-то чудесным образом удерживает их вместе. Все это кажется незначительной деталью, но на самом деле не так тривиально: без остаточного сильного взаимодействия ядра атомов были бы нестабильны, и материя в том виде, в каком мы ее знаем, не существовала бы.

Чтобы это выяснить, ушло некоторое время, но что совершенно ясно после экспериментов Фридмана, Кендалла и Тейлора, так это то, что кварки правда существуют[240]. Дни, когда протоны и нейтроны считались фундаментальными строительными блоками атомов, прошли.

Открытие кварков стало возможным благодаря линейному ускорителю, который сам по себе родился благодаря клистронам и магнетронам, а они, в свою очередь, были созданы для обеспечения мощной радиолокационной технологии. Хансен и братья Вариан не могли и предположить конечный результат своих исследований. Взаимосвязи между фундаментальной и прикладной наукой, промышленностью и открытиями обычно представляют собой отдельные истории, рассказанные учеными и предпринимателями. Истории об открытиях мы узнаём от физиков, а об инновациях и коммерческом успехе – от предпринимателей, но почему-то забываем о существующем между ними симбиозе. Как мы видим, он может привести к непредсказуемым результатам, и эта история не ограничивается кварками.

Когда мы в последний раз встречались с братьями Вариан, они основали свою компанию в том месте, которое впоследствии станет Кремниевой долиной. Вскоре они начали продавать электронные LINAC, чье применение не ограничивалось физикой, и линейные ускорители принесли небывалые изменения в медицину, безопасность и промышленность. Сегодня название Varian почти синонимично технологиям линейных ускорителей, и продукт, который может понадобиться каждому восьмому жителю планеты, – это аппарат для лучевой терапии LINAC.

В 1954 году врач Генри Каплан услышал о разработке ускорителей в Стэнфорде и отправился туда с целью создать устройство для лечения рака[241]. Во время обеда Каплан обсудил свой план с Эдом Гинзтоном, и их активное сотрудничество привело к разработке первого медицинского линейного ускорителя в Соединенных Штатах. Электронная машина с энергией 6 МэВ была впервые использована в 1956 году в Стэнфорде в лечении двухлетнего мальчика с опухолью глаза. Пациент был выписан уже без опухоли, зрение сохранилось. Каплан настаивал на обучении радиологов новому типу терапии, и спрос на ускорители в больницах начал расти.

Каплан и Гинзтон убедили Varian Associates пустить клинические ускорители в производство. Со временем аппарат на 6 МэВ стал еще компактнее, теперь его можно было поворачивать на 360 градусов вокруг пациентов, чтобы лечить их под любым углом. С этого момента рентгенотерапия стала предпочтительным методом лечения, а LINAC – средством для его применения. К тому времени, когда протоны и более тяжелые частицы начали использоваться в медицине, эта форма лучевой терапии уже считалась золотым стандартом (см. главу 8)[242].

Сегодня примерно половина всех случаев рака лечится с помощью лучевой терапии (остальные лечатся хирургическим путем и химиотерапией). Чаще используют электроны и рентгеновские лучи, чем протоны или ионы, отчасти потому, что технология намного меньше и дешевле. Современный медицинский линейный ускоритель размещается в подвале больницы в защищенном от радиации помещении с бетонными стенами метровой толщины. Для пациента система выглядит почти так же, как центр протонной терапии, описанный в главе 9, за исключением того, что на этот раз все оборудование находится прямо внутри процедурного кабинета. В центре комнаты кровать, на которой лежит пациент, а над ней – метровый ускоритель частиц, который разгоняет электроны примерно до 25 МэВ, а затем направляет их на металлическую мишень. Когда электроны в металле замедляются, они испускают рентгеновские лучи, точно так же, как в электронно-лучевых трубках, с которыми мы познакомились в главе 1. При лучевой терапии пучку рентгеновских лучей придается особая форма с помощью сложной системы коллимации, которая поглощает часть рентгеновских лучей, создавая теневой узор в соответствии с планом лечения. После придания рентгеновским лучам соответствующей формы они направляются к пациенту.

Все источники питания, вакуумные системы и электроника скрыты за панелью в задней части машины. Откройте ее – и вы увидите клистрон и волноводы, которые подают радиочастотную энергию на ускоряющую структуру резонатора, находящуюся в самом сердце устройства. Так называемое гантри тоже имеет некоторое свинцовое экранирование и ряд магнитов, которые направляют луч вниз на металлическую мишень, где создаются рентгеновские лучи. Весь ускоритель находится в пластиковом корпусе, окруженном системой визуализации и панелями управления. Одно нажатие кнопки – и вся система ускорителя вращается на 360 градусов вокруг кровати пациента.

Varian – один из двух основных игроков, которые сегодня доминируют на рынке медицинских ускорителей. Другой – компания Elekta, созданная Ларсом Лекселлом в 1972 году в Швеции на базе точного радиохирургического оборудования «Гамма-нож». В то время как машины Varian в основном используют клистроны собственного изобретения, технология Elekta обычно использует магнетроны. Обе компании активно сотрудничают с университетскими группами и постоянно внедряют инновации для совершенствования аппаратуры и достижения наилучших клинических результатов.

Во всем мире используется более 12 000 таких медицинских ускорителей. Эти машины служат напоминанием о том, что экспериментальные технологии используются не только для физики элементарных частиц, но и для спасения жизней миллионов людей. На самом деле 12 000 ускорителей далеко не достаточно. При нынешних показателях заболеваемости раком на каждые 200 тысяч человек требуется один аппарат, и хотя страны с высоким уровнем дохода способны обеспечить нужное количество аппаратуры, в государствах, отнесенных Всемирным банком к странам с низким и средним уровнем дохода, не хватает около 5000 аппаратов. В 35 странах Африки к югу от Сахары в настоящее время нет вообще никакой технологии для лучевой терапии.

Во всем мире заболеваемость раком растет в результате того, что люди живут дольше, и больше всего этот рост приходится на страны с низким и средним уровнем дохода. По оценкам, к 2035 году ежегодно будет диагностироваться рак у примерно 35 миллионов человек, и 65–70 % процентов всех случаев – в странах с низким и средним уровнем дохода. Применяются огромные усилия по искоренению других заболеваний и увеличению продолжительности жизни, однако вероятность того, что у человека будет диагностирован рак, повышается с возрастом. Медицинские учреждения достаточно продвинуты во многих странах, чтобы диагностировать онкологию, а доступность образования гарантирует то, что люди достаточно хорошо знают признаки рака, чтобы вовремя обратиться к врачу.

К 2035 году потребуется дополнительно 12 600 аппаратов, а также десятки тысяч онкологов, радиологов, медицинских физиков и других специалистов. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) проводит огромную работу для решения этой проблемы, но растущая потребность в оборудовании опережает темпы производства и ввода в эксплуатацию новых установок для лучевой терапии.

В 2016 году в ЦЕРНе было созвано совещание для обсуждения этого оборудования, в котором приняли участие международные эксперты в области ускорителей и глобального здравоохранения, а также врачи из Нигерии, Ботсваны, Ганы, Танзании, Зимбабве и других стран Африки к югу от Сахары. Эксперты провели три дня, слушая и задавая вопросы, пытаясь понять, что не так и что необходимо изменить. Я была одним из таких экспертов, и как только мои глаза открылись на столь глобальную проблему, закрыть их уже было нельзя.

Даже если больница может позволить себе необходимую аппаратуру, на техническое обслуживание за год уйдет примерно столько же, сколько на выплату зарплаты двадцати пяти штатным инженерам. Доставка запасных частей занимает много времени, и даже тогда они могут застрять на таможне на месяцы. Каждый день простоя ускорителя означает, что около 50 тысяч пациентов остаются без лечения. Это самые распространенные ускорители частиц в мире, но мы поняли, что они предназначены для стран с высоким уровнем дохода, стабильным энергоснабжением, армией высококвалифицированных инженеров и мощными системами здравоохранения.

Участники этой встречи объединились в новое сотрудничество STELLA – «Умные технологии для продления жизни с помощью линейных ускорителей» (от англ. Smart Technologies to Extend Lives with Linear Accelerators). Существует множество аспектов этой проблемы, которые необходимо решить, включая образование, глобальное развитие, системы здравоохранения и технологии. Используя модели сотрудничества, лежащие в основе Большой науки, мы стремимся решить данную проблему, и наш первый этап – разработка более подходящего LINAC для этих условий – идет полным ходом[243].

Линейные ускорители нашли свое применение и за пределами медицины. Существуют тысячи небольших ускорителей, используемых в системах сканирования в портах и на границах и позволяющих таможенникам делать снимки содержимого грузовиков и грузовых контейнеров для поиска контрабанды. Высокоэнергетические рентгеновские лучи, производимые линейными ускорителями, могут проходить сквозь куда большие объекты – стандартные рентгеновские трубки на это неспособны.

Ускорители электронов используются для стерилизации медицинских изделий, некоторых опасных почтовых отправлений и даже для удаления потенциальных патогенов из определенных продуктов, включая травы. Способов применения становится только больше. В Южной Корее используются небольшие линейные ускорители для очистки вредных выбросов электростанций и промышленных сточных вод без использования агрессивных химикатов. Как бы нелогично это ни звучало, но ускорители частиц вполне могут быть одним из самых экологически чистых инструментов, которые у нас есть, – они даже используются для производства более дешевых солнечных панелей[244]. Рынок такого рода ускорителей в настоящее время составляет около 5 млрд долл. в год и продолжает расти.

Продолжается разработка магнетронов, клистронов и линейных ускорителей как в промышленности, так и в университетских лабораториях, и обычно эта работа проходит в сотрудничестве между ними. Технологии становятся все меньше, дешевле, надежнее и энергоэффективнее. В настоящее время ускорительные технологии для физики элементарных частиц разрабатываются совместно с их приложениями в медицине и промышленности, отчасти потому, что процесс индустриализации может помочь снизить затраты на крупные проекты, как это было при поиске кварков.

Сегодня на конференциях, посвященным новым видам лучевой терапии, которые могут сократить время лечения рака с минут до секунд и от 25 сеансов лечения до всего одного или двух, можно увидеть полным-полно физиков ускорителей[245]. Физики, которые работают вместе с коллегами-медиками над изобретением этих технологий следующего поколения, – это те же самые ученые, которые проводят эксперименты по физике элементарных частиц. Им нравится иметь возможность оказывать непосредственное влияние на реальный мир, при этом никогда не останавливаться в поисках ответов на важные вопросы о Вселенной.

Но все это придет гораздо позже. В конце 1960-х годов началась новая эра открытий. Первые шаги на Луне шли рука об руку с прорывными исследованиями мельчайших составляющих материи. После открытия кварков физики всего мира продолжали революционизировать физику элементарных частиц. Между 1974 и 1977 годами эксперименты в SLAC с использованием кольца электрон-позитронного коллайдера под названием SPEAR предоставили доказательства существования тау-лептона – более тяжелой версии электрона и мюона, – указывающие на то, что может существовать третье поколение частиц. Если это окажется правдой, может быть еще больше кварков. Казалось, не будет конца тайнам, которые порождал субатомный мир.

Глава 11

Тэватрон: третье поколение частиц

Мы впервые встретились с Робертом Ратбуном «Бобом» Уилсоном в Беркли в середине 1940-х годов, когда он предложил идею протонной терапии. К концу 1960-х годов он уже оставил свое звание протеже Эрнеста Лоуренса и сам стал лидером. Уилсон был физиком нового типа, своего рода мастером на все руки – одновременно провидцем, инженером, сборщиком средств и предпринимателем. К тому же он оказался талантливым поэтом, скульптором и оратором и со временем научился сочетать творчество и науку, учредив ведущую в мире лабораторию. Но сначала он должен был получить одобрение на финансирование ее строительства.

В апреле 1969 года Уилсон предстал перед Конгрессом США с просьбой выделить 250 млн долл. на строительство самого амбициозного ускорительного проекта Соединенных Штатов. Дни, когда физики легко получали финансирование, закончились, и Уилсону пришлось конкурировать с другими проектами, просящими государственных денег: от космических миссий NASA до огромных расходов на корабли, самолеты и оружие для обороны. Не успел Уилсон начать, как сенатор Джон Пасторе указал на экспериментальность предлагаемого проекта. Они даже не знали, что смогут в итоге обнаружить! Как можно пойти на столь дорогостоящее и рискованное предложение?

Задуманный ускоритель, сказал Уилсон, поможет найти ответы на извечные вопросы о простоте природы. Возможно ли, спросил он, что мы поймем беспорядочность всей жизни и Вселенной, основываясь всего на нескольких элементарных частицах? Исходя из этого видения, он изложил ситуацию в игре. Они знали о силах гравитации, электромагнитной силе и ядерной силе, которая связывает протоны и нейтроны вместе. Открытие кварков шло полным ходом в SLAC, и, как мы видели в предыдущих главах, физики предполагали наличие четвертой силы – слабого ядерного взаимодействия. При бета-распаде, во время которого нейтрон превращается в протон, кварки, как казалось, испытывают как сильное, так и слабое ядерное взаимодействие. Уилсон утверждал, что эта новая машина позволит проводить эксперименты в таком диапазоне энергий, что физики смогут окончательно подтвердить эти силы и собрать воедино более полное понимание того, как работает Вселенная. В интеллектуальном плане перспективы этого начинания восхищали.

Сенатор Пасторе кивнул и сказал, что, как он понимает, цель ускорителя – фундаментальные исследования в области физики высоких энергий, образовательный и академический процесс. Уилсон добавил: «И культурный, но с твердым убеждением, что придут технологические разработки… Поскольку мы занимаемся чрезвычайно сложными техническими вещами и проводим необычные исследования, мы из прошлого опыта знаем о неизбежном развитии новых методов, способных более чем окупить затраты на фундаментальные исследования, изначально не направленные на достижение соответствующих результатов»[246].

Сенатор хотел помочь Уилсону, обставив все так, будто эта машина незаменима для нации. Он спросил Уилсона, привнесет ли она что-нибудь в безопасность страны, но Уилсон прямо ответил: «Нет». После Манхэттенского проекта его вклад в безопасность с помощью физики был в значительной степени позади, этот проект вызван исключительно любопытством к Вселенной. Сенатор надавил: «Совсем ничего?»

Уилсон сделал паузу, затем посмотрел на сенатора и сказал: «Эта машина привнесет что-то только в уважение, с которым мы относимся друг к другу, в достоинство человека, нашу любовь к культуре. Она ответит на вопрос, хорошие ли мы художники, хорошие скульпторы, великие поэты. Я имею в виду все то, что мы действительно почитаем в этой стране и к чему относимся с патриотизмом… Но она не имеет никакого отношения непосредственно к защите нашей страны, разве что сделает ее достойной защиты»[247].

Бюджет был утвержден. В октябре того же года Уилсон лично воткнул лопату в землю на площадке в часе езды от Чикаго, ознаменовав официальную церемонию закладки фундамента Национальной ускорительной лаборатории, позже известной как Фермилаб.

Фермилаб действительно не похожа ни на одну другую физическую лабораторию. В соответствии с интересами Уилсона, вместо однообразных кирпичных и сборных зданий здесь полно скульптур и архитектурных деталей. Проезжая через небольшую деревню с домами, обшитыми деревянными панелями, и попадая на территорию Фермилаба, посетители видят не высокотехнологичное оборудование, а стадо бизонов – дань уважения степному наследию. Приближаясь к главному зданию, посетители проезжают между длинными бассейнами, отражающими свет. В их дальнем конце находится похожий на собор[248] Уилсон Холл – бетонное сооружение высотой 76 м, смягченное архитектурными изгибами. Со смотровой площадки на верхнем этаже можно увидеть километры туннелей и технологий, ускорители и эксперименты, разбросанные по обширной площадке, как круги на полях.

В видении Уилсона лаборатория должна быть захватывающей, функциональной и красивой. Он считал, что ее эстетика повлияет и на ее успех. Штатный художник Анджела Гонсалес принимала участие в разработке буквально всего, начиная от логотипа лаборатории и приветственных плакатов и заканчивая столиками в кафетерии. Эстетичность стала важной частью и научного оборудования. Уилсон считал, что научные инструменты должны быть такими же красивыми, как идеи теоретической физики. Как скульптор, он настаивал на том, чтобы ускорители, эксперименты и все другие аспекты большой лаборатории имели изящные линии, хорошо сбалансированные объемы и внутреннюю эстетическую привлекательность[249].

Сначала Уилсон набросал объект широкой кистью, почти как если бы он очерчивал формы на холсте. Он должен быть научно амбициозным, чтобы привлечь к проекту лучших ученых, но при этом надо придерживаться бюджета. Он решил, что его первоначальная цель – та, на которую выделили бюджет, – недостаточно амбициозна. Вместо энергии в 200 ГэВ он хотел достичь 500 ГэВ с помощью ускорителя – «Главного кольца» с радиусом 1 км. Размер был выбран просто потому, что его легко запомнить. Но вдобавок к этой новой задаче Уилсон решил ускорить график строительства. Вместо первоначальных семи лет он хотел уложиться в пять.

Лучшие умы узнали о его диковинной идее и начали присоединяться к проекту. Его видение привлекло физиков, инженеров и специалистов по решению проблем с огромной творческой энергией и энтузиазмом. Новое «Главное кольцо» было уже не единственным ускорителем, который нужно построить. Уилсон знал, что для него потребуется целая цепочка предварительного ускорения: протоны запускались в генераторе Кокрофта – Уолтона, затем они проходили через LINAC и попадали в кольцо, называемое бустером. Только после этого пучок протонов передавался в «Главное кольцо».

