К середине 20-х годов пересеклись пути квантовой механики и теории относительности: необходимо было построить уравнение Шредингера для электрона, движущегося с большими скоростями. С этой проблемой блестяще справился двадцатишестилетний английский физик-теоретик П. Дирак.
То, что обычно называют уравнением Дирака, представляет собой красивую форму записи четырех довольно хитро переплетенных между собой уравнений. Эту систему так называемых дифференциальных уравнений с помощью специальных преобразований можно привести к вполне прозрачной алгебраической форме. И тут возникает эффект, хорошо известный всем, кто решал обычные квадратные уравнения и имел удовольствие получать в качестве корней два числа, равных по абсолютной величине, но имеющих противоположные знаки. Разумеется, для упражнения из задачника по алгебре ничего страшного в таком решении нет. Отрицательные или положительные корни - какая разница! А вот при решении уравнения Дирака оказалось, что именно в этом таятся огромные опасности. Просто-напросто одно из решений этого уравнения соответствовало электрону с положительной массой, а другое - с отрицательной!
Эта неприятность родилась вместе с уравнением Дирака в 1928 году, и неприятность действительно не малая - где это видано, чтобы частица имела отрицательную массу? И вообще, что значит отрицательная масса? Если бы такое было возможно, то обычные электроны стали бы самопроизвольно "проваливаться" на отрицательные энергетические уровни, излучая гамма-кванты! Через три года молодой физик сам предпринял отважную попытку спасти свое творение, подвергавшееся острой и вполне основательной критике со стороны ведущих теоретиков. Он воспользовался недавно открытым принципом Паули, запрещавшим двум электронам находиться в одинаковых состояниях.
К этому времени принцип Паули был хорошо проверен "в деле". С его помощью удалось объяснить правила формирования электронных оболочек различных атомов, придать четкий физический смысл такому чисто химическому понятию, как валентность, то есть, в конечном счете, установить физическую основу известной группировки элементов в таблице Менделеева.
П. Дирак предположил, что все уровни с отрицательными значениями энергии полностью заполнены обычными электронами, причем всю совокупность таких уровней (ее назвали "дираковским морем") нельзя наблюдать без специального воздействия. Чтобы добыть электрон из "дираковского моря", необходимо сообщить ему положительную энергию, достаточную для образования двух электронов. В этом случае мы будем наблюдать обычный электрон с положительной энергией, но, кроме него, в "дираковском море" возникает вакантное место - своеобразная "дырка", которая обладает свойствами обычного электрона, но с противоположным (положительным) знаком заряда. Разумеется, массы обеих частиц положительны, поскольку вначале была сообщена энергия, которой достаточно на образование двух частиц с массой электрона. Вся разница состоит в том, что "дырка" должна нести положительный электрический заряд - из-за этого ей присвоили и второе имя: антиэлектрон, или позитрон.
Дираковское предсказание касалось на самом деле не только электрона, но и любых частиц - каждой из них полагалось иметь по своему антиподу, лишь в редких случаях частица тождественна своей античастице, например, фотон. Эта идея - поразительный пример предоткрытия, поскольку впоследствии ни один физик не высказал по-настоящему серьезных - сомнений не только в существовании отдельных античастиц, но и целых антигалактик. Наблюдались лишь некоторые колебания, связанные с томительно долгим ожиданием экспериментального открытия антипротона (целых три десятилетия!).
Сейчас также наблюдаются определенные колебания в отношении к антимирам "макро" и "мега". А вдруг они вообще не обнаружатся, тем более что современная "антитаблица Менделеева" доведена только до антигелия, открытого советскими физиками в Институте физики высоких энергий под Серпуховом? Почему в ближайшей к нам области вселенной вещество очень сильно преобладает над антивеществом, тогда как на уровне микромира все выглядит в высшей степени симметрично?
Это интригующая проблема. Решение ее может привести к гораздо более впечатляющим последствиям, чем могли себе представить самые смелые писатели-фантасты, давно уже применяющие огромные объемы антивещества для ускорения звездолетов до околосветовых скоростей.