Физик ускорителей Хелен Эдвардс и ее муж Дон присоединились к команде в 1970 году, когда все только начиналось. Родом из Детройта, штат Мичиган, Эдвардс заинтересовалась естественными науками и математикой, когда посещала школу для девочек в Вашингтоне, округ Колумбия, и, несмотря на борьбу с дислексией, осваивала предметы исключительно благодаря концентрации внимания. Она получила степень бакалавра по физике в Корнелле, единственная женщина среди дюжины мужчин. Она намеревалась сразу поступить в аспирантуру, но в то время женщины должны были сначала получить степень магистра. Тем не менее она упорствовала и завершила свое исследование по распаду частиц, приобретя практический опыт работы с ускорителем электронов Корнеллского университета. Именно там с ней познакомился Уилсон, и всем было ясно, что ее способность концентрироваться на главном делала ее отличным специалистом по решению научных и технических проблем. Уилсон поручил Эдвардс ввести в эксплуатацию бустерный синхротрон.

Эдвардс и ее команда быстро привели бустер в действие, и он мог доставлять протоны с энергией 8 ГэВ в «Главное кольцо». Команды, управляющие генератором Кокрофта – Уолтона и линейным ускорителем, тоже достигли своей цели – запустить их в эксплуатацию. Поскольку строительство шло с головокружительной скоростью, Эдвардс присоединилась к команде, работающей над уже частично завершенным «Главным кольцом».

Темп работ был лихорадочным, а условия – мрачными: из-за протечек туннель «Главного кольца» иногда заполнялся грязью, через которую приходилось пробираться, чтобы продолжить установку магнита. Уилсон пошел на риск, заявив, что «оборудованию, способному работать без сбоев, свойственна избыточность, и, следовательно, на создание такого оборудования уйдет слишком много времени и средств»[250]. Он утверждал, что дешевле будет чинить вышедшие из строя детали.

Проблемы нужно было решать быстро, и в команде Эдвардс позже рассказывали истории, как она могла производить подробные вычисления прямо на коленке, решая трудности по мере их появления. Ее команда была не менее изобретательна. После сварки ускорителя они обнаружили, что в вакуумной трубе оставались небольшие кусочки металлического мусора, которые могли сбить протоны с пути, вызвать радиацию или повредить машину. Уже не зная, что делать, один инженер обучил хорька по имени Фелиция протягивать веревку через трубку, к веревке он затем прикреплял чистящий тампон и протягивал веревку обратно, удаляя мусор[251]. Это сработало, но впереди поджидало еще больше неприятностей.

В 1971 году ситуация достигла апогея, после того как команда привела в действие 1014 магнитов и обнаружила, что не менее 350 из них вышли из строя. Этот «магнитный кризис» стоил им по меньшей мере шести месяцев и двух миллионов долларов, и даже по сей день не совсем ясно, что пошло не так. Но, похоже, в основном виноваты тонкая эпоксидная изоляция и проблемы с конденсацией. Несмотря на все трудности, в марте 1972 года, протонный пучок наконец начал циркулировать по окружности «Главного кольца» длиной 6,28 км, и вскоре команда побила мировой рекорд по энергии протонного пучка.

Затем Эдвардс взяла на себя решение другой проблемы: как заставить протонный пучок покинуть машину. Нужно было сохранить по крайней мере 98 % луча, иначе повышается риск возникновения радиации и разрушения компонентов. Принятое решение[252] заключалось в точной настройке машины таким образом, чтобы луч отклонялся очень близко к краю трубы в трех местах, где команда установила электростатические перегородки – металлические полосы, удерживаемые под очень высоким напряжением, – которые обеспечивали достаточную силу, чтобы вытянуть луч из машины.

К 1974 году все заработало и все три экспериментальные области могли принимать луч в одно и то же время. Энергия «Главного кольца» была увеличена с 200 ГэВ до 400 ГэВ в 1975 году, а затем – до 500 Гэ В. Каждая точка выхода луча из кольца была разделена еще на три части, обеспечив в общей сложности девять лучей от одного ускорителя. Когда машина была готова к использованию, можно было сосредоточить внимание на экспериментах.

В основном эксперименты сосредотачивались на нейтрино, мезонах и протонах соответственно. По большей части эксперименты разрабатывались и проводились университетскими учеными, а не собственными сотрудниками лаборатории. Отчасти это было связано с бережливостью Уилсона. Чтобы сэкономить, он решил, что экспериментаторы будут отвечать за свои собственные участки, и им просто предоставят «яму» – буквально яму с земляным полом, вырытую в земле для защиты от радиации, – в комплекте со стенами из гофрированного железа и крышей. Очевидно, что эстетический план Уилсона не распространялся на удобство пользователя. Университетские ученые чувствовали несправедливое отношение к себе, поскольку условия работы в Фермилабе были куда суровее в отличие от сравнительно шикарных лабораторий SLAC или ЦЕРН[253].

Несмотря на крайнюю некомфортность экспериментальных ям, Уилсон знал, что создает самый высокоэнергетический пучок в мире и физики будут стучать в его двери. И, конечно же, тут он не ошибся. К 1976 году лаборатория получила предложения от более чем 120 исследовательских центров, включая сотрудников из Канады, Европы и Азии. Более половины из 500 предложенных экспериментов были одобрены, и к 1978 году многие из них были завершены. Одним из первых экспериментаторов был харизматичный физик из Колумбийского университета Леон Ледерман.

С момента основания Фермилаба Ледерман был защитником и сторонником этой лаборатории. Он соответствовал представлению Уилсона об идеальном экспериментаторе – амбициозном, но готовом адаптироваться. Там, где Уилсон был ковбоем, Ледерман был городским пройдохой. Родившийся в Нью-Йорке в семье украинско-еврейских иммигрантов, в колледже он выбрал физику, когда друг убедил его в ее великолепии за долгим вечерним пивом. Он научился выбирать важные физические проблемы, что привело его к совместному открытию мюонного нейтрино в 1962 году. С этого начались его эксперименты в Фермилабе.

Ледерман и другие знали о двух существующих поколениях частиц, которые можно было бы сгруппировать в лептоны, состоящие из электрона и его более тяжелого родственника мюона, вместе с электронным нейтрино и мюонным нейтрино. И о поколениях кварков: первое поколение состоит из верхних и нижних кварков, и потому казалось разумным, что у странного кварка тоже должен быть свой «партнер», названный очарованным кварком, которые вместе составят второе поколение. Такое предложение было выдвинуто теоретиками в 1970 году и первоначально мотивировано эстетическими соображениями. Но в дальнейшем это помогло решить некоторые технические проблемы в уравнениях.

К тому времени, когда заработало «Главное кольцо», Ледерман уже упустил возможность открыть очарование. Оно был найдено в 1974 году почти одновременно в Брукхейвене и SLAC в виде частицы J/Ψ (читается как «джей-пси», где пси – греческая буква Ψ)[254]. Но на этом сюрпризы природы не закончились. Как мы видели в конце предыдущей главы, в 1975 году исследователи из SLAC обнаружили еще более тяжелую версию электрона и мюона – тау-лептон. У Ледермана появилась новая мотивация: если существует третье поколение лептонов, тогда почему бы не существовать и третьему, более тяжелому поколению кварков?

Ледерман запросил себе рабочее место для проведения нового эксперимента, названного, по его предложению, «Эксперимент 288» (E288), в ходе которого он собирался использовать электронные детекторы для поиска пар мюонов, являвшихся ожидаемой сигнатурой короткоживущей тяжелой частицы. Целью ученого было найти частицы, содержащие еще более тяжелые кварки, чем обнаруженные до сих пор верхние, нижние, очарованные и странные. Когда его предложение было принято, а эксперимент подготовлен, пучок протонов с энергией 500 ГэВ был направлен из «Главного кольца» к их яме, где команда собирала данные о каждой паре мюонов, которые она обнаружила. Чтобы проанализировать результаты, ученые суммировали энергию каждой пары мюонов и обозначали их точками на гистограмме. Пик или любая выпуклость на этой гистограмме будет свидетельствовать о появлении новой частицы.

К 1976 году обнаружился пик в области 6 Гэ В. Несмотря на то что количество событий было небольшим, вероятность того, что эти события были статистическим отклонением, составляла всего 2 %. Команда пошла дальше и опубликовала статью, в которой сообщалось о совершенно новой частице, названной ипсилоном, что они интерпретировали как «величественная частица»[255]. Затем случилось немыслимое. По мере того как они собирали больше данных, пик, показывающий ипсилон, исчез, поглощенный фоновым шумом случайных событий. Частицы с массой 6 ГэВ все-таки не было.

Это был жестокий урок статистики и одна из причин, по которой сегодня общепринятым стандартом для объявления об открытии новой частицы физики называют «правило 5 сигм». То есть вероятность получения случайного результата составляет менее одного шанса на 3,5 миллиона[256]. Ни в одной другой области науки не применяется такой невероятный стандарт. Например, если у вас диагностировали заболевание и врач сказала, что она на 95 % уверена, что данные клинических испытаний для предложенного лечения верны, вы примете лекарство, верно? Но физики элементарных частиц не посчитают это достаточным доказательством. Работая над такими длительными и крупными проектами, физики элементарных частиц хотят быть уверенными, что они не обманывают себя насчет того, что реально, а что нет.

Ледерман воспринял неудачу с юмором, даже после того, как его коллеги переименовали несуществующую частицу в УпсЛеон в его честь. Команда E288 вернулась к своему эксперименту весной 1977 года и начала собирать новые данные. Когда пик возник примерно на 9,5 ГэВ всего через семь дней, один из физиков, Джон Йо, воскликнул: «Что, черт возьми, происходит?!» Но, как того требовала традиция, он на всякий случай поставил в холодильник бутылку шампанского с надписью «9,5».

Но теперь они не спешили делать объявление. Они были полны решимости полностью удостовериться в том, что эта новая частица, образующаяся один раз на каждые 100 миллиардов протонов, сталкивающихся с мишенью, не случайна. Они приготовились собрать больше данных. В 11 часов вечера 20 мая произошел сбой в проводке устройства для измерения тока на магните. Кабель нагрелся, расплавился, а затем поджег соседний кабельный лоток. Вскоре зал наполнился едким дымом. Команда запаниковала.

Прибывшая пожарная бригада быстро все потушила, но команда встревожилась еще сильнее: вода, которой тушили возгорание, в сочетании с газообразным хлором, выделяемым в воздух огнем, образовала кислоту, которая начала разъедать электронные компоненты оборудования. Если они не смогут остановить коррозию, они никогда не соберут достаточно доказательств, чтобы объявить о новой частице. Отчаявшись спасти эксперимент, Ледерман вызвал голландского эксперта, который прибыл через 72 часа с ведрами секретного чистящего раствора. Все члены команды E288, сотрудники протонного отдела, мужья и жены, друзья и секретари присоединились к физикам на производственной линии, помогая им очистить 900 печатных плат под пристальным наблюдением эксперта.

Когда эксперимент был спасен, пять дней спустя они снова начали сбор данных. Пик на 9,5 ГэВ продолжал появляться. Масса новой частицы примерно в 10 раз превышала массу протона. Дважды – и трижды – команда перепроверяла свои результаты, но на этот раз они были абсолютно точны.

15 июня 1977 года они созвали семинар в аудитории Фермилаба и объявили, что у них правда получилось: команда E288 обнаружила совершенно новую частицу с энергией 9,5 ГэВ – самую тяжелую частицу, когда-либо обнаруженную, и первую, обнаруженную в Фермилабе. Ее вновь назвали ипсилон, но на этот раз название прижилось. В честь знаменательного открытия была выпита 9,5-литровая бутылка шампанского, и Фермилаб прочно вошел в историю как лаборатория экспериментальных открытий.

Согласование новых экспериментальных данных с развитием теории не заняло много времени. Оказалось, что ипсилон представляет собой комбинацию b-кварка и анти-b-кварка, название которых расшифровывается как боттом-кварк, или прелестный кварк, в зависимости от того, кого вы спросите. Новый тяжелый b-кварк был предсказан еще в 1973 году японскими теоретиками Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскавой, а названия «топ-кварк» и «боттом-кварк» были придуманы в 1975 году израильским физиком Хаимом Харари. Несмотря на возрастающую сложность физики элементарных частиц, ипсилон еще раз подтвердил, что в основе природы лежит простота и симметрия. Всего было шесть лептонов (электрон, мюон, тау и их нейтрино) и шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, боттом (прелестный) и топ (истинный)).

Оглядываясь назад, можно сказать, что ипсилон был, как сказал Ледерман, «одним из самых ожидаемых сюрпризов в физике элементарных частиц»[257]. Теперь, когда стало известно, что существует боттом-кварк, стоило предположить, что есть и его тяжелый партнер, топ-кварк. Хотя физики пока не понимали, насколько он должен быть тяжелым, поскольку теория этого не говорила, следующие эксперименты в Фермилабе были предопределены. Начались поиски шестого – и последнего – кварка.

Фермилаб соответствовал видению Уилсона как национальное и международное учреждение, но Уилсон на этом не остановился. Он всегда смотрел далеко за пределы этой первой стадии. К открытию ипсилона у Фермилаба был уже не самый большой ускоритель в мире: пальма первенства перешла ЦЕРНу, построившему кольцо длиной 7 км под названием Протонный суперсинхротрон с энергией 450 Гэ В. Уилсон и Эдвардс гордо их обогнали, достигнув 500 ГэВ с немного меньшим по размеру «Главным кольцом», но теперь Уилсон раскрыл план, который он так долго вынашивал.

С самого начала Уилсон не хотел останавливаться на «Главном кольце», и у него были две идеи. Во-первых, он понял, что, если к комплексу добавить второй ускоритель, состоящий из мощных магнитов, они смогут удвоить энергию пучка. Они могли бы повторно использовать тот же туннель для создания пучков с энергией 1000 ГэВ или 1 ТэВ, достигая тем самым «тера-масштаба» и потенциально получая совершенно новые возможности. Во-вторых, он хотел построить машину, которая могла бы сталкивать частицы непосредственно друг с другом, а не с фиксированной целью: построить коллайдер, а не просто ускоритель.

Новое кольцо, получившее название «Удвоитель энергии», но позже переименованное в Тэватрон, должно было находиться непосредственно под «Главным кольцом», где Уилсон выделил для него достаточно места. План состоял в том, чтобы сначала ускорить протоны в существующем «Главном кольце», а затем передать пучок в кольцо Тэватрона, где он достигнет энергии в 1 Тэ В. Удержать на траектории настолько высокоэнергетические частицы возможно только с магнитной технологией совершенно нового типа, которая могла бы создавать магнитное поле в два раза большее, чем магнитное поле «Главного кольца». Обычные электромагниты, изготовленные из железа и меди, уже не подходили, поэтому Уилсон планировал использовать сверхпроводящие магниты, называемые так потому, что они сделаны из материалов, которые могут выдерживать огромный электрический ток, не выделяя тепла.

Сверхпроводящие материалы теряют все электрическое сопротивление ниже определенной температуры, обычно около –270 градусов по Цельсию – эффект, впервые обнаруженный еще в 1911 году. Пятьдесят лет спустя были обнаружены первые сверхпроводящие материалы[258], которые можно было сформировать в провода. Теоретически эти провода могли бы создавать сильное магнитное поле. Проблема заключалась в том, что никто никогда не делал магнит ускорителя таким образом. Как всегда, Уилсон был впереди и в 1972 году запустил программу по созданию сверхпроводящих магнитов – поразительный шаг за пять лет до того, как Ледерман и команда E288 обнаружили ипсилон.

Второй аспект смелого видения Уилсона заключался в столкновении двух лучей вместе, и это было не менее сложно. Столкновение частиц лоб в лоб – почти невыполнимая задача, поскольку каждая отдельная частица настолько мала, что ее шансы столкнуться с другой частицей ничтожны. Но Уилсон настаивал на своем плане, видя в нем небывалые перспективы. В предыдущих ускорителях, где высокоэнергетические пучки разбивались о неподвижные мишени, сохранение энергии диктовало, что большая часть энергии в пучке уходит на выбивание частиц из мишени и их унос. Только ограниченная часть этой энергии идет на создание новых частиц. В физике элементарных частиц мы называем это энергией центра масс, и в случае, когда луч с энергией 1 ТэВ попадает в цель, на создание частиц уходит всего 43,3 ГэВ полезной энергии. Любые частицы с массой выше 43,3 ГэВ просто нельзя создать.

Именно это Уилсон хотел улучшить. При лобовом столкновении вся поступающая энергия переходит в энергию центра масс, поэтому два сталкивающихся пучка с энергией 1 ТэВ будут иметь энергию центра масс 2 ТэВ, для достижения которой в традиционных экспериментах с мишенями потребовался бы ускоритель в десятки раз больше. Как бы ни было сложно построить коллайдер, его преимущества казались очевидными.

Первоначальное «Главное кольцо», конечно, было тоже непросто построить, но идея нового коллайдера казалась и вовсе безумной. Были риски в каждом отдельном аспекте, и все детали надо было производить на заказ. Для нового кольца требовалось 774 ниобий-титановых сверхпроводящих дипольных магнита, охлаждаемых в жидком гелии, чтобы изогнуть луч по кругу, и дополнительные 216 квадрупольных магнитов для его фокусировки. Нужны были также запасные части на случай практически неизбежных поломок. Ни одна компания не знала, как создавать такие магниты, собственно, как и Фермилаб. Элвин Толлеструп, один из ведущих разработчиков, представил эту идею своим европейским коллегам в ЦЕРНе. Как он позже вспоминал: «Ребята сидели и смеялись… Они думали, что мы чокнутые»[259]. Физики из ЦЕРНа знали, что никто в мире не способен создать магниты, нужные для Тэватрона, и, конечно, не в требуемом количестве. Как можно сделать то, что никогда раньше не производилось, в масштабах, которые кажутся почти смешными, поскольку ни одна компания ничем подобным не занималась?

Первым шагом было найти сырье для магнитов. В 1974 году лишь несколько специализированных компаний продавали ниобий-титановый сверхпроводящий материал для высокотехнологичных устройств, и большинство заказов было всего на несколько граммов или, самое большее, на несколько килограммов. Команда Фермилаба спросила, сколько будет стоить тонна. Позже в том же году они разместили заказ на закупку ошеломляющего количества ниобий-титана, эквивалентного 95 % материала, который когда-либо производился.

Поскольку сырье было в пути, следующим этапом было выяснить, как превратить его в кабели. Многие пытались и потерпели неудачу, но в лаборатории Резерфорда – Эплтона в Великобритании команда ученых придумала способ вытягивания драгоценного ниобий-титанового материала в очень тонкие волокна и встраивания тысяч этих волокон в медную матрицу с образованием нитей проволоки, которая в конечном итоге формировала кабель. Звучит просто, если знать, как это делается, но команде Фермилаба пришлось научиться этому с нуля.

Затем в лаборатории решили передать производство проводов на аутсорсинг, отдав сырье и рецепт того, как добиться идеальной длины проволоки. Фермилаб не стал патентовать процедуру изготовления проводов, сделав ее общедоступной и открыв конкуренцию для производителей за поставку готового кабеля для своего огромного проекта. Как только кабель был изготовлен, его скрутили в катушки и подключили к источнику энергии для создания магнита.

Вся эта осторожность и точность необходимы для того, чтобы предотвратить квенч – явление, когда крошечные тепловые эффекты могут привести к тому, что магнит потеряет свое сверхпроводящее состояние и внезапно нагреется. Причем квенч – это не просто небольшое затруднение: при нем выделяется огромное количество энергии, и если его не предотвратить, то магнит и его источник питания могут просто взорваться. Сверхпроводящие магниты чрезвычайно деликатны.

Сегодня у нас за плечами десятилетия исследований, но в 1970-х годах никто не понимал, как сделать такой магнит, и было очень мало теоретических знаний о возможных сложностях. Уилсон, сам опытный мастер, осознал стоящую перед ними задачу и решил создать «фабрику сверхмагнитов», поставив во главе Толлеструпа. Магниты были настолько чувствительны к изменениям, что Толлеструп решил: при каждой попытке следует менять только одну переменную. Другого выхода не было, только метод проб и ошибок.

Между 1975 и 1978 годами было произведено около 100 30-сантиметровых магнитов, в каждом были небольшие отличия от других, чтобы выяснить, какой прототип лучше подойдет. Если короткий прототип показывал многообещающие результаты, ученые создавали более длинную версию, пока в конце концов не получался полномасштабный магнит длиной 6,7 м. Опыт показал, что любые незначительные изменения в методе создания могут привести к катастрофе. Тот факт, что в своей мини-версии магнит хорошо работает, вовсе не гарантирует, что в длинной версии все будет как надо[260].

Метод исследований и разработок Фермилаба, безусловно, считался необычным в то время. Команда создала производственное ноу-хау, позволяющее увеличить производство от отдельных рабочих магнитов почти до тысячи единиц, и все это своими силами. Физикам была нужна уверенность, что они могут контролировать мельчайшие детали и достигать необходимого уровня качества и согласованности. Они должны были быть уверены, что все магниты абсолютно одинаковы, что нет никаких дефектов или различий, которые могли бы иметь катастрофическое влияние на протонный пучок. Только после столь интенсивного многолетнего труда магниты можно было наконец собрать в кольцо и превратить его в ускоритель частиц.

Вся эта разработка магнитов велась одновременно с поиском ипсилона, его открытием и вычеркиванием из записей, а затем повторным и окончательным занесением в ряд частиц. Уилсон разделил усилия сотрудников и попросил некоторых из них сосредоточиться исключительно на Главном кольце, в то время как другие работали над Тэватроном. Среди последних и все больше разочаровывающихся была Хелен Эдвардс. У нее, как и у некоторых других, были опасения по поводу Тэватрона, поэтому вместе они образовали неофициальный «Комитет по подземным показателям», занимающийся вопросами проектирования. Уилсон поддержал работу Комитета, когда узнал о ней.

Но техническими проблемами все не ограничилось. В Фермилабе не хватало денег, а правительство еще не утвердило финансирование Тэватрона. В 1978 году, в условиях нехватки финансирования и пока так и не реализованной идеи Тэватрона, Уилсон постепенно разочаровывался в своей роли директора. В конце концов он решил уйти, передав роль руководителя лаборатории Леону Ледерману, который должен был принять решение – и быстро – о том, будут ли они продолжать работу с новым кольцом или сократят расходы и переделают в коллайдер само Главное кольцо. Конкуренция со стороны ЦЕРНа была безжалостной. Они уже превратили Протонный суперсинхротрон в коллайдер с энергией пучка 270 ГэВ, что дает энергию центра масс 540 ГэВ, достаточную для поиска тяжелых частиц.

В ноябре 1978 года Ледерман организовал обзорную встречу, более известную как «перестрелка». Сторонники и противники создания Тэватрона представили свои аргументы, а эксперты из других лабораторий были привлечены в качестве судей. Вместе они пришли к убеждению, что не смогут конкурировать с ЦЕРН, сделав коллайдер из Главного кольца. Они также пришли к выводу, что, несмотря на все риски, Тэватрон осуществим. В ходе этих дебатов стало очевидным второе преимущество сверхпроводящих магнитов. Поскольку цены на нефть стремительно росли, а нехватка электроэнергии была в полном расцвете, счета Фермилаба за электроэнергию достигали примерно 10 млн долл. в год, что составляло огромную часть эксплуатационных расходов лаборатории. Но сверхпроводящие магниты могут заряжаться энергией, а затем продолжать работать, что позволит лаборатории сэкономить около 5 млн долл. в год на счетах за электроэнергию.

К концу двухдневных дебатов Ледерман принял решение: они продолжат работу над Тэватроном. Недавно созданное Министерство энергетики согласовало поэтапный план. Команда Фермилаба должна была продемонстрировать цепочки магнитов, надежно работающих сначала в испытательном зале, а затем в главном туннеле, прежде чем проект будет утвержден.

Руководство проектированием и строительством Тэватрона было очень важной задачей, и Ледерман поручил ее Хелен Эдвардс и Ричу Орру. Орр – физик, родом из Айовы, известен своим спокойным поведением. Он помогал строить мезонную лабораторию и, как и Эдвардс, стал хорошо известен умением объединять людей и двигать их к успеху. Вместе они были отличным дуэтом, знающим, как расставить приоритеты, что оказалось критически важным в проекте такого размера, как Тэватрон.

Испытание магнита прошло без сучка и задоринки. Все было настолько успешно, что решили еще больше разогнать магниты, повысив силу тока до 4000 ампер, чтобы вызвать квенч. Все системы защиты сработали великолепно, выпустив кипящий гелий и защитив магниты. Затем попытались вызвать электрические дуги, но, как позже рассказывал Рич Орр, «сломать магниты просто невозможно». Они были готовы к работе. Производство увеличилось, фабрика магнитов перешла на полную мощность, и рабочие проводили в туннеле чуть ли не круглые сутки, прокладывая трубы и соединения, выполняя электромонтажные работы и устанавливая магнит за магнитом.

К середине июня 1983 года команда Фермилаба запустила луч в кольцо Тэватрона. Две недели спустя, 3 июля, энергия луча достигла 512 ГэВ, что стало новым мировым рекордом. Фермилаб опередил своих европейских соперников, и газеты возвещали о его успехе. Но Эдвардс и Орру предстояло еще более сложное испытание: превратить машину в коллайдер, способный разбивать протонный пучок об антипротонный.

Идеи создания коллайдеров существовали с 1950–1960-х годов[261]. Первый небольшой электронный коллайдер назывался AdA (Anello Di Accumulazione – накопительное кольцо) и был создан во Фраскати, Италия, в 1961 году. ЦЕРН построил первый протонный коллайдер под названием ISR (от англ. Intersecting Storage Rings – пересекающиеся накопительные кольца) в 1971 году, он был способен достигать энергии центра масс в 60 Гэ В. Обладая почти в 40 раз большей энергией, чем у ISR, Тэватрону предстояло сталкивать протоны и антипротоны в масштабах, намного превосходящих те, что были раньше.

Чтобы коллайдер заработал должным образом, требуется много технической изобретательности. Плотность пучка частиц ниже, чем у твердой или жидкой мишени, поэтому пучки должны пересекаться много раз, и в каждом пучке должно быть как можно больше частиц. Как только протоны и антипротоны оказывались в кольце, требовалось около 20 секунд, чтобы разогнать пучки до 1 ТэВ, чтобы затем магниты направили их по пересекающимся траекториям.

Наконец, когда все части сложились воедино, 30 ноября 1986 года[262] столкнулись первые протонные и антипротонные пучки. Физики ускорителей совершили невозможное: запустили крупнейший в мире сверхпроводящий ускоритель. Но там, где заканчивалась их работа, начиналась работа физиков-экспериментаторов.

К началу 1970-х годов многие открытия, которые мы уже видели, были математически сведены воедино, чтобы сформировать одну всеобъемлющую теорию – Стандартную модель физики элементарных частиц. Стандартная модель включает в себя все частицы, которые были открыты, начиная с электрона, мюона, тау и нейтрино, заканчивая кварками и образуемыми ими частицами: протонами, нейтронами вместе с пионами, каонами, резонансными частицами и так далее. Однако оставалось найти еще один кварк – топ-кварк. Ожидалось, что он будет тяжелым, поэтому для его обнаружения потребуются столкновения с максимально возможной энергией. Вот что мотивировало экспериментаторов, построивших Тэватрон.

Международные команды физиков приступили к проведению двух крупных экспериментов, которые включали в себя создание двух огромных детекторов вдоль кольца, где сталкивались лучи Тэватрона. Первая экспериментальная группа построила детектор столкновений, известный как CDF (от англ. Colliding Detector at Fermilab), и выбрала Элвина Толлеструпа и Роя Швиттерса в качестве докладчиков. Сотрудничество началось быстро: физики из Пизанского университета в Италии и Цукубского университета в Японии присоединились к коллегам из примерно 10 американских институтов. CDF представлял собой огромный 4500-тонный многослойный цилиндрический детектор, встроенный в сверхпроводящий соленоид, чья задача – изгибать частицы и определять их импульс. Различные слои детектора чувствительны к различным частицам, что позволило восьмидесяти семи ученым, работавшим над детектором, измерять энергию, заряд и тип частиц, а также создавать цифровые реконструкции осколков от столкновений частиц. Все слои теперь были полностью электронными, поэтому сбор данных и вычисления стали неотъемлемой частью эксперимента. Для создания детектора каждое сотрудничающее учреждение взяло на себя ответственность за разные части детектора, а также за финансовые и технические аспекты его создания и доставки. В конце концов его собрали воедино и в 1986 году начался сбор данных.

После CDF был построен второй детектор, DZero (названный так из-за его расположения в кольце). Команде DZero нужно было кое-что наверстать, но в конечном итоге сотрудничество выросло до размеров, аналогичных CDF, и в итоге обе группы насчитывали несколько сотен человек. Два эксперимента были необходимы для того, чтобы обеспечить независимую проверку любого нового явления. DZero был немного более громоздкий, чем CDF: он весил 5500 тонн и достигал высоты более четырех этажей, со слоями детекторов, похожих на CDF. DZero начал собирать данные в 1992 году.

Эти два невероятных устройства представляли собой новый тип детектора частиц, который окружал экспериментальную установку. Детекторы были настолько сложными и дорогостоящими, что их нельзя было демонтировать в конце эксперимента, как бывало раньше. Вместо этого они должны были стать многоцелевыми и оставаться на месте. Были заявлены беспрецедентные масштабы экспериментов, которые физики планировали провести на этом новом коллайдере, – они могли длиться дольше, чем того требует получение докторской степени или постоянная преподавательская работа. Даже руководитель экспериментов брал бразды правления в свои руки лишь на некоторое время, а затем передавал их другому коллеге. Это была уже не просто Большая наука – это была меганаука. Из национальной лаборатории Фермилаб превратился в по-настоящему международную, а к программе продолжали присоединяться исследователи из многих уголков мира.

Два эксперимента должны были обеспечить независимую проверку любого нового явления. К концу 1993 года обе команды осторожно начали говорить о доказательствах существования шестого кварка, топ-кварка, но им требовалось больше времени и больше данных, чтобы соблюсти уровень статистической значимости в 5 сигм. Наконец, в 1995 году обе команды объявили об открытии топ-кварка. Последняя частица Стандартной модели найдена – безусловно, самая тяжелая элементарная частица. Топ-кварк весит больше, чем атом золота, несмотря на то что он является точечной частицей, как и электрон. Время его жизни составляет всего полутриллионную триллионной доли секунды (5 × 10^–25 секунд), после чего он распадается на следующий тяжелый кварк, боттом-кварк[263]. Топ-кварк настолько недолговечен, что у него нет времени объединяться с другими кварками, поэтому, в отличие от других кварков, которые всегда объединяются, топ-кварк проводит свою невероятно короткую жизнь в одиночестве. И вот двадцатилетнее путешествие с момента открытия b-кварка в 1970-х годах в ипсилоне привело к знаменательному открытию его партнера – t-кварка, и это достижение попало в заголовки газет по всему миру.

Трудно переоценить сложность нахождения такой частицы, как топ-кварк, поскольку вероятность встретить его среди обломков столкновения частиц невероятно мала. Для этого физики-экспериментаторы должны были быть экспертами не только в практических экспериментах, но и в статистике и вычислительных методах. Это был совершенно иной набор навыков, чем у их коллег всего двадцатью годами ранее. В значительной степени виной тому то, что взаимодействия частиц вероятностны по своей природе, как диктует квантовая механика. Не все в эксперименте можно рассчитать вручную, и не было смысла проводить эксперимент, не способный найти топ-кварк или другие частицы и процессы, которые искали ученые, поэтому подготовка была необходима. Так как же все просчитать? Используя компьютерное моделирование, физики могут ввести всю известную теоретическую информацию и соответствующие вероятности, а затем использовать подход, известный как метод Монте-Карло, чтобы получить обзор статистических результатов эксперимента.

Название этого метода происходит от знаменитого «ложного вывода Монте-Карло», или ошибки игрока, в основе которого лежит идея о том, что, хотя одно событие может быть непредсказуемым, исход многих событий можно определить. История выглядит так.

В 1913 году в казино Монте-Карло в Монако шарик рулетки выпал на черное 26 раз подряд. Вероятность того, что это произойдет, составляет один к 66,6 миллиона, но вероятность выпадения черного при каждом вращении всегда одинакова – 50 %. С каждым новым вращением игроки считали, что в следующий раз наверняка выпадет красное. По мере того как количество вращений, выпадающих на черное, увеличивалось с 8, 9, 10 и более, они были настолько уверены, что на следующем вращении должно выпасть красное, что ставили миллионы франков. И все теряли. Единственный гарантированный способ не потерять деньги, делая ставки на такого рода статистические игры, – это продолжать увеличивать свою ставку каждый раз, когда вы проигрываете, так что при выигрыше вы возместите свои предыдущие потери. Это не только психологически чрезвычайно сложно, но и обычно не допускается в казино, поэтому размер ставки ограничивается и казино выигрывает.

Предсказуемые результаты вращений колеса рулетки вдохновили математиков, включая Станислава Улама и Джона фон Неймана, еще в 1946 году, когда Улам работал в Лос-Аламосе. Его команда столкнулась с проблемой, когда им нужно было рассчитать рассеяние нейтронов в определенном веществе. Они знали среднее расстояние, которое должен пройти нейтрон, прежде чем он ударится об атомное ядро, и знали, сколько энергии задействовано в столкновении, но, несмотря на это, не смогли вычислить ответ математически. Улам лежал в больнице, восстанавливаясь после операции, и пытался прикинуть шансы на удачную комбинацию, раскладывая пасьянс, когда ему в голову пришла идея: почему бы не провести целый ряд испытаний наподобие вращения колеса рулетки, подбрасывания монеты или раскладывания пасьянса и не подсчитать, что произойдет в каждом случае? Проследив результаты различных серий столкновений, определяемых известными вероятностями, для большого числа нейтронов, можно определить их общее рассеяние. Один из коллег Улама назвал этот метод методом Монте-Карло.

По мере роста вычислительной мощности эти методы становились все более и более точными. Общая идея состоит в том, чтобы избежать выполнения невероятно длинных – или даже невозможных – вычислений вручную и вместо этого выполнить большое количество случайных испытаний. Физика элементарных частиц была на передовой этих разработок, так что ко времени создания Тэватрона физики уже вовсю использовали сложные компьютерные технологии для моделирования методом Монте-Карло, проектирования детекторов, моделирования результатов экспериментов и многого другого.

Таким образом, физики-экспериментаторы могут создавать наборы данных, очень похожие на ожидаемые ими результаты эксперимента. Они могут разработать алгоритмы для анализа ожидаемых данных еще до того, как эксперимент будет осуществлен, что позволяет им проверить связанные с ним неопределенности и посмотреть, есть ли у эксперимента шанс получить статистически значимый результат (а учитывая то, как привередливо мы относимся к статистической значимости, это стоит того!). Если существует теоретическая модель частицы или взаимодействия, они могут даже сгенерировать искомый «сигнал» и спрятать его на фоне остальных, чтобы проверить, насколько успешно алгоритм анализа справляется с его поиском.