А дело заключается в следующем. При столкновении частицы с античастицей происходит так называемая аннигиляция, то есть взаимодействующие частицы исчезают, а вместо них охотно образуются другие частицы.
Сам термин "аннигиляция" (буквально - превращение в ничто, уничтожение) связан с наиболее наглядным примером этого процесса: самый вероятный исход встречи электрона и позитрона состоит в их гибели с одновременным рождением двух энергичных фотонов. Если такая реакция происходит с большим количеством вещества и антивещества, то образуется мощнейший световой поток преимущественно из жестких гамма-квантов, а при наличии подходящего фокусирующего зеркала нетрудно построить модель реактивного двигателя для звездолета...
Но фантазии фантазиями, а механизм аннигиляции ведет к предельному, с точки зрения современных физических представлений, энерговыделению. Практически вся масса вещества может быть переведена в энергию излучения, которую в принципе не запрещено преобразовывать в другие удобные формы. Не исключено, что именно "аннигиляционные реакторы" определят энергетический потенциал XXI века, но для этого надо научиться собирать и удерживать антивещество в достаточно больших количествах. Пока же получение микроскопических доз антивещества съедает целые океаны электроэнергии. Короче говоря, такие идеи еще очень далеки от практического воплощения, или, лучше будет сказать, нам кажется, что далеки.
Обратите внимание - первый же шаг в область высоких энергий принес совершенно новое и неожиданное явление. Причем неожиданное в абсолютном смысле этого слова. Например, волновая гипотеза Л. де Бройля не была предугадана физикой прошлых лет сколь-нибудь определенным образом. Тем не менее, вскоре после ее появления стало понятно, что волновые представления о веществе - долгожданные гости: из глубин истории сразу всплыло великое противостояние Фалеса и Платона, Ньютона и Гюйгенса, Томсона и Гольдштейна. А вот античастицы никто и никогда не предсказывал, ни в одном физическом исследовании нельзя встретить и намека на антимиры. Разве что в отдельных натурфилософских работах появлялись неопределенные идеи о непременном существовании противоположных начал, но это основывалось скорее всего на некотором обобщении опыта человеческих взаимоотношений, например, борьбы Добра и Зла и т. п. Два других важнейших сюрприза со стороны космических лучей тесно взаимосвязаны между собой и в некотором смысле еще более поразительны, чем открытие позитрона. Речь идет об обнаружении новых процессов - налетающая с огромной энергией космическая частица буквально взрывалась, сталкиваясь с одним из ядер вещества, генерируя множество следов, которые, в свою очередь, могли быть приписаны новым частицам, обладающим промежуточным значением массы между протоном и электроном.
Первые регистрации процессов множественного образования новых частиц, названных мезонами (дословно - срединными, промежуточными), стали отправным пунктом для того понимания центральной проблемы физики высоких энергий, которое сложилось в более или менее четкой форме лишь в настоящее время, примерно за последнее десятилетие.
В физику входило представление о новых чрезвычайно интенсивных силах, действующих между некоторыми элементарными частицами.
Необходимость в таких силах отчасти предугадана в процессе исследования атомных ядер. Уже в начале 20-х годов исследователи пришли к убеждению, что ни рассеяние на ядрах, ни сам факт их существования нельзя понять, если не предположить, что мы сталкиваемся с взаимодействиями, значительно сильней электромагнитных, но с чрезвычайно малым радиусом действия. Такая гипотеза сразу же позволяла качественно объяснить аномальное поведение альфа-частиц, пытавшихся проскочить в непосредственной близости от ядер, а также преодолеть очевидную трудность в ранних моделях самого ядра. Дело в том, что несколько протонов, образующих заряженный "остов" ядра, не могли быть устойчивой системой из-за огромных кулоновских сил отталкивания. Не могли, разумеется, если не существовало бы каких-то еще более мощных удерживающих, цементирующих их сил.