Столь сложная подготовка означает, что физики могут запустить свои алгоритмы анализа, как только у них появятся реальные экспериментальные данные, и проверить, отличны ли они от моделирования. Если да, тут налицо новое физическое явление. При подготовке эксперимента по обнаружению редких взаимодействий, например создание топ-кварка, это лучший метод, позволяющий гарантировать нахождение малых сигналов среди всех известных физических эффектов. Таким образом, среди бесчисленных миллиардов столкновений частиц в Тэватроне физикам удалось идентифицировать несколько десятков топ-кварков.

Такой высокий уровень статистической подготовки, которой владеют физики, может иметь некоторые необычные последствия. Однажды за выпивкой на конференции Ферми-лаба американские коллеги поделились со мной историей об одной конференции Американского физического общества 1986 года – крупнейшем собрании физиков в Соединенных Штатах. Организаторам пришлось в кратчайшие сроки найти новое место для проведения мероприятия на целых 4000 физиков. Естественно, они выбрали город, который проводит более 21 000 конференций в год, – Лас-Вегас. Вместо азартных игр физики предпочитали собираться за столами с бесплатной выпивкой, брать бумагу и ручки и проводить вычисления прямо во время разговора. Так, не сговариваясь, они коллективно совершили единственный ход, который гарантировал выигрыш: вовсе не стали играть в азартные игры. В результате отель пережил худшую финансовую неделю за всю свою историю. Конференция стала такой катастрофой для отеля, что в конце недели Лас-Вегас официально попросил их больше не возвращаться. История абсолютно правдива.

Но отложим фольклор в сторону. Статистическая грамотность и опыт, связанные с методом Монте-Карло, означают, что физики элементарных частиц чрезвычайно хорошо умеют моделировать процессы и системы за пределами физики, поэтому они пользуются большим спросом. Моделирование методом Монте-Карло используется повсюду: в прогнозировании погоды и финансовой сфере, в телекоммуникациях и инженерии, в вычислительной биологии и даже в юриспруденции. Многие мои знакомые со студенчества нашли работу в консалтинге, банковском деле, моделировании климатических изменений и эпидемиологии. Я помню, как многие мои друзья, перешедшие в эти области, выражали искреннее удивление тем, что уровень вычислительной и статистической подготовки их новых коллег ограничивался работой с простейшими электронными таблицами.

Тэватрон был амбициозным проектом во многих отношениях, но самое впечатляющее – это его влияние на технологию сверхпроводящих магнитов. Еще в 1940-х годах физики поняли, что сильные магниты могут выравнивать атомы водорода внутри человеческого тела и что, используя определенную последовательность магнитных полей и радиоволн, можно анализировать различные вещества внутри тела, включая расположение отдельных атомов водорода. Первоначально этот метод назывался «ядерный магнитный резонанс», или ЯМР, позже он был переименован в магнитную резонансную томографию, или МРТ. Когда этот метод был только разработан, не было способа создать достаточно сильные магнитные поля, которые доказали бы полезность и коммерческую жизнеспособность МРТ. Но Тэватрон все изменил.

Амбициозный проект Фермилаба создал спрос и предоставил знания, необходимые для промышленного производства высококачественной сверхпроводящей проволоки. Были задействованы два основных производителя: Intermagnetics General Corporation (IGC), поставлявшая 80 % проволоки, и Magnetic Corporation of America (MCA), на которую приходились оставшиеся 20 %. Другие поставщики стали появляться по мере приспособления физиками высоких энергий сверхпроводящих технологий для более широкого применения. В ЦЕРНе была разработана большая пузырьковая камера с использованием сверхпроводящих магнитов, а в области ядерной энергетики – большие устройства магнитного контроля, называемые токамаками, в которых также использовали сверхпроводящий провод[264]. Рынок взлетел, и сверхпроводящие магниты стали доступны для широкого использования.

Сегодня коммерчески доступные МРТ-сканеры используются для получения изображений внутренних органов и тканей человеческого тела. Они дополняют компьютерную томографию, которую мы уже рассмотрели, но МРТ уникальна тем, что для получения изображений она не использует никакого ионизирующего излучения. Сегодня вы найдете такие сканеры в большинстве крупных больниц развитых стран, где они используются для более точного и раннего выявления многих видов рака, а также для получения изображений позвоночника, сердца, легких и других органов. В последние пять лет МРТ-сканеры даже были объединены с ускорителями для лучевой терапии (см. главу 10) в новое устройство – МР-линейный ускоритель, позволяющий с помощью выведения изображения проводить терапию и менять дозу лечения в зависимости от ежедневных изменений формы, размера и положения опухоли[265].

Помимо применения в больницах, множество МРТ-сканеров используется в исследовательских лабораториях. Метод функциональной МРТ способен показать, где в мозге протекает кровь, что указывает на области мозговой активности. Это способствовало революции в понимании работы мозга, природы сознания и формирования воспоминаний. Это также привело к открытию нейротоксинов, которые выводятся из нашего мозга во время сна, что может способствовать лучшему пониманию того, как можно помочь страдающим болезнью Альцгеймера.

В настоящее время мировой рынок МРТ-сканеров составляет 10 млрд долл. в год и постоянно растет[266]. Одни только МРТ более чем доказывают первоначальный довод Боба Уилсона, когда он заявил перед Конгрессом, что Тэватрон приведет к появлению новых технологий. Хотя для того, чтобы это стало возможным, потребовались десятилетия исследований, сейчас инвестиции кажутся более чем оправданными. Конечно, физики из Фермилаба не могут претендовать на изобретение методов магнитно-резонансной томографии. Но без магнитных инноваций, необходимых для создания Тэватрона, сверхпроводящие технологии, применяемые теперь в больницах, могли бы и не стать реальностью.

Технология сверхпроводящих магнитов также была применена в областях, не связанных с ускорителями частиц и магнитно-резонансными томографами. Физики из Брукхейвена добились успеха благодаря своему патенту 1968 года на концепцию Маглева – транспортной технологии, которая использует сверхпроводящую магнитную левитацию и в настоящее время применяется в некоторых самых быстрых поездах в мире. Сверхпроводящие магниты также используются в производстве и передаче электроэнергии, экспериментальных термоядерных реакторах и системах хранения энергии. Как говорил Роберт Марш из корпорации Teledyne Wah Chang, ныне крупнейшего в мире поставщика сверхпроводящих сплавов, «каждая программа в области сверхпроводимости, существующая сегодня, в какой-то мере обязана тому факту, что команда Фермилаба построила Тэватрон и он заработал»[267].

Когда Тэватрон обнаружил топ-кварк, физикам в Соединенных Штатах пришлось проглотить горькую пилюлю. Несмотря на все успехи, теперь собственное правительство заставило их передать эстафету мировой известности в области физики высоких энергий Европе.

Пока Уилсон и Эдвардс изобретали Тэватрон в середине 1970-х годов, начали появляться теории, указывающие на новые идеи с привлекающими внимание названиями, такими как суперсимметрия, техницвет и теория струн. Все они были едины в предсказании того, что за пределами энергетической досягаемости Тэватрона можно найти что-то еще. Более того, в Стандартной модели – кульминации десятилетий исследований в области физики высоких энергий – все еще недоставало последнего кусочка. Стандартная модель предсказывала существование еще одной частицы, которое нужно было подтвердить или опровергнуть. Эта частица – бозон Хиггса, переносчик силы (со спином 0), частица, масса которой неизвестна. Леон Ледерман попытался подчеркнуть важность этого недостающего фрагмента головоломки, назвав его «частицей Бога».

Было понятно, в каком направлении движется физика высоких энергий. Все эти идеи требовали ускорителей, которые могли бы сталкивать частицы при энергиях, превышающих возможности Тэватрона. Но бюджет, который правительство США было готово выделить на эту авантюру, был ограничен и даже сокращался. Соединенные Штаты наблюдали, как Европа объединилась для строительства ЦЕРНа, где они только что начали рыть огромный туннель длиной 27 км, пересекающий Францию и Швейцарию, для размещения своей следующей машины. Чтобы обойти ЦЕРН, надо было объединить усилия по всему миру и создать то, что они назвали Всемирной лабораторией.

Леон Ледерман был убежденным сторонником создания новой машины с привлечением мировых партнеров, которые помогли бы оплатить ее строительство, и еще в 1976 году возникла идея создания коллайдера, в 20 раз более мощного, чем Тэватрон. Физики набросали кольцо длиной 87,1 км, сделанное из сверхпроводящих магнитов, для столкновения двух пучков с энергией 20 ТэВ, и назвали его Сверхпроводящим суперколлайдером (SSC – Superconducting Super Collider). Они заверили правительство, что этот проект вернет США лидерство в области физики высоких энергий. Проект такого масштаба принесет престиж и даже стимулирует местную экономику, создав, по оценкам, 13 000 рабочих мест. Фермилаб хотел разместить машину в Иллинойсе, но штат Техас выиграл тендер, и был выбран участок в Уоксахачи, в 48 км к югу от Далласа. Проект был одобрен в 1983 году, и к середине 1980-х бригады землекопов приступили к рытью огромных туннелей. Физик Рой Швиттерс из Техасского университета в Остине, который руководил экспериментом CDF, возглавил проект.

Тогда и начались проблемы. Чтобы взяться за такой крупный проект, Министерство энергетики попыталось навязать военно-промышленный стиль работы, который совсем не понравился ученым. Ученых обвинили в неумелом руководстве и неспособности контролировать бюджет и график. Доверие к ним пошатнулось. В 1987 году был проведен аудит проекта, после чего последовали горячие дебаты по поводу его высокой стоимости, оцениваемой в 4,4 млрд долл. Вложения в коллайдер составляют почти столько же, сколько и вклад NASA в Международную космическую станцию. Однако, в отличие от космической станции, SSC не соответствовал видению Всемирной лаборатории. Националистическая риторика ведущих физиков высоких энергий Соединенных Штатов завоевала благосклонность их правительства, но не понравилась глобальным партнерам, включая Канаду, Японию, Индию и Европу. Дела пошли совсем плохо, и ни одна из стран-партнеров не взяла на себя обязательство финансировать проект, за исключением обещания Индии выделить 50 млн долл.

К 1992 году Соединенные Штаты переживали спад в экономике, а бюджет проекта раздулся до 12 млрд долл. Советский Союз распался, так что, казалось, было мало причин доказывать превосходство США с помощью мегапроектов. Конгресс хотел покончить с новой машиной. Уже было вырыто 22,5 км туннеля, потрачено 3 млрд долл., построены здания для размещения ученых и мастерских. Были наняты две тысячи человек, сотни из которых – ученые, последовавшие замыслу грандиозного проекта и перевезшие свои семьи из разных стран, таких как Япония, Индия и Россия. Они считали, что такой масштабный и уже развивающийся проект не могут отменить. В последнюю минуту вмешался президент Билл Клинтон, попытавшийся спасти коллайдер, и заявил Конгрессу, что, закрыв проект, они положат конец более чем тридцатилетнему успеху фундаментальной науки.

Но ничего нельзя было поделать. Конгресс решил закрыть проект, и 1 октября 1993 года Клинтон с сожалением подписал акт, поставивший крест на мечте. Сверхпроводящий суперколлайдер остался не более чем частично отстроенным туннелем. Можно извлечь много уроков из неудачи SSC, но в моем видении главное тут – понимание того, что Большая наука не националистический инструмент доминирования на мировой арене. Сотрудничающие страны ожидали, что в таких масштабных начинаниях к ним будут относиться как к партнерам, а не как к младшим братьям и сестрам. Будь SSC действительно международной Всемирной лабораторией, как задумывалось изначально, возможно, все сложилось бы по-другому. Позже здания были приобретены химическим производителем Magnablend, и сегодня подземные туннели собирают дождевую воду. Ходят слухи, что некоторые предприниматели используют эти темные влажные помещения для выращивания органических грибов.

Несмотря на кончину своего преемника, Тэватрон все же показал себя замечательным проектом, который проложил путь сверхпроводящим ускорителям по всему миру. В результате последний кварк в Стандартной модели – топ-кварк – был найден. Пока его искали, физики из ЦЕРНа обнаружили тяжелые частицы W– и Z-бозоны, переносчики слабого взаимодействия, которые помогли укрепить Стандартную модель физики элементарных частиц. Наконец, в 2000 году Тэватрон обнаружил тау-нейтрино, завершив список частиц материи в Стандартной модели. Тем не менее все еще не хватало одного кусочка головоломки – бозона Хиггса.

Помимо этого недостающего элемента, теоретики и экспериментаторы оказались на перепутье: теоретики указывали на физику, выходящую за пределы Стандартной модели, а экспериментаторы были готовы исследовать даже самые труднодоступные частицы с помощью больших коллайдеров. Неужели теория всего наконец так близка? Нужен только правильный коллайдер, чтобы это выяснить. Экспериментаторы Тэватрона запустили программу поисков бозона Хиггса в 2001 году, но для многих других фокус переместился за океан, в Европу. В ЦЕРНе была сконструирована машина, основанная на сверхпроводящем наследии Тэватрона. Вот-вот оживет Большой адронный коллайдер.

Глава 12

Большой адронный коллайдер: бозон Хиггса и не только

10 сентября 2008 года физики всего мира с нетерпением ожидали запуска самой большой машины на Земле – Большого адронного коллайдера. БАК представляет собой кольцевой протон-протонный коллайдер длиной 27 км, построенный в ЦЕРНе недалеко от Женевы, в 100 метрах под землей на границе между Францией и Швейцарией. Идея создания машины возникла в 1984 году, была одобрена Советом ЦЕРН в 1994 году, и после двух с половиной десятилетий разработки коллайдер должен был впервые ускорить протоны. Для валлийского физика Линдона (Лина) Эванса, руководителя проекта с момента его запуска в 1994 году, это была кульминация всей его карьеры.

Эванс производит впечатление скромного, доброго и практичного человека[268]. Скромность проявляется и в том, что он редко упоминает свою карьеру в интервью, но его прозвище немного его выдает: «Эванс-атом» – вот сила, стоящая за БАКом. Эванс работает в ЦЕРНе с 1969 года, но его карьера всегда уводила его туда, где требовался его опыт в строительстве коллайдеров все более высоких энергий: от Протонного суперсинхротрона мощностью 300 ГэВ в ЦЕРНе до Тэватрона в Фермилабе и Сверхпроводящего суперколлайдера в Техасе. Когда последний проект отменили, БАК стал будущим физики элементарных частиц, а его воплощение – raison d’être (смыслом жизни) Эванса. «Нет ничего большего, чего мог бы надеяться достичь ученый», – сказал он[269].

Масштаб работы Эванса, который до сих пор испытывает благоговейный трепет каждый раз, когда входит в туннель БАКа[270], невозможно переоценить. Его работа по созданию коллайдера включала в себя надзор за примерно 2500 сотрудниками ЦЕРНа, а также еще 300 учеными и инженерами из России, Китая, Соединенных Штатов и других стран, которые поставляли компоненты для ускорителя. Эванс вспоминает, что, когда он встретился с президентом Китая, про себя он подумал: «Неплохо для парня из Абердэра!»[271]

К сожалению, не все были так взволнованы запуском БАКа, как Эванс и его коллеги. В преддверии знаменательного дня некоторые новостные агентства пестрели заголовками вроде «Ученые “не уничтожат Землю”» и распространяли идеи о том, что БАК может создать черную дыру и уничтожить нас всех, что к тому же подпитывалось судебным делом, требующим остановить запуск машины. Такие теории заговора случаются каждый раз, когда запускается новый большой ускоритель. «Машина Большого взрыва может уничтожить Землю» – гласил заголовок в 1999 году, когда в США был запущен ускоритель RHIS («Релятивистский коллайдер тяжелых ионов»). Конечно, он исправно работает, и ничего ужасного не случилось.

Космические лучи постоянно бомбардируют Землю из космоса с гораздо более высокими энергиями – в тысячи раз превышающими энергии пучков Большого адронного коллайдера, – и делали это на протяжении всех 5 млрд лет существования Земли. Разница только в том, что БАК сталкивает частицы намеренно, по требованию ученых, и гораздо чаще, чем космические лучи. Все сообщество физиков элементарных частиц связывало свои надежды с этими столкновениями: они искали не только бозон Хиггса – недостающую часть Стандартной модели, – но все, что могло лежать за пределами нашего нынешнего понимания физики.

По окружности БАКа расположены четыре основных детектора, называемых ATLAS (акроним от англ. A Toroidal LHC ApparatuS – Тороидальный аппарат БАК), CMS (от англ. Compact Muon Solenoid – Компактный мюонный соленоид), ALICE (акроним от англ. A Large Ion Collider Experiment – Эксперимент с Большим ионным коллайдером) и LHCb (от англ. Large Hadron Collider beauty experiment – Эксперимент БАК по взаимодействию b-кварков). Их цели охватывают почти все важные вопросы физики элементарных частиц, от существования темной материи до причины, по которой мы чаще встречаем больше вещества, чем антивещества. Строительство БАКа и его экспериментов шли совершенно разными путями. БАК на 80 % обеспечивался ЦЕРНом, а вклад партнеров составлял примерно 20 %. Строительство огромных детекторов частиц, напротив, проводилось автономными группами ученых со всего мира, которые объединились в крупное международное сотрудничество, при этом вклад ЦЕРНа составлял только 20 %, включая предоставление подземных помещений и инфраструктуры.

ATLAS – это самый близкий эксперимент к основному кампусу ЦЕРНа в швейцарской коммуне Мерен, который посетители иногда могут увидеть, если им посчастливится попасть на экскурсию. Вход – непритязательная складская дверь, затем посетители проходят через зал размером с собор к огромному круглому отверстию в полу. Темнота – вот все, что можно увидеть за барьером. Вверху находится тяжелый металлический кран, его прочная сталь нужна для того, чтобы опускать целые фуры в глубины Земли. Каждая часть эксперимента ATLAS была спущена вниз через шахту, подобную этой, и собрана по кусочкам, как охлажденный жидким гелием огромный корабль в бутылке.

Посетители проходят через синюю металлическую клетку к серебристой двери лифта. Здесь каждый должен надеть синюю каску, поперек которой красуется надпись «ЦЕРН». Далее следует спуск на 100 метров под Землю. Волнение нарастает, вы выходите из лифта на металлическую дорожку, которая лязгает под ногами. За углом – стена, которая простирается на несколько этажей вверх и вниз. Только на самом деле это не стена. Она покрыта кабелями и электроникой, и вскоре вы понимаете, что это серия концентрических слоев детектора. Сам детектор ATLAS46 метров в длину и 25 метров диаметром, его размеры часто сравнивают с размерами собора, и нелегко представить, насколько же он огромен. Посетители пытаются осмыслить его многочисленные слои, от пиксельных детекторов в середине, точно отображающих треки частиц, до мюонных камер по краям, улавливающих частицы, которые могли пройти через первые слои незамеченными.

Экскурсия проходит дальше вниз по лестнице, вдоль вакуумной трубы, которая уходит через бетонную защитную стену. В тоннеле диаметром 3,8 м посетители затем подходят к одному из 10-метровых сверхпроводящих магнитов, окрашенному в синий цвет. Глаз тянется по длине этого магнита и дальше к следующему: за первым магнитом – более 1500 таких гигантов в петле тоннеля длиной 27 км, самого Большого адронного коллайдера. Изгиб круга настолько плавный, что кажется, что машина бесконечно уходит вдаль. Если увидеть его вблизи, то все кажется еще более нереальным, еще более запутанным в своей сложности.

Я впервые увидела ATLAS и БАК, когда проходила летнюю практику в ЦЕРНе. Я работала над системой управления нагревателями системы охлаждения внутреннего детектора ATLAS. Тема говорит сама за себя, на самом деле. Тема работы была далека от грандиозной физической задачи, которую я себе представляла, но вскоре я решила, что незначительность проекта не имеет значения. Главное, что я была там и что у меня был шанс принять участие в одном из величайших экспериментов, когда-либо созданных человечеством. На тот момент машина и ее детекторы все еще находились в стадии разработки, поэтому нас отправляли на экскурсии, чтобы мы могли увидеть своими глазами все подземные части эксперимента. Они казались мне гораздо интереснее, чем мой проект, пока я не поняла, что в (плохо) написанном мной коде было аварийное сообщение, которое можно было отправить по командной цепочке, чтобы отключить весь детектор ATLAS. После того как я увидела эксперимент своими глазами, проект внезапно показался мне куда более важным.

К 2005 году насчитывалось уже огромное количество студентов, стажеров, временных сотрудников и других лиц, которые внесли свой вклад в строительство коллайдера, наряду с тысячами физиков, инженеров и специалистов. Если уж новичку вроде меня было позволено посылать сигналы, способные остановить машину, если мои ошибки или никудышное программирование могли сорвать все предприятие, разумеется, законы статистики допускали то, что коллайдер мог и не включиться.

Три года спустя, в 2008 году, я наблюдала за экспертами в диспетчерской ЦЕРНа. В день запуска ЦЕРН сделал все, что должна делать любая открытая, прозрачная организация: они пригласили журналистов на запуск БАКа. В результате Эванс представил всему миру включение самой большой и сложной машины. Ленточное ограждение отделяло журналистов от рядов компьютерных экранов, расположенных в круглых капсулах, каждый из которых контролировал различные аспекты грандиозного эксперимента. Только несколько специализированных членов команды, ответственных за ввод в эксплуатацию крупнейшего в мире ускорителя, были допущены к управлению. Эванс был среди этих экспертов, и они, по понятным причинам, немного нервничали.

С началом дня возникли опасения. За одну ночь некоторые криогенные системы чуть не сорвали все планы. К утру все утряслось, и запуску был дан зеленый свет. Эванс руководил процессом, который мы называем «запуском тестовых пучков», многократно пропуская крошечные доли инжектируемого пучка через тысячи магнитов по одной секции за раз, корректируя орбиту при каждой попытке, чтобы последующие протоны оставались центрированными в вакуумной трубе. В 8:56 утра по британскому времени камеры сфокусировались на одном из многочисленных компьютерных экранов, на котором в виде вспышек отображались данные с мониторов положения пучка, слабые электрические сигналы от колеблющегося пути луча, проходившего через магниты в кольце за много миль от того места, где стояли операторы. Репортеры говорили, что протонный луч прошел более 6 км по кольцу. На нескольких встревоженных лицах появились улыбки. Две минуты, совсем немного настроек – и еще один пучок протонов прошел половину круга.

Через 20 минут, пройдя три четверти пути, луч достиг детектора ATLAS, и раздались спонтанные взрывы аплодисментов. Было слышно, как один из членов команды сказал: «Кажется, я выиграю свое пари: один час». К 9:24 утра луч один раз полностью обошел все кольцо. Теперь аплодисменты разразились по-настоящему. Все получилось.

Для команды это был триумф. Пол Коллиер, британский физик, возглавлявший отдел ускорителей ЦЕРНа, подытожил облегчение и усталость: «Я чувствую себя так, как будто я лично толкал частицы по кольцу». Все прошло гораздо более гладко и быстрее, чем ожидалось. Я была в восторге: эти эксперты справились с задачей, несмотря ни на что, создав машину, которая работала прекрасно, точно так, как было задумано.

Если в вашем воображении протонный пучок подобен лазерному лучу, я могу заверить вас, что это не так: на самом деле это беспорядочное сложное образование, которые мы видим на ранних стадиях развития галактик. Частицы в луче не являются пассивными участниками ни в их релятивистской веселой поездке, ни в их возможной катастрофической гибели. Каждый отдельный протон взаимодействует со всеми остальными и со своим окружением. Каждый протон в БАК вращается, притягивает и отталкивает остальных в своей вселенной длиной 27 км, образуя один из 2808 сгустков, расположенных на расстоянии всего 25 наносекунд друг от друга. Точные магнитные и электрические поля создают эти наноскопические галактики частиц и проводят их по кольцу 100 тысяч раз в секунду в течение нескольких дней подряд, пока они в конечном итоге не столкнутся друг с другом. При максимальной энергии, если лучи отклонятся от курса или вырвутся наружу, они могут превратить 600 кг твердой меди в лужу. Как вы можете себе представить, для того, чтобы все работало как надо, требуются самые яркие умы, самое совершенное компьютерное моделирование и лучшая инженерия, которая только существует на Земле.

К концу дня запуска Эванс и команда БАКа направляли пучки в обоих направлениях, и в экспериментах, включая CMS и ATLAS, уже наблюдались первые явления – не от столкновений пучков, а от столкновения высокоэнергетических частиц с частицами остаточного газа в камере пучка. Один за другим детекторы ожили и отреагировали, загоревшись треками частиц. Представители каждого эксперимента поспешили из своих диспетчерских в главный центр управления (примерно в 20 минутах езды), привезя с собой бутылки шампанского, завернутые в распечатки снимков первых электронных треков с их прекрасных детекторов.

В следующие несколько дней уехали съемочные группы, орбиты были стабилизированы, система окончательной фокусировки, предназначенная для сжатия луча перед столкновением, была запущена, и все пошло своим чередом. Оставалось только ускорить пучок до диапазона в несколько ТэВ и совершить первые столкновения. Затем, через девять дней после первого запуска, БАК взорвался.

Эксперты заявили, что произошел «серьезный инцидент». Когда они увеличили силу в магнитах – обычная процедура, – в одном из сверхпроводящих соединений между двумя магнитами случилось короткое замыкание. Такого не должно происходить. Сверхпроводящий провод вышел из своего сверхпроводящего состояния, создав внезапное электрическое сопротивление току в миллион ампер, что привело к выделению тепла. Огромного количества тепла. Оно превратило шесть тонн жидкого гелия в газ, расширяющийся настолько быстро, что выпускные клапаны, которые были разработаны специально для такого сценария, просто не справились. Взрыв физически вырвал из пола почти 30 магнитов весом по 35 тонн каждый. По появившимся изображениям туннеля можно сказать, что это было побоище. Изоляционный материал был разорван на части, а обломки уничтожили километры вакуумной трубы. Единственной милостью было то, что никто не пострадал, разве что несколько тысяч эго.

Потребовалось девять месяцев, чтобы восстановить машину, заменив поврежденные магниты запасными, увеличив соединения и каждый выпускной клапан, чтобы подобная авария не повторилась. Команда разбиралась в деталях произошедшего, как криминалист – в деталях преступления, открыто делясь всем на конференциях. Даже несмотря на то что сверхпроводящие синхротроны создавались и раньше, этот инцидент действительно выявил одну из трудностей создания чего-то такого большого и сложного: БАК единственный в своем роде.

Ремонт прошел успешно, и машина была перезапущена в 2009 году, пройдя этапы ввода в эксплуатацию и в конечном итоге увеличив мощность до полной энергии в 7 ТэВ в каждом пучке. За время эксплуатации машина зарекомендовала себя как элегантное существо, но управлять ею не менее сложно, чем в первый день. Удерживать лучи на заданном курсе – сложная задача, требующая как электронных, так и человеческих систем обратной связи. Операторам регулярно приходится вносить поправки на невероятно малые эффекты, включая движение земной коры из-за Солнца и Луны, уровень воды в Женевском озере и время прохождения скоростных поездов – все это влияет на движение протонов. Однако за более чем 10 лет не было никаких других крупных инцидентов.

При создании БАКа ЦЕРН и международное сотрудничество, которые стоят за каждым из экспериментов, должны были продумать эпические системы контроля качества, чтобы гарантировать, что все будет работать надежно, как только коллайдер окажется в этом подземном туннеле. По-настоящему я поняла только при работе над этой книгой, что код, который я написала еще студенткой, был передан профессионалу, проверен и доведен до совершенства в соответствии со строгими стандартами, прежде чем у него появился шанс быть использованным. Все предприятие БАК – это абсолютный триумф управления проектами, инженерии и сотрудничества.

С тех пор БАК продолжает работать бесперебойно, круглосуточно, как и вся цепочка инжекторов – серия ускорителей, которые подают пучки в БАК. В целом эта огромная система доставляет два пучка из сотен миллиардов протонов со скоростью, составляющей 99,999999 % скорости света, фокусирует их до толщины менее волоса, а затем сталкивает вместе. Так что же дальше? Физика, конечно.

К запуску БАКа Стандартная модель физики элементарных частиц, всеобъемлющая «теория почти всего, кроме гравитации», была завершена в своих теоретических деталях. Как мы уже видели, Стандартная модель включает в себя частицы материи: «лептоны», включая электрон, мюон и тау, и три соответствующих им нейтрино, а также шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, боттом (прелестный), топ (истинный)). Частицы материи имеют три поколения – каждое поколение почти идентично, за исключением увеличения массы, – и поиск и открытие частиц третьего поколения заполнили пробелы. Как мы видели в предыдущей главе, топ-кварк был обнаружен в 1995 году, а тау-нейтрино – в 2000 году в Фермилабе.

Помимо частиц материи, Стандартная модель содержит бозоны, или «переносчики силы». Пока мы оставим гравитацию, поскольку она не включена в Стандартную модель, но остальные три силы – слабое и сильное ядерное взаимодействие и электромагнитная сила – включены. Электромагнитная сила опосредуется фотоном. Сильное взаимодействие, которое связывает кварки, протоны и нейтроны вместе, осуществляется глюонами. Слабое взаимодействие немного отличается: по сравнению с фотонами и глюонами, которые не имеют массы, W– и Z-бозоны, обнаруженные в ЦЕРНе за десятилетия до создания БАКа, на самом деле чрезвычайно тяжелые[272]. Слабое взаимодействие сопровождалось и некоторыми другими тонкостями.

В масштабах высоких энергий (которые, как мы теперь знаем, превышают 246 ГэВ)[273] электромагнитное и слабое взаимодействие на самом деле являются частями одной всеобъемлющей силы – электрослабого взаимодействия. Хотя эти две силы кажутся очень разными в повседневных энергетических масштабах, при очень высоких энергиях, подобных тем, что были вскоре после Большого взрыва (еще до образования кварков), эти две силы смешиваются друг с другом и не могут быть разделены. Это было подтверждено в ЦЕРНе на ускорителе, предшествующему БАКу, – Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP – Large Electron Positron collider), который подвергал Стандартную модель интенсивным испытаниям. Это одна из причин, по которой физики иногда называют коллайдеры частиц машинами времени, воссоздающими условия Большого взрыва, поскольку они могут создавать взаимодействия с энергиями, столь же высокими, как те, которые были обнаружены на самых ранних этапах Вселенной. Эксперименты также показали, что существует только три типа нейтрино и, как следствие, существует только три поколения частиц – по крайней мере, насколько нам известно в настоящее время. Стандартная модель казалась донельзя точной. Тем не менее оставалась недостающая деталь: теоретическая частица, которая могла бы придать тяжелым W– и Z-бозонам их массу, известная как бозон Хиггса.

Эта новая частица была предсказана еще в 1964 году в трех отдельных статьях, одна из которых была написана шотландским физиком-теоретиком Питером Хиггсом. Теория постулировала существование поля («поля Хиггса») во всем пространстве. При высоких энергиях (где «электрослабое» взаимодействие равно одной силе) все частицы безмассовые. В некотором критическом энергетическом масштабе, достигнутом по мере охлаждения Вселенной, поле Хиггса росло, и частицы начинали с ним взаимодействовать, тем самым приобретая массу. Этот необратимый процесс известен как «спонтанное нарушение симметрии», и его следствием является то, что разные частицы имеют разные массы, потому что имеют разные уровни взаимодействия с полем Хиггса.

Что значит для Вселенной быть заполненной полем Хиггса и что это дает? Прекрасное объяснение[274] данного явления предлагает представить комнату, полную светской элиты на коктейльной вечеринке. Если в комнату войдет обычный человек, он сможет беспрепятственно пройти через помещение. Но представьте, что в комнату входит кто-то известный. Светская элита – поле Хиггса – собирается вокруг знаменитого человека – частицы, замедляя его продвижение по комнате. Известный человек, который сильно замедляется, подобен частице, которой поле Хиггса придает большую массу.

Чтобы показать, что природа действительно подчиняется этому механизму Хиггса, физики постулировали характерную частицу, предсказанную теорией, бозон Хиггса – возбуждение поля Хиггса. Эта частица похожа на слух, распространяющийся по коктейльной вечеринке и заставляющий светскую элиту сбиваться в кучу и передавать возбуждение. В коллайдерах столкновения частиц сверхвысоких энергий могут возмутить поле Хиггса. Это приводит к тому, что частицы выскакивают из поля – бозоны Хиггса. Единственная проблема заключалась в том, что Стандартная модель не давала никаких указаний на то, какой массой обладают бозоны Хиггса. Эти частицы будет чрезвычайно трудно найти.

Поиски бозона Хиггса в ЦЕРНе начались еще на коллайдере LEP. После того, как другие научные цели были достигнуты и «частица Бога» была единственной оставшейся частью Стандартной модели, которую надо найти, сотрудники детектора LEP обратили свое внимание на эту самую неуловимую частицу. Незадолго до закрытия ускорителя в 2001 году во всех четырех экспериментах были дразнящие намеки на бозон Хиггса с массой примерно 114 ГэВ, но данных для каких-либо выводов недоставало. Казалось, что у LEP просто не хватало энергии для создания бозона Хиггса, если он вообще существовал. Команде ЦЕРНа пришлось передать команде Тэватрона право на охоту за бозоном, но только на некоторое время. Долгосрочная стратегия ЦЕРНа заключалась в том, чтобы использовать туннель для LEP и в будущих экспериментах XXI века. В 1984 году, за пять лет до запуска LEP, ЦЕРН уже приступил к разработке следующего шага – высокоэнергетического протон-протонного коллайдера, машины для открытий, чей энергетический потенциал будет намного превосходить 2 ТэВ Тэватрона и достигнет энергии центра масс в 14 Тэ В. Машина, которая впоследствии станет Большим адронным коллайдером.

Чтобы найти бозон Хиггса, потребовалось бы гораздо больше, чем ускорители и детекторы. К эпохе LEP и БАКа – а сейчас разработка проектов занимает так много времени, что мы можем говорить об эпохах – физика элементарных частиц стала сильно отличаться от того, какой она была прежде. Детекторы теперь строились из слоев специализированных субдетекторов, функционирующих подобно гигантским многослойным цифровым камерам с миллионами информационных каналов. Благодаря большему количеству столкновений, чем когда-либо прежде, и большему разрешению для обнаружения обломков в результате столкновений объем данных, полученных в ходе экспериментов, неуклонно рос. Когда LEP начал работать в 1989 году, калибровочные данные быстро превратились в гигабайты, а экспериментальные данные – в терабайты[275]. Сегодня это не кажется таким уж необычным, но в 1989 году стандартный жесткий диск мог хранить всего несколько десятков мегабайт информации. Но куда девать остальные данные? Как сотрудники должны получать к ним доступ?