Более подробный рассказ о замечательном "ядерном клее" и интересных свойствах ядерно-активных частиц пойдет в последующих главах, там мы и обсудим не спеша обозначенные выше открытия. Здесь же мы отметим еще два полезных обстоятельства.
Во-первых, установление высокой активности космических пришельцев вдохнуло жизнь в едва уже не похороненную "с подобающими почестями" атмосферную гипотезу. Стало ясно, что, по крайней мере, часть попадающих в наземные установки частиц образуется не в глубинах вселенной, а в земной атмосфере под действием первичного истинно космического излучения.
Во-вторых, среди мезонов обнаружились своеобразные "замаскированные" электроны. Слово "своеобразные" относится лишь к способу их маскировки - они обладают примерно в 207 раз большей массой, в остальном же они начисто лишены какого-либо своеобразия, и именно этот факт оказался едва ли не самой неприступной тайной микромира. Сначала новые частицы окрестили мю-мезонами, потом название немного сократили до "мюонов", вероятно, для того, чтобы отличать их от других, гораздо более активных собратьев по мезонному семейству. К этому времени дираковское удвоение миров было более или менее неплохо освоено теорией, но вот для чего понадобилось природе еще одно, причем персональное удвоение электронов - этого никто так и не знает. Мюоны намного тяжелее электронов, но во всех реакциях строго следуют тем же правилам поведения, которые пишутся для электронов. Достаточно лишь провести во всех электронных соотношениях замену масс, то есть буквально подставить другое число, и перед вами готовый свод мюонных законов.
Так возникла "мю-е-проблема"; под таким названием проводятся международные семинары, ставятся сверхточные эксперименты, выходят в свет десятки статей. А она практически в первозданном виде и остается все той же мю-е-проблемой...
КЛЮЧИ К МИКРОМИРУ
За последние 80-100 лет произошел коренной перелом во взаимоотношениях науки и ее наиболее крупных технических приложений. Исчезает характерное для прежних времен стремление извлекать пользу из новых явлений, не постигая их сути.
Не следует, конечно, считать, что выдающийся практицизм наших далеких пращуров был следствием какой-то особой интеллектуальной близорукости, а дальновидные умники появились совсем недавно. Дело просто в темпе событий, который, как мы уже договорились, является основной приметой текущего за нашими окнами времени. Седая старина тем и характерна, что в подавляющем большинстве случаев рецепт, найденный сегодня, оказывался вполне пригодным для многих поколений, верным почти без малейших изменений. Успешно прослужив сто, двести, а иногда и тысячу лет, рецепт становился предметом поклонения, а не изучения. И спаси господь дерзкого человека, решившего посягнуть не то что на его опровержение, но даже на простое сомнение.
Но старые времена дают нам и множество примеров гениальных изобретений, намного опередивших уровень научного понимания мироустройства. Наука едва еще выкарабкивалась из пеленок, а техническая мысль вынуждена была волоком волочь упирающегося, перепуганного огромностью этого мира младенца к его же светлому будущему. Это они, так и не вышедшие из тени неизвестности, первопроходцы, нашли простые способы разжигания и хранения огня, достижение, которое окончательно и бесповоротно поставило человека в господствующее положение в биосфере нашей планеты. И это величайшее открытие состоялось без самомалейшего понятия об окислительных реакциях.
Задолго до открытия элементарных законов механического движения по земле прокатилось первое колесо. Большие лодки стали бороздить моря и океаны за много веков до рождения Архимеда. Да уж бог с ней, с древностью. Первый паровоз побежал по рельсам, когда солидные ученые мужи еще превозносили теорию невидимой тепловой субстанции - флогистона... Уже в начале нашего века король изобретателей Т. Эдисон, похвалявшийся тем, что никогда не заглянул ни в одну теоретическую книгу, получает свой 1093-й (!!) патент на изобретение в области электротехники...
Но рядом уже развивается совсем иная деятельность. В 1895 году русский А. Попов и итальянец Г. Маркони демонстрируют удивительные приборы - первые радиоприемные устройства, в основе изобретения которых лежит не простой поиск методом перебора, а четкое представление о недавно открытых Г. Герцем электромагнитных волнах.