Эта «вычислительная проблема» представляла реальную опасность, с которой необходимо было разобраться. Всегда впереди планеты всей, ЦЕРН объединил свои компьютеры и мэйнфреймы в сеть и начал общаться по электронной почте (да, еще до 1990-х годов!). Но способа совместной работы и надежного доступа к данным пока никто не придумал. Именно в этот момент Тим Бернерс-Ли, выпускник физического факультета Оксфорда, работающий консультантом по программному обеспечению в ЦЕРНе, предложил объединить новые технологии в области компьютеров, сетей и гипертекста в систему, которая могла решить возникшую проблему. Он написал короткую статью с изложением своей идеи под названием «Управление информацией: предложение», на которой его начальник нацарапал: «Расплывчато, но захватывающе…»

Бернерс-Ли изобрел Всемирную паутину. Да, ту самую Всемирную паутину. Бернерс-Ли придумал три ключевые технологии, которые вы, вероятно, видите каждый день и которые лежат в основе интернета: HTML – язык гипертекстовой разметки, который является языком форматирования для интернета; URL – унифицированные указатели ресурса, которые представляют собой уникальные адреса, используемые для доступа к каждому ресурсу в интернете; и HTTP – протокол передачи гипертекста, протокол связи, используемый для подключения серверов и отправки информации. К 1990 году Бернерс-Ли опубликовал первый веб-сайт и создал первый веб-браузер. Остальное, как говорится, уже история.

Сегодня во всем мире насчитывается более 1,6 миллиарда веб-сайтов и 4,33 миллиарда активных пользователей интернета. Это 57 % от общей численности населения планеты. Среднестатистический пользователь проводит в Сети поразительные шесть с половиной часов каждый день[276]. Хотя интернет (физическая сеть) существовал еще до Сети, на самом деле мы имеем в виду именно Сеть, когда говорим об «использовании интернета».

Невозможно оценить значимость интернета и почти немыслимо представить себе возвращение в эпоху, когда его не было. Со временем общество уже приспособилось к повсеместности его существования, но давайте рассмотрим это явление в контексте. В 2019 году правительство Индии ограничило доступ в интернет в Кашмире в попытке унять общественные протесты. Даже в этом бедном регионе это решение произвело невероятный эффект. Студенты, пытающиеся сдавать онлайн-экзамены, больше не могли получить международную квалификацию, интернет-торговля была разрушена, а фабрики, продающие товары, были отрезаны от покупателей; больницы и аптеки не могли заказывать лекарства для лечения пациентов. Ущерб экономике за девять месяцев, последовавших за введением блэкаута, оценивался в 5,3 млрд долл.[277] при общем ВВП, составляющем около 17 млрд долл. Запрет был немного ослаблен в 2020 году из-за пандемии коронавируса, но на момент написания книги интернет все еще полностью не восстановлен.

Бернерс-Ли рано пришел к выводу, что для того, чтобы сеть процветала, она должна быть свободной. Как он говорит, «вы не можете позиционировать нечто в качестве универсального пространства и в то же время удерживать над ним контроль». В апреле 1993 года, когда в мире насчитывалось в общей сложности всего 600 веб-сайтов, ЦЕРН решил сделать программное обеспечение Всемирной паутины общественным достоянием без лицензионных платежей или патентов.

Сеть оказалась совершенно неожиданным побочным продуктом физики. Потребности физиков элементарных частиц и их совместный способ решения сложных проблем привел их к решению придумать способ обмениваться данными, который намного опережал другие сферы общества. В результате всего один творческий прорыв в благоприятной среде – и появилось одно из самых важных изобретений в нашем современном мире. Сегодня Бернерс-Ли занимает должность директора Консорциума Всемирной паутины, который продолжает следить за развитием интернета. В 2012 году, когда Лондон принимал Олимпийские игры, на церемонии открытия Бернерс-Ли сидел за маленьким столом в прямом эфире и писал в твиттере слова «ЭТО ДЛЯ ВСЕХ», которые освещали места на стадионе, как гигантский светодиодный экран. По иронии судьбы, телевизионные комментаторы США понятия не имели, кто он такой, и призывали своих зрителей поискать его в Google, используя технологию, которую он же и изобрел.

С появлением БАК проблемы ЦЕРНа с данными увеличивались в геометрической прогрессии. Хотя вычислительная мощность и возможности возросли, возрос и объем данных, получаемых в результате экспериментов. Годовой объем данных, выдаваемых детекторами БАКа, по прогнозам, составлял около 90 петабайт в год, что эквивалентно 56 миллионам компакт-дисков – почти половина пути до Луны, если сложить их друг на друга. О предоставлении всей этой вычислительной мощности, наряду с хранением и обработкой данных в ЦЕРНе, не могло быть и речи: одни только затраты на электроэнергию были бы непомерно высокими. Эксперты ЦЕРН в области вычислительной техники знали, что в конечном итоге наборы данных просто не получится передавать и обрабатывать из-за их объема, поскольку медные кабели, составлявшие большую часть интернета, не позволяли передавать информацию достаточно быстро.

Для разрешения возникшей сложности было сформировано международное сотрудничество для создания глобальной сети волоконно-оптических сверхбыстрых соединений и огромных вычислительных центров, объединяющих ученых по всему миру. Называется эта сеть Worldwide LHC Computing Grid (WLCG – Всемирная вычислительная сеть БАК), но упоминается она обычно как «Грид». Система насчитывает более 200 тысяч серверов, расположенных в сотрудничающих странах по всему миру. Она может использоваться как для хранения, так и для обработки данных и успешно обеспечивает международное сотрудничество, которое так важно для успеха ЦЕРН.

Учтя все эти вычислительные и инженерные проблемы, Большой адронный коллайдер вернули в строй в 2009 году. Вскоре он начал сталкивать лучи и собирать данные из каждого эксперимента, а наличие «Грида» означало, что анализ проходил куда быстрее. Каждый день эстафета передавалась от часового пояса к часовому поясу, и анализ продолжался круглосуточно в какой-нибудь из стран мира. Коллеги в Австралии могли использовать и анализировать те же данные БАКа, что и физики в Европе, Соединенных Штатах и других государствах. Но они были не единственными, кто шел по следу бозона Хиггса.

На тот момент Тэватрон находился на стадии второго запуска, который начался в 2001 году, и был модернизирован с учетом поисков бозона Хиггса. Физики из Фермилаба знали, что они не могут достичь тех же энергий, что и БАК, но они надеялись, что смогут первыми найти «частицу Бога», если ее масса будет чем-то вроде «массы Златовласки»[278]: ни слишком тяжелой (>180 ГэВ) – так как они не смогли бы создать такую частицу, – ни слишком легкой (<140 ГэВ), поскольку частица распадалась бы на боттом-кварки и терялась в шуме. Пока БАК набирал энергию и увеличивалась скорость его столкновений, возможности по поиску бозона Хиггса на Тэватроне тоже не отставали.

Команда Тэватрона яростно работала, анализируя свои данные. К началу 2011 года ученые смогли исключить массы до 103 ГэВ и между 147 и 180 ГэВ с 95-процентной достоверностью. Еще немного, уверяли они, и они найдут бозон Хиггса[279]. Тем не менее на горизонте маячило сокращение бюджета, и в сентябре 2011 года Тэватрону суждено было остановиться. К июлю эксперименты на БАК исключили диапазон от 149 ГэВ до 190 ГэВ, но в сентябре, не имея возможности найти 35 млн долл. в год, необходимых Фермилабу для продолжения работы, Тэватрон отключили. И в конечном итоге Хелен Эдвардс наблюдала за церемонией усыпления гигантской машины, которую она с таким трудом заставила ожить почти три десятилетия назад. Теперь все взоры обратились к БАКу.

К декабрю диапазон массы бозона сузился до 115–130 ГэВ, сосредоточившись на области в 125 ГэВ, где и ATLAS, и CMS видели намеки на что-то захватывающее. Статистическая значимость данных была пока только на уровне 2 сигм, и физики не забывали об УпсЛеоне, но все же данные независимо подтверждались на двух экспериментах. Волнение среди физического сообщества можно было потрогать руками.

В июле 2012 года, после трех лет работы БАКа и напряженного периода анализа, мировое сообщество физиков элементарных частиц собралось на крупном мероприятии – Международной конференции по физике высоких энергий (сокр. ICHEP – от англ. International Conference in High Energy Physics), которая проходила в Мельбурне, Австралия. ЦЕРН провел пресс-конференцию из своего штаба недалеко от Женевы, которая транслировалась в прямом эфире – конечно, через интернет – в аудиторию в Мельбурне, где находилось большинство физиков. Я смотрела трансляцию из своего офиса в лаборатории Резерфорда – Эплтона недалеко от Оксфорда, как и миллионы людей, которые смотрели ее онлайн по всему миру.

Представители двух основных экспериментов, физики Джозеф Инкандела из Соединенных Штатов, работающий с CMS, и Фабиола Джанотти[280] из Италии, работающая с ATLAS, выступили со своими докладами от имени тысяч ученых. Я была впечатлена уровнем научной детализации, который они предоставили, несмотря на присутствие средств массовой информации. Поскольку каждый из них показывал реконструкцию различных каналов распада бозона Хиггса, у меня голова шла кругом от того, сколько же работы стояло за каждым продемонстрированным графиком и числом.

Наблюдая за происходящим, я думала о своих коллегах, для которых этот день стал кульминацией десятилетий работы. У некоторых были офисы прямо по коридору, а некоторые находились на другом конце света от меня, в Мельбурне. Это была работа отдельных людей, объединившихся в небольшие команды примерно по 10–15 исследователей, каждая из которых взяла на себя ответственность за маленький кусочек головоломки. Затем эти команды объединились, сформировав более крупные команды или рабочие группы с другими институтами, которые затем объединили тысячи ученых в каждом эксперименте. Все они работали вместе в рамках самоорганизующейся системы управления, которая является отличительной чертой ЦЕРНа. В тот день с них взяли обязательство о неразглашении тайны, что было весьма необычно, но все мы знали, что нас ждет.

Когда презентации по физике были закончены, настала очередь немецкого физика элементарных частиц Рольфа-Дитера Хойера выйти на сцену в качестве генерального директора ЦЕРНа. Нескольких предварительных слов, глубокий вздох, и он объявил: «У нас открытие». Раздались радостные возгласы, физики обнимались и поздравляли друг друга. Они сменили страны, вырвали с корнем свои семьи, работали бесчисленное количество часов в уже нерабочее время и все время задавались вопросом, существует ли вообще то, что они так ищут. И вот у них получилось. Они открыли бозон Хиггса. Камера увеличила изображение восьмидесятидвухлетнего Питера Хиггса, по его щеке катилась слеза.

Если немного отступить в сторону и взглянуть на все, чего достиг ЦЕРН, одно только международное сотрудничество ошеломляет. В экспериментах на БАКе участвуют 110 различных стран, включая 23 государства – члена ЦЕРН и восемь ассоциированных государств-членов, страны-наблюдатели и страны, имеющие соглашения о сотрудничестве (например, Австралия). В его проектах участвует примерно половина из 13 000 физиков элементарных частиц в мире. Даже будучи признанным ученым, который регулярно работает в сотрудничестве в разных часовых поясах, я все еще с трудом понимаю работу настолько глобальной команды. Просто суметь начать, запустить первый луч, а затем произвести первые столкновения – уже подвиг, не говоря об успехе крупного открытия.

Как показывает пример с Всемирной паутиной, ЦЕРН работает иначе, чем другие крупные организации. ЦЕРН финансируется за счет денег налогоплательщиков, поэтому почти все, что он делает, – общественное достояние. ЦЕРН – сторонник идей открытой науки, открытых данных и открытого доступа. Даже сувенирный магазин должен подчиняться этому правилу: он не получает прибыль. Всемирная паутина выросла из этих принципов совместного использования и открытости, без малейшего представления о том, к чему в конечном итоге это может привести. Этот уникальный аспект работы ЦЕРНа не был упущен политиками и международными организациями.

В 2014 году ЦЕРН совместно с ООН отметил шестидесятилетие науки во имя мира. ЦЕРН является примером того, как нации могут работать сообща на благо мирового сообщества. Следуя модели ЦЕРНа, ряд других проектов наладил аналогичное сотрудничество, объединив страны, разделенные глубокими политическими разногласиями. СЕЗАМЕ (Международный центр по использованию синхротронного излучения в научных экспериментах и прикладных исследованиях на Ближнем Востоке), расположенный в Иордании, объединяет Бахрейн, Кипр, Египет, Иран, Израиль, Иорданию, Пакистан, Палестинскую национальную администрацию и Турцию. В юго-восточной Европе сформирована организация SEEIST[281] (от англ. South-East European International Institute for Sustainable Technologies – Международный Юго-Восточный европейский Институт устойчивых технологий) – проект по созданию экономики знаний, который сосредоточен на новом исследовательском центре протонной и углерод-ионной терапии и исследований. ЦЕРН также помог создать и один из моих совместных проектов, STELLA (Умные технологии для продления жизни с помощью линейный ускорителей), где вместе с коллегами в странах Африки к югу от Сахары мы стремимся улучшить доступ к высококачественной онкологической помощи во всем мире, находя технологические решения при нехватке оборудования лучевой терапии.

Такого рода инициативы и сотрудничество необходимы для нашего общего будущего. Модель ЦЕРНа создает механизм международного сотрудничества с непревзойденным потенциалом для решения глобальных проблем. Сегодня ООН и ЦЕРН работают вместе, чтобы наладить сотрудничество для достижения целей в области устойчивого развития, многие из которых требуют научно-технических решений, включая решение проблем изменения климата, здравоохранения и доступа к продовольствию и воде.

ЦЕРН никоим образом не смог бы оказать того влияния, которое он оказывает, будь он мозговым центром одной страны или компанией, создающей технологические патенты. Тот же этос, что создал интернет, также породил стремление поощрять научные исследования и делать их результаты открытыми для общественности.

Конечно, интернет – не единственная не-физическая технология, полученная в ЦЕРНе. Для новых идей с коммерческим потенциалом существует целая команда по передаче знаний для их развития. Любой желающий может ознакомиться с текущим технологическим портфолио ЦЕРН онлайн[282], и среди примеров можно найти системы программного обеспечения для совместной работы, радиационно-стойкие детекторы, используемые в медицине, и компактные орбитальные фрезы для отрезания огромных кусков труб в полевых условиях. Уникальные требования, предъявляемые к крупным экспериментам ЦЕРНа, постоянно подталкивают промышленность к инновациям, чтобы поставлять самые современные компоненты. В ходе опроса 75 % поставщиков ЦЕРНа отметили, что они увеличили свой потенциал для внедрения инноваций благодаря заключению контрактов с организацией. Они также говорят об «эффекте ЦЕРНа», при котором каждый доллар стоимости контракта, заключенного с ЦЕРНом на поставку, обеспечивает увеличение товарооборота компании на 4 доллара[283].

Невозможно включить в одну главу все технологии, которые появились в результате недавних разработок в области физики элементарных частиц, но одну из них важно упомянуть, поскольку она встает в один ряд с технологиями медицинской диагностики. В дополнение к компьютерной томографии (глава 1) и МРТ (глава 11) физика элементарных частиц также сыграла решающую роль в разработке ПЭТ-сканеров (позитронно-эмиссионной томографии). ПЭТ не только напрямую использует позитроны (антивещество), но и применяет детекторы на основе кристаллов германата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), используемых для обнаружения потоков частиц. На основе этих кристаллов было создано более 1500 ПЭТ-сканеров по цене от 250 до 600 тысяч долл. за аппарат. В эпоху БАК требовались новые кристаллы, чтобы противостоять радиационному поражению от огромной частоты столкновений, что привело к появлению кристаллов нового типа, оксиортосиликату лютеция. Новые кристаллы имеют более высокую скорость отклика и производят в три раза больше света, чем кристаллы BGO. В настоящее время они считаются отраслевым стандартом для ПЭТ-сканеров. Команда ЦЕРН по передаче знаний передала эту технологию в массы еще до использования на БАКе, где она только сейчас внедряется в детекторы для модернизированной программы коллайдера.

Окажет ли какая-либо из существующих в портфолио ЦЕРНа технологий такое же влияние, как интернет? Трудно сказать. Вычислительная сеть БАКа еще не оказала такого же влияния в повседневной жизни, но уже широко используется за пределами физики элементарных частиц. «Грид» обеспечил доступ к большей вычислительной мощности, чем было возможно в других научных областях. Даже в первые дни своего существования «Грид» позволил разрабатывать новые противомалярийные препараты и анализировать 140 миллионов химических соединений – задача, которая заняла бы у стандартного компьютера 420 лет. Инфраструктура ЦЕРНа и открытая база знаний помогают другим ученым войти в сферу больших данных, создавая совершенно новые способы работы в других областях.

Такой сдвиг в сторону общих ресурсов стал повседневным явлением. Компании по всему миру используют тот же подход к созданию больших хранилищ данных, или облаков, где хранятся данные и где они доступны на удаленных серверах, а не на вашем личном компьютере. Если вы используете облачные сервисы, такие как Google Docs, Dropbox или другие, все они построены похожим образом. Разница между коммерческими облачными системами и грид-системой заключается в том, где именно хранятся данные. Грид-вычисления предполагают хранение данных и распределение вычислительной мощности среди множества разных компьютеров вместо использования для этого корпоративных облачных хранилищ. Сегодня пользователи все больше расстраиваются из-за того, что их данные хранятся в отдельных компаниях: вспомните проприетарные форматы Microsoft.docx или. xlxs или музыкальные коллекции Apple iTunes. Однако аспекты грид-технологии все чаще используются в качестве решения проблем облачных вычислений. Ключевой целью здесь является интероперабельность: возможность открытого переноса между системами[284]. Она очень соответствует духу ЦЕРНа и тому, как Бернерс-Ли видел будущее Сети. Своего рода оптимальная облачная-грид система может в конечном итоге помочь и физикам элементарных частиц: она поможет преодолеть ограничения по размеру облачных систем и даст физикам возможность просто использовать благоустроенную общественную инфраструктуру.

Мы еще не закончили с тем, как Большой адронный коллайдер повлиял на современный мир, потому что не обсудили самое большое влияние такого замечательного эксперимента: обучение очень талантливых людей. БАК и его детекторы – это международная вдохновляющая меганаука. Многие из лучших и самых ярких молодых умов со всего мира приходят в физику как раз из-за таких крупных проектов, как этот, и тысячи из них получают докторскую степень именно в этой области. С моей стороны было бы упущением не ответить на вопрос, что же происходит после этого. Может показаться, что их дальнейший путь ясен, но такой вывод далек от истины.

В некоторых областях физики на каждую постдокторскую позицию претендует более 100 человек. Крупные лаборатории предлагают еще меньше академических должностей или постоянных рабочих мест. Со временем большинство этих высококвалифицированных и подготовленных специалистов сталкиваются с чрезвычайно трудным решением: остаться или уйти. Глубокая специализация создает уникальные проблемы, и у исследователей, у которых часто заканчиваются краткосрочные контракты, нет другого выбора, кроме как снова переехать в другую страну в поиске доступной работы или перейти на другую должность. Возможно, такой вариант подойдет тем, у кого есть средства, чтобы дождаться появления следующей подходящей вакансии, но для многих, включая меня, это было невозможно.

Я не раз за свою карьеру оказывалась на краю такого обрыва. Я также знаю по опыту многих близких друзей, коллег и сверстников, что не я одна испытывала необычайное эмоциональное напряжение, когда была вынуждена думать о том, чтобы оставить движимые любопытством масштабные исследования в области физики, которые я так люблю. Тем не менее мне приходилось задумываться о тех многих навыках, которыми я обладаю и которые я могла бы применить в другом месте. У меня есть навыки в области науки о данных, в решении проблем, в публичных выступлениях и в писательстве. У меня есть экспериментальные навыки, которые можно использовать в промышленности и планировании долгосрочных проектов. Я начала пересматривать свое резюме и просматривать сайты вакансий. Со временем я подумала, что могла бы преуспеть в стартапе, в политике или в консалтинге. Я поняла, что на самом деле могу делать все это, получать от этого удовольствие и влиять на мир. Я смирилась с тысячами других, более высокооплачиваемых вакансий, в которых я была бы хороша.

Это факт, что большинство людей с докторской степенью по физике в конечном итоге оставляют академические исследования. Отчет, в котором были опрошены 2700 бывших исследователей ЦЕРНа, показал, что 63 % из них теперь работают в частном секторе в таких областях, как передовые технологии, финансы и информационные технологии. Их навыки чрезвычайно востребованы в этих секторах: навыки решения проблем, программирования, крупномасштабного анализа данных, научной коммуникации и международного сотрудничества. Только в Великобритании ощущается нехватка так называемых STEM (наука, технология, инженерия и математика – от англ. Science, Technology, Engineering and Maths) в 173 тысячи человек, несмотря на то что Великобритания имеет репутацию мирового лидера в области науки и техники[285]. Потребность в такого рода талантах будет только расти.

Когда я начала искать истории физиков элементарных частиц, которые применяли свои навыки в других областях, мне не нужно было далеко ходить, чтобы найти нескольких новаторов. Возьмем, например, Элину Берглунд, доктора физических наук, принимавшую участие в поисках бозона Хиггса в ЦЕРНе. Она обратила внимание на огромный пробел в знаниях о репродуктивных циклах женщин, поэтому начала отслеживать данные о своем теле, включая температуру. Вскоре она поняла, что может применить свои навыки в области статистики и анализа данных, чтобы узнать, когда она фертильна, и предположила, что эта идея может помочь другим женщинам, которые хотят естественным образом управлять своими гормональными циклами. Результатом стало приложение Natural Cycles, у которого сейчас более 1,5 миллиона пользователей по всему миру. По состоянию на 2020 год это единственное приложение, которое получило одобрение FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) для использования в качестве контрацептива, способного изменить жизнь многих женщин.

Сейчас существует уже явный путь от физики элементарных частиц и других движимых любопытством исследований в области физики к высокотехнологичным стартапам, в частности к Кремниевой долине. Физиков привлекает к этой работе не только более высокая заработная плата, но и почти бесконечное разнообразие проблем, которые необходимо решить, как только они выйдут за пределы своей первоначальной области знаний. Особенно в США путь от программы докторантуры в Кремниевую долину сейчас настолько «протоптан» и так хорошо финансируется по сравнению с академическими исследованиями, что физикам бывает трудно удержать своих лучших выпускников.

Когда спустя несколько лет после защиты докторской диссертации пришло и мое время решать, оставаться или уходить, я поняла, что единственный способ остаться в физике – это работать на своих условиях. Я не могла повлиять на внешние факторы, связанные с краткосрочными контрактами, оплатой или финансированием, но я могла контролировать свое собственное окружение. Я создала сообщество физиков-единомышленников, особенно женщин, окружив себя похожими на меня людьми и, таким образом, избавившись от чувства изолированности. Я научилась просить то, что мне было нужно, что придало мне смелости приходить прямо в офис лидеров в моей области и просить их поддержать мои исследования – однажды я даже попросила открыть для себя вакансию. Это окупилось. Я решила работать над тем, что мне нравилось: например, над вовлечением общественности и улучшением исследовательской культуры, наряду с моими исследованиями, даже если это означало противодействие системе, которая говорила, что я не должна «тратить на это время». Я не взяла на себя миссию единолично «изменить физику» – это было бы глупой затеей, но я работала над созданием среды, в которой чувствовала себя продуктивной, желанной и довольной. И я знала, что, если у меня ничего не получится, я с радостью уйду.

В конце концов я осталась. Вместе со своими коллегами я с нуля построила новую лабораторию для небольшого эксперимента, в котором для имитации ускорителей частиц используется ионная ловушка. Я пыталась понять, как будут вести себя пучки частиц в будущих коллайдерах. Я взяла на работу своего первого аспиранта, и мы ввели оборудование в эксплуатацию. Я никогда раньше не строила оборудование для эксперимента с нуля, и это оказался невероятный опыт. Я не могла поверить, сколько всего может пойти не так и сколько времени уйдет на реализацию некоторых деталей. Однажды утром, через два года после того, как я решила остаться, мы решали некоторые проблемы с электронным шумом и заземлением – и впервые увидели небольшую вспышку на экране осциллографа. Мы ловили и извлекали ионы: наша первая важная веха. В конце дня я получила разрешение открыть шампанское в лаборатории, и мы пили его из пластиковых стаканчиков. Это было не совсем достижение уровня бозона Хиггса, но я все еще с трудом могла поверить в случившееся. Наш эксперимент удался.

Оглядываясь на это время, я больше всего поражаюсь тому, насколько мне повезло с замечательными людьми, которые меня окружают, и не только в трудное время в моей карьере, но и на протяжении всего пути: от моих первых учителей и наставников до непоколебимой поддержки моего научного руководителя, коллег и людей, которые, как я позже узнала, отстаивали меня даже без моего ведома. Я поняла, что физика – это гораздо больше, чем поиск того, как устроена Вселенная и все, что в ней есть. Это просто вопрос, вокруг которого мы объединяемся. Физика – это о людях. Звучит очевидно, когда я так говорю, не так ли?

Нигде это не проявляется так явно, как в невероятной истории БАКа, в которой более 10 тысяч ученых научились работать вместе для достижения общей цели, основанной на чистом любопытстве. Один только этот подвиг более чем стоит вложений. Но, конечно, эта история не заканчивается бозоном Хиггса. Физики БАКа по-прежнему усердно работают каждый день – как и все мы, – потому что с новыми данными, новыми идеями и новыми экспериментами, большими или малыми, мы можем задавать новые вопросы, становясь немного ближе к ответам и продолжая добиваться прогресса в нашем стремлении понять все.

БАК дал много интересных, заставляющих задуматься результатов, хотя и не таких значительных, как обнаружение бозона Хиггса. Новые результаты появляются каждый день: за последние 10 лет БАК обнаружил более 5 млн новых адронов – частиц, состоящих из кварков, – которые подкрепляют наши знания о сильном взаимодействии. Некоторые из них были даже предсказаны в теориях Гелл-Манна, но до недавнего времени были недостижимы. Физики БАКа также обнаружили много частиц, состоящих из четырех кварков (тетракварки) или пяти кварков (пентакварки), и все еще выясняют детали того, как они работают. Природа продолжает в изобилии предоставлять новые частицы, но все они описаны в Стандартной модели физики элементарных частиц.

Хотя у этих новых частиц есть особенности, которые помогают усовершенствовать Стандартную модель, большие надежды на новые экзотические частицы в диапазоне энергий БАКа до сих пор не оправдались. В чем-то это хорошо: мы исключаем теории со скоростью, возможно, невиданной ранее в истории физики. Это открывает потенциал для новых творческих идей и дает новые направления деятельности. Когда я спрашиваю своих коллег по экспериментальной физике элементарных частиц, разочарованы ли они этим – потому что многие так надеялись найти новые экзотические частицы, которые, по прогнозам теоретиков, лежат за пределами Стандартной модели, – большинство из них на удивление оптимистичны. В конце концов, они ищут то, что реально, независимо от их излюбленных теорий. Их тяжелая работа сейчас заключается в том, чтобы просеять огромное количество данных, полученных на БАКе, и увидеть, какие еще секреты хранит природа.

Однако не думайте, что мы просто углубляемся в детали и что путешествие физики почти подошло к концу и все важные явления уже открыты. Несомненно, до этого еще далеко. Еще раз – мы должны обратить внимание на пробелы в наших знаниях. Несмотря на невероятный успех Стандартной модели, наши уравнения не могут согласовать гравитацию со всеми другими силами. Мы не знаем, существует ли одна Вселенная или мы живем в так называемой мультивселенной. Известно, что нейтрино имеют массу и могут менять форму, но никто не знает, почему[286]. Мы не знаем, почему нас окружает вещество, а не антивещество. Мы не знаем природы темной материи, которая пронизывает нашу Вселенную. Во многих отношениях бозон Хиггса – это только начало.

Глава 13

Будущие эксперименты

Каждый год около 1500 физиков и инженеров собираются на Международной конференции по ускорителям частиц, чтобы поделиться своей работой. Их проекты варьируют от коллайдеров длиной 100 км до мельчайших промышленных ускорителей. Каждый год выбирается новое место проведения конференции: Азия, Северная и Южная Америка или Европа, – но в мае 2019 года она впервые была проведена в Мельбурне, Австралия. Я имела честь представить вступительный доклад на пленарном заседании.

Перед конференцией я долго не могла придумать, что сказать. Дело было не в размере аудитории: я выступала и перед большими группами и знала, как справиться с нервами. Скорее, меня пугал внушающий опыт аудитории. Это был, безусловно, самый важный доклад, с которым меня когда-либо просили выступить в моей собственной области. Я могла бы последовать примеру того, как выступали другие, и представить экспертный обзор состояния нашей области с большим количеством технических подробностей об ускорителях частиц. И все же каким-то образом, когда я села писать речь, получилось нечто совершенно иное.

Сначала я начала писать просто для того, чтобы выбросить мысли из головы. Я писала не о физике как таковой, а о более человеческих аспектах нашей области: о совместной работе, о том, как именно мы достигли сегодняшних успехов, и об извлеченных уроках. Я писала об исследовательской культуре и о том, как мы должны работать вместе для решения проблем, с которыми столкнемся в будущем. Постепенно я осознавала, что не стану переписывать свое выступление. Это был огромный профессиональный риск. Физики на конференциях говорят о науке, а не о людях. Что, если я потеряю уважение своего сообщества, отодвинув свой опыт на второй план и поставив во главу углу эту историю? Как недавно нанятый преподаватель, я очень многое ставила на кон.

В день презентации я нервно заняла свое место в передней части зала, поприветствовала министра местного самоуправления и стала ждать, пока меня представит спикер конференции. Мои слайды уже были загружены. Я закрыла глаза и сосредоточилась на своем дыхании. Когда настал момент, я поднялась на сцену и повернулась лицом к зрителям. В ярком свете ламп я могла видеть своих коллег из Европы, Японии, Соединенных Штатов и Австралии, директоров лабораторий, которых я знала только по слухам, и коллег, с которыми не единожды проводила полночную смену за пиццей. Где-то там были и мои новые студенты из Мельбурнского университета, которые никогда раньше не слышали, как я выступаю. Я сделала глубокий вдох и начала.

Я рассказала о том, что узнала в этом путешествии по двенадцати экспериментам. Организаторы попросили меня рассказать о наших прошлых достижениях, а также о том, куда нас может завести будущее. Итак, я начала со своих мыслей о нашем нынешнем положении в этом вдохновляющем, масштабном, вселенском путешествии познания нашего мира.

Я не могу не провести параллели между тем, с чего мы начали это путешествие в конце XIX века, и тем, где мы находимся в области физики элементарных частиц, вступая в третье десятилетие XXI века. Возможно, мы находимся на пороге периода преобразований, столь же грандиозных, как открытие ядра, электрона и всего субатомного и квантового мира. Нас может ждать новая версия Рентгена XXI века, увидевшего зеленое мерцание на экране в своей лаборатории, или Резерфорда, изумленного тем, что частицы отскакивают от тонкой золотой фольги. Эти удивительные открытия, конечно, теперь появятся среди массивов данных на компьютере, а не в виде вспышки на экране, но суть та же. Мы ищем что-то, что заставит нас сказать: «Хм… как странно». Но мы не можем просто ждать, пока эти открытия появятся сами по себе.

Открытия никогда не случайны. Люди делают открытия. Только поддерживая тех, кто хочет отправиться к границе непознанного и провести эксперименты, мы сможем достичь следующего этапа в нашем понимании мира. К счастью, это путешествие уже идет полным ходом. Тысячи ученых по всему миру, в том числе многие из тех, кто присутствовал на моем выступлении, уже планируют, проводят и совершенствуют эксперименты, как малые, так и большие. Любопытство подводит их к самому краю того, что технологически возможно, и за его пределы.

Многие из предлагаемых экспериментов следующего поколения должны быть масштабными и совместными, и на то есть веские причины. Большие вопросы, которые мы сейчас задаем – какова природа темной материи? почему во Вселенной существует асимметрия между веществом и антивеществом? существует ли великая теория всего, которая может описать все в физике? – нельзя решить в одиночку или небольшой изолированной командой. Вопросы стали слишком сложными. А потому эксперименты, которые ответят на них, почти наверняка тоже будут большими и сложными.

Профессор Даниэла Бортолетто, глава кафедры физики элементарных частиц в Оксфорде, кратко описывает состояние своей области исследований: «Частицы Стандартной модели составляют лишь около 5 % от содержания материи и энергии во Вселенной. Оставшиеся 95 % Вселенной приходятся на то, чего мы не знаем: на темную материю и темную энергию. Поскольку у нас нет никаких экспериментальных доказательств, указывающих на происхождение темного сектора, я считаю, что лучший способ добиться прогресса – это тщательно исследовать бозон Хиггса».

Выясняя природу бозона Хиггса, Бортолетто и ее коллеги пытаются понять, нарушает ли бозон Хиггса известные законы физики. Возможно, существует много различных частиц Хиггса, которые действуют странным образом. Если они есть или если бозон Хиггса распадается или взаимодействует неожиданным образом, мы обнаружим недочет, или пробел в знаниях, лежащий в основе Стандартной модели.

Физики больше не задаются вопросом, существует ли темная материя (мы думаем, что существует), – вопрос в том, какова ее природа. В то время как прогресс требует как теории, так и эксперимента, темная материя представляет собой уникальную экспериментальную проблему. Нет недостатка в теориях, которые могут описать темную материю, но единственное, что мы знаем о ней наверняка, так это то, что она ни с чем не взаимодействует. Мы могли бы обнаружить темную материю, рассматривая ее неспособность взаимодействовать как «недостающую энергию» либо на БАКе, либо на будущих коллайдерах. В чем-то это напоминает то, как тайна бета-распада привела нас к нейтрино, но в поисках нейтрино физики руководствовались теорией, которая помогла экспериментаторам найти частицу, а у нас нет теории для темной материи, мы руководствуемся только экспериментальными данными. Поскольку 95 % массы Вселенной все еще не обнаружено, ставки как никогда высоки.

Для исследования этих вопросов требуется «фабрика бозонов Хиггса» – новый коллайдер, который сможет производить тысячи и тысячи бозонов Хиггса, наряду с изобретением нового поколения точнейших детекторов частиц, на чем и сосредоточена Бортолетто. БАК не может дать все ответы относительно истинной природы бозонов Хиггса, поэтому почти все согласны с тем, что фабрика бозонов Хиггса должна быть высокоэнергетическим электрон-позитронным коллайдером с энергией столкновения, максимально близкой к 1 Тэ В. Что еще не согласовано, так это форма машины – линейная или циклическая – и то, на какой технологии она будет основана. Скорее всего, только один электрон-позитронный коллайдер станет именно фабрикой бозонов Хиггса, поэтому мы должны выбрать, на базе какого ускорителя она в итоге появится.