Ясно, что здесь мы сталкиваемся с качественно иной ситуацией. Попробуйте вообразить себе создание радиоприемника без предшествующих чисто научных исследований быстропеременных токов, без обнаружения особых волн, генерируемых колебательным контуром. И уж совсем мистическим актом воображения представляется, скажем, создание лазера без глубокого знания квантовой теории атомно-молекулярных систем.
Из этого вовсе не следует какое-либо преуменьшение роли поиска методом проб и ошибок. Между предсказанием большого выхода энергии в процессе деления ядра урана и созданием реального ядерного реактора - дистанция огромного размера. Но тут важна принципиальная сторона вопроса - без тщательного чисто научного анализа энергетики ядерных реакций, без теории "дефекта массы", основанной на эйнштейновской связи между энергией и массой, вряд ли мы были бы даже знакомы с такими словосочетаниями, как "ядерный реактор", "термоядерный реактор" и т. п.
Чисто рецептурная наука уходит в область преданий. Сегодня будущее наступает гораздо быстрей, чем в далекие времена. Аккумулировать опыт поколений в виде каких-то практических рецептов, попросту говоря, некогда в тупике могут оказаться не столько далекие потомки, сколько ныне здравствующие люди. Наука XX века стала активно продуцировать "заготовки впрок". Исследования, направленные на выяснение механизма явления, порождают новые исследования - процесс становится лавинообразным. Получается так, что по большинству стоящих перед обществом проблем ученые способны либо немедленно сформулировать конкретные практические рекомендации, либо указать ясные пути их выработки. И в этом важнейший источник высокого престижа естественных наук.
Но, возможно, самое любопытное состоит в том, что взрыв исследовательской активности буквально на наших глазах сметает глубоко укоренившееся представление о самой науке как о непоколебимом своде фундаментальных законов природы, огромном храме - хранилище неоспоримой истины. Эти, в общем-то, славные образы - типичное наследие старых добрых "медленных" времен, когда по одним и тем же учебникам превосходили премудрость десятки и десятки студенческих поколений, а научные статьи не успевали безнадежно устаревать еще до выхода в свет; когда ученые были скорее жрецами-добровольцами, а не научными сотрудниками с годовыми, пятилетними и перспективными двадцатилетними планами работы.
Прорыв в мир частиц высоких энергий связан с формированием науки нового типа. Физика высоких энергий дала первый образец сверхбыстрого развития и в постановке основных задач, и в методах организации исследований. Этот блестящий взлет произошел в удивительно короткий срок благодаря счастливому сочетанию двух, быть может, важнейших человеческих качеств - неиссякаемой изобретательности и умения жертвовать сиюминутными интересами ради Будущего с большой буквы. Именно это и позволило перейти к созданию самых-самых (больших, сложных, дорогостоящих...) приборов для изучения микромира ускорителей заряженных частиц.
К концу 20-х - началу 30-х годов, когда помыслами физиков все сильней и сильней стали овладевать элементарные частицы и атомные ядра, выяснилось, что для серьезного движения вперед нужно срочно менять оружие. "Даровые" радиоактивные источники, которые верой и правдой служили науке много лет, не обеспечивали новых экспериментальных потребностей. Во-первых, они давали частицы с энергией, строго регламентированной законами радиоактивного распада. Во-вторых, эта энергия была не особенно велика - в лучшем случае порядка 10 МэВ. Кроме того, по ряду соображений для исследования ядер было выгодно использовать не альфа-частицы, а протоны.
Перед тем как перейти на долгосрочную и плодотворную работу в химии, биологии, геофизике и других областях науки, буквально "под занавес" радиоактивные источники сыграли одну из лучших своих ролей. С их помощью в 1932 году Дж. Чэдвик открыл долгожданную нейтральную составляющую атомных ядер - нейтрон, предсказанную его учителем Э. Резерфордом. Это открытие завершило длинную серию работ по установлению природы странного излучения, которое возникало в результате бомбардировки бериллия альфа-частицами и обладало высокой проникающей способностью. Дж. Чэдвик доказал, что при захвате альфа-частицы ядром бериллия образуется ядро углерода и испускается нейтральная частица, которая входила в состав одного из сталкивающихся ядер.
Экспериментальное обнаружение нейтрона позволило разработать простейшую составную модель ядра, о которой мы уже упоминали, вызвать искусственное деление тяжелых ядер и, наконец, в 1942 году запустить первую действующую модель ядерного реактора. Именно в связи с этой впечатляющей цепочкой завоеваний 30-е годы стали скорее "ядерными", чем "элементарно-частичными". Если когда-нибудь благодарные физики-ядерщики пожелают поставить монумент в честь одного из объектов своих исследований, то, на мой взгляд, это должна быть модель ядра гелия - великой альфа-частицы. Еще бы! Открытие атомных ядер в резерфордовских экспериментах, расшифровка протон-нейтронной структуры ядра произошли с ее помощью. Альфа-радиоактивность открыла путь в ядерный мир!
В высшей степени символично, что 1932 год оказался моментом передачи эстафеты - блестящий нейтронный финиш радиоактивных источников и практически сразу же мощный позитронный старт космических лучей. Старт был действительно превосходным, но многоопытные тренеры уже понимали, какие дистанции Доступны для космических бегунов, а какие нет.
Космические лучи представлялись идеальным инструментом исследований по двум соображениям: их получение не требовало ни малейших расходов, и они обладали фантастически широким спектром энергий. Зато работа с ними основывалась на не слишком приятном принципе "ждать у моря погоды" и требовала невероятного терпения. Космическая частица с нужной энергией могла попасть в регистрирующее устройство сегодня, завтра, через год. Предположим, что небеса все-таки "являли милость", но это было одно, два, от силы десяток-другой событий. Что с ними можно сделать? Можно увидеть следы "неведомых зверей" - открыть новые частицы, можно зафиксировать новый тип процессов; в общем, установить уникальные факты существования чего-либо. Но получить более детальную информацию о поведении той же самой вновь открытой частицы в различных реакциях и при различных энергиях оказывается чрезвычайно сложным и слишком длительным делом. Ведь необходимо набирать сотни тысяч событий. В этом плане космические лучи могли оказать лишь одну услугу - дать предварительный сигнал о каких-то новых закономерностях.
Именно такова их основная специальность в настоящее время; и надо отметить, что зарекомендовали они себя в этом деле с лучшей стороны. Если учесть, что сейчас в составе космических лучей зарегистрированы частицы с энергиями до 1021 электрон-вольт, а на ускорителях изучают реакции при энергиях частиц лишь до 1012 эВ, то становится ясно - им еще долго предстоит выполнять функции "стратегической разведки".
Все это неплохо - одним поставят памятник, другие уйдут в разведку. А кто же станет работать? Природа не позаботилась о достойной замене и не предложила ни одного естественного источника радиации, который помог бы обойти все наметившиеся трудности. Но физики уже представляли себе путь, по которому следовало двигаться, - частицы должны ускоряться электрическим полем; в принципе так же, как и при получении катодных лучей (электронов с большими скоростями). Только электроны ускорялись разностью потенциалов всего в несколько тысяч электрон-вольт, а теперь нужны миллионы. Следовательно, необходимо решать электротехнические проблемы с созданием высоковольтных установок...
Между этими ранними идеями и действующими установками лежат годы трудных поисков, великолепные находки и тягостные сомнения, радужные и пессимистические прогнозы.
1918 год. Петроград. Город борется за новую жизнь. Трудно с хлебом, трудно с работой, по ночам на вымерзших, пустынных улицах нет-нет и вспыхивают короткие ожесточенные перестрелки... Но и здесь, в центре великого социального потрясения, с невероятным напряжением сил идет битва за будущее русской науки, закладывается основа уверенного взлета. И одним из первых пунктов программы научного развития стала организация радиевого отделения при Радиологическом