Международный линейный коллайдер (ILC) длиной 30 км готовится к строительству в Японии, если правительства согласятся его поддержать – «предлабораторный» этап был утвержден в 2021 году. Еще один вариант – компактный линейный коллайдер, над созданием которого ЦЕРН работает уже 20 лет[287]. Эти два проекта уже работают вместе в рамках сотрудничества Linear Collider Collaboration, которым теперь руководит бывший руководитель проекта БАК Лин Эванс. В качестве альтернативы следующей большой машиной может быть кольцевой ускоритель диаметром 100 км, рассматриваемый в ЦЕРНе (Будущий кольцевой коллайдер, FCC – Future Circular Collider) и в Китае (Кольцевой электрон-позитронный коллайдер, CEPC–Circular Electron Positron Collider), где в дополнение к высокоэнергетическим электрон-позитронным столкновениям высокоэнергетические лучи ежедневно будут выбрасывать 50 МВт нежелательного синхротронного излучения – как мы видели в главе 7, – когда они будут проноситься по кольцу. Мы должны спроектировать и подготовить эти коллайдеры сейчас, чтобы один из них был готов к завершению работы БАКа примерно в 2036 году.

Директор Института ускорительной физики имени Джона Адамса профессор Филип Берроуз считает, что линейная версия, и в частности ILC, является наиболее зрелой конструкцией и, скорее всего, приведет нас к фабрике бозонов Хиггса как можно скорее. В отличие от кольцевой конструкции, линейный коллайдер может быть модернизирован в будущем просто за счет увеличения его длины. Это повлияет на энергетический охват коллайдера, если начнут появляться частицы темной материи, суперсимметричные частицы – из теории, которая предсказывает, что все частицы материи имеют более тяжелого «суперсимметричного» партнера, – или другие частицы, выходящие за рамки Стандартной модели. Бортолетто тем временем отмечает, что вариант линейного коллайдера не позволит впоследствии перейти на протон-протонный коллайдер, в то время как инвестиции в кольцевой туннель означают, что его можно использовать повторно, точно так же, как БАК повторно использовал туннель LEP. Окончательное решение будет зависеть не только от физики, но и от политики, бюджета и сотрудничества. Какой бы из коллайдеров ни был построен, Бортолетто и Берроуз (или, возможно, уже их ученики) будут готовы взяться за работу.

В долгосрочной перспективе достижение все более высоких энергий зависит от увеличения размеров ускорителей частиц, несмотря на улучшение технологий сверхпроводящих магнитов и радиочастотной технологии. В то время как некоторые исследователи предлагают проводить эксперименты на Луне или в космосе, прорыв в области физики плазмы может уменьшить размеры ускорителей по крайней мере в тысячу раз. Материалы, из которых мы изготавливаем радиочастотные резонаторы ускорителей – медь и сверхпроводящие материалы, – могут выдерживать только определенную напряженность электрического поля, прежде чем они начнут искрить или разрушаться. Это устанавливает физический предел тому, насколько сильно мы можем толкать частицы, что, в свою очередь, определяет общую длину ускорителя. Команды моих коллег из Оксфорда и Имперского колледжа Лондона, наряду со многими другими по всему миру, пытаются создать новые плазменные ускорители.

Идея состоит в том, чтобы использовать мощный лазер – или даже другой пучок частиц[288] – для генерации плазмы, состояния вещества, в котором атомы уже ионизированы. Плазма может выдерживать огромные электрические поля, по которым могут перемещаться электроны или другие частицы и получать энергию. Подобный ускоритель был уже успешно продемонстрирован в лаборатории, но он еще не совсем готов для проведения экспериментов по физике элементарных частиц. На то, чтобы научиться контролировать и вызывать высокоэнергетический луч, потребуется еще несколько лет.

Хотя для плазменных ускорителей еще рано, они определенно захватывают дух. Я всегда говорю своим студентам, что как только плазменные ускорители будут достаточно усовершенствованы, я с радостью покину этот корабль и возьмусь за их разработку. Я полагаю, что они, скорее всего, будут использоваться в тандеме с нашими более традиционными технологиями, а не в качестве замены, поэтому я уже думаю, как их объединить.

Открытия ни в коем случае не откладываются, пока мы изобретаем будущие коллайдеры. БАК продолжает предоставлять все больше и больше данных. Мы уже знаем, что Стандартная модель по своей сути ошибочна: она не включает в себя гравитацию. А также не может объяснить, почему во Вселенной больше вещества, чем антивещества. Она не включает в себя темную материю или темную энергию. И не объясняет, почему нейтрино имеют массу. Здесь должно быть что-то большее.

Было бы наивно думать, что ответы на эти вопросы обязательно будут получены от коллайдеров частиц. Другая область физики может предоставить результаты, которые станут следующим прорывом. Меньшие эксперименты, ориентированные на более конкретные проблемы, могут первыми получить ответы на многочисленные вопросы, а их результаты затем будут проанализированы на коллайдерах. Примером могут служить детекторы темной материи. В Австралии первый эксперимент по изучению темной материи в Южном полушарии в настоящее время ведется в Подземной физической лаборатории Ставелла, расположенной в 1 км под землей в бывшем золотом руднике.

Мои коллеги на Международной конференции по ускорителям частиц хорошо знали все эти проекты. Вот почему я решила поговорить о том, как наша область не только расширила знания в области физики элементарных частиц, но и привела к изменениям в обществе. Двенадцать экспериментов, которые мы видели в этой книге, учат нас тому, как действовать дальше.

Истории Брукхейвена, Фермилаба и ЦЕРНа, а также поиски знаний о невидимой реальности материи и сил могут дать нам представление о том, как справиться с тем неизвестным, что поджидает нас в настоящем и будущем.

Когда я спросила своих коллег, чему, по их мнению, общество может научиться по опыту физики элементарных частиц, я ожидала получить самые разные ответы. Но я ошибалась, все сказали одно и то же: научиться сотрудничать. Такие сложные начинания, как физика элементарных частиц, побуждают нас к инновациям, к попыткам создать порядок, понять окружающий нас мир, накопить знания и мудрость. Все сводится к тому, что мы, похоже, вынуждены постоянно шагать в неизвестность. Мы стремимся к большему, к лучшему, и, хотя наши физические ресурсы могут быть ограничены, человеческая способность генерировать новые идеи практически необъятна. Именно благодаря сотрудничеству и новым методам работы мы можем реализовать этот потенциал и поощрять творчество, как никогда раньше.

Когда я пытаюсь ответить на вопрос о том, что делает наш мир «современным», в первую очередь я думаю об огромном прогрессе, достигнутом обществом почти по всем направлениям. Новые изобретения привели к повышению производительности труда, так что товары стали менее дефицитными. Рост привел к положительной динамике экономики. На Земле стало больше людей, и они живут лучшей жизнью, чем когда-либо прежде. Все больше людей получают образование и становятся грамотными. В 1930 году только 30 % людей старше пятнадцати лет умели читать и писать, сейчас этот показатель составляет 86 % во всем мире. С 1990 года в среднем каждый день 130 тысяч человек выходили из-за границ бедности, даже при постоянном росте населения. Тем не менее, несмотря на огромный прогресс, достигнутый за последнее столетие, на сегодняшний день девять из десяти опрошенных не считают, что наш мир становится лучше[289]. И, возможно, они правы.

Мы сталкиваемся с беспрецедентными трудностями: изменения климата, находящееся под угрозой биоразнообразие, нехватка воды, потребности в энергии, старение населения и, конечно же, пандемии и инфекционные заболевания. При таких постоянных угрозах нашему существованию нам не стоит принимать нынешнее долголетие как должное, потому что нет никакой гарантии, что мы будем жить дольше и лучше, чем наши предки.

Я настроена оптимистично. Я верю, что мы преодолеем проблемы, с которыми сталкиваемся как биологический вид, с помощью инновационных решений, и именно поэтому я считаю крайне важным понимание процесса, благодаря которому мы получаем новые знания. Если такая эзотерически звучащая тема, как физика элементарных частиц, так сильно изменила наш мир, наверняка есть много других областей исследований – не только в науке, но и в прочих сферах, – которые мы также упустили из виду. Исследования, движимые любопытством, – это именно тот вид деятельности, который может изменить наше будущее так, как мы пока не можем себе представить. Сейчас более, чем когда-либо, настало время вместе работать на благо человечества.

Оглядываясь на эти двенадцать экспериментов, я вижу, что, помимо сотрудничества, есть еще три ключевых ингредиента, которые нам нужны, чтобы противостоять вызовам будущего: умение задавать хорошие вопросы, культура любопытства и свобода упорствовать. Нам нужно лишь задать правильный вопрос, в нужном контексте и в нужное время. Главное, чтобы эти вопросы оставляли пространство для мысли о том, что мы можем ошибаться и отбрасывать наши предубеждения. Независимо от того, насколько хорошо нам служит та или иная идея, наши вопросы должны быть сформулированы таким образом, чтобы мы могли поменять свое мнение. Джей Джей Томсон не спрашивал, существует ли электрон, а затем не отвечал «нет», когда его первые эксперименты привели к результатам, не соответствующим его гипотезе. Хороший вопрос должен проникать в самое сердце неизвестного. Хорошие вопросы – например, «Какова истинная природа катодных лучей?» – как правило, порождают множество более мелких вопросов, таких как «Изгибаются ли катодные лучи в электрическом поле?» Задавать эти мелкие вопросы очень важно. На самом деле, именно они и привели Томсона к тому несоответствию, которое указало дальнейший путь. Только задав все небольшие вопросы, он смог найти ответ на главный вопрос. Результатом стало открытие электрона.

Важно и то, что нам не обязательно отвечать на все вопросы, которые мы задаем. На некоторые из них, возможно, не будет ответа еще столетия. И все же хорошие вопросы становятся мощными мотиваторами: несмотря на все наши удивительные достижения в понимании природы материи и сил, не ответы заставляют нас двигаться вперед, а вопросы.

Среда, в которой мы задаем эти вопросы, не менее важна. Мы видели, как любопытство может привести к замечательным прорывам, но как выглядит культура, поддерживающая такое любопытство? Она похожа на мозговой штурм, на котором допускаются добавления к идее, но нет никакой критики. Отчасти это похоже на ситуацию, когда один из моих аспирантов, вдохновившись видео на YouTube о проектировании американских горок с использованием искусственного интеллекта, захотел сделать то же самое с ускорителями частиц – и я искренне поощрила его. Зарождающиеся идеи сначала нуждаются в поддержке. Уилсон не пытался изобрести детектор частиц, Рентген не пытался произвести революцию в медицине, а ЦЕРН не ставил перед собой задачу изобрести Всемирную паутину. Все это стало возможным только потому, что они работали в культуре, которая поддерживала человеческое любопытство.

Внедрить эту культуру очень сложно. Учитывая наши цели, задачи, планы, акционеров, отчеты и сроки, у кого есть на нее время? Но она того стоит. Акт поиска знаний открывает более впечатляющие пейзажи, когда перед нами не маячит пункт назначения.

Наконец, мы должны предоставить себе – под этим я подразумеваю отдельных людей, команды, общество, человечество – свободу упорствовать в наших начинаниях. Чтобы собрать воедино Стандартную модель, пришлось преодолеть множество фальстартов, большую путаницу и удручающе медленное накопления знаний. Делать что-либо в первый раз невероятно сложно. Но делать что-то в первый раз, когда это понимает лишь горстка других людей, еще труднее. Когда я говорю, что нам нужно культивировать свободу упорствовать, я говорю не только о силе воли и терпеливости. Я говорю о таких осязаемых понятиях, как время, пространство и ресурсы.

Нам нужно создавать среду, в которой люди могли бы следовать своему любопытству, идти на интеллектуальный риск и процветать. Мы находимся на пороге больших возможностей. Если мы сможем научиться ценить творческую природу науки, развивать любознательность, интеллектуальную глубину и широту как в самих себе, так и в окружающих нас молодых людях, я не сомневаюсь, что мы сможем справиться с тем, что ждет нас впереди. Однако в одном важном отношении мы этого не делаем.

В этой книге мы видели, пример за примером, как наше понимание некоторых наиболее фундаментальных положений физики привело к ощутимым результатам. Зная это, было бы легко принять решение о финансировании исследований, исходя из их потенциальной отдачи. Многие правительства идут на это, по крайней мере частично, но они часто ориентированы на быстрые результаты. В такой области, как физика элементарных частиц, которая оказала огромное влияние на общество совершенно непредсказуемыми способами, в масштабах, непостижимых большинству политиков, нельзя полагаться на быструю выгоду.

Если бы в физике превалировала ориентация на быстрые результаты, лаборатория Резерфорда никогда бы не существовала, а предложение Роберта Уилсона о создании Тэватрона никогда бы не получило одобрения Конгресса. Сам Питер Хиггс однажды сказал, что при нынешней академической системе у него попросту не было бы работы[290], поскольку он не написал достаточно статей. В современной системе он был бы исключен из сообщества еще и потому, что не стремился оказать влияние на реальный мир в краткосрочной перспективе. Сегодня ценится сверхпроизводительность, подотчетность и коммерческая прибыль. Хотя кажется невежливым говорить о любопытстве и деньгах в одном контексте, если мы хотим совершать большие прорывы в будущем, нам понадобятся деньги.

Свобода упорства требует от нас признания той роли, которую движимые любопытством исследования играют в нашем обществе. Это глубокий сдвиг в том, как мы смотрим на ценность науки. На самом деле, я бы утверждала, что это даже то, как мы думаем о ценности исследований в целом. Люди – это, как говорит Ханна Арендт, жаждущие познания существа. Как мы неоднократно видели, человек, который делает открытие, возможно, хуже всех знает, где оно будет применяться или что из него получится. Мы должны поддерживать жажду познания и любопытство потому, что они способствуют нашему процветанию как людей, а не потому, что они могут улучшить экономическое положение страны или повысить эффективность солнечных батарей еще на полпроцента – хотя в конечном итоге открытия могут повлиять и на это. Давайте не будем упускать из виду идеи, потому что мы не смогли сразу же увидеть их ценность.

Более того, нам нужно научиться работать коллективно. Нет ничего более могущественного, чем совместные усилия людей, объединившихся вокруг одной цели. Более поздние эксперименты этой истории никогда бы не случились, если бы не люди, которые шли на риск и вместе работали на протяжении десятилетий. Представьте, насколько иначе выглядела бы наша жизнь сейчас, если бы не предыдущие поколения?

Когда я выступала в тот день в Мельбурне, я затронула многие из этих вопросов. Честно говоря, я не помню, как уходила со сцены или что говорили следующие несколько ораторов. Когда наступил перерыв, я попыталась добраться до стойки с кофе, но каждые несколько метров кто-нибудь появлялся, сияя, и развивал различные фрагменты моего выступления.

Некоторых из этих людей я знала, большинство – нет. Председатель комитета нашел меня позже в тот же день и с радостью поведал о многих разговорах, на которые побудило мое выступление.

За трудные годы исследований я узнала нечто гораздо большее, чем просто физику. Я научилась следовать своему любопытству и шагать в неизвестность, задавать правильные вопросы и настойчиво преодолевать многочисленные препятствия. Когда я передала это понимание своему сообществу, то увидела, как коллеги подбадривают меня. Вот то, чего я даже не осознавала, чего мне не хватало: чувство принадлежности.

Измученная конференцией, я решила оставить толпу и направилась в свой отдел. Подвальное помещение встретило меня молчанием, мои шаги эхом отдавались по бетонному коридору, когда я проходила мимо фрески с изображением Большого взрыва к ряду деревянных дверей. Я провела своим новеньким университетским удостоверением по считывателю карт, толкнула дверь и вошла.

Миновав раздвинутые столы и картонные коробки, я оказалась в своей новой лаборатории. Стены сделаны из бетонных блоков, достаточно толстых, чтобы защитить внешний мир от лучей частиц, которые здесь создавались и будут создаваться снова. У меня большие планы на эту лабораторию. Я уже представляю себе обустроенное пространство: белые стены, мигающие огни безопасности, желтые предупреждающие знаки, черные кабели и медные ускоряющие конструкции. Вижу студентов, сотрудников и коллег – мое племя, – занятых работой.

Вопросы, которые я задаю сейчас, касаются физики ускорителей частиц, где потребности физиков, с одной стороны, и медицины и промышленности – с другой вновь приводят меня к чертежной доске, к точке, где сталкиваются физика и изобретение. Мой разум полон вопросов о физике пучков и их вихреподобном нелинейном танце, состоящем из колебаний и электромагнитных взаимодействий. Позже мы перейдем к вопросам инженерии, стоимости и реализации, но сейчас мое любопытство увлечено только взаимодействием крошечного, невидимого мира частиц и его связью с идеями, которые могли бы сделать нашу жизнь лучше, пускай и в далеком будущем. Вот моя маленькая ниша в огромном спектре физики, в науке, в человеческом путешествии исследований и знаний.

Эксперименты, направленные на понимание материи и сил, продолжаются сотни лет, и наше нынешнее понимание опирается на тысячи, возможно, десятки тысяч экспериментов. В нашем путешествии по страницам этой книги мы затронули лишь некоторые из них. Эти эксперименты сформировали наше видение Вселенной, создали многие технологии, которые мы используем каждый день, и поставили во главу угла сотрудничество на благо будущего.

Здесь, в моей новой лаборатории, я стою на пороге разговора с неизвестным, благодарная за то, что у меня есть время и пространство, в которых может состояться этот разговор. Я знаю, что в этой лаборатории неудачи и разочарования будут соседствовать с успехом. Потребуется немало энергии, любопытства и творчества, чтобы превратить это пространство из оболочки бетонных блоков в источник новых знаний, но я также знаю, что не хотела бы вкладывать эту энергию ни во что другое.

Я не могу обещать, что мы изменим мир, но, по крайней мере, мы знаем, в каком направлении двигаться. По одному эксперименту за раз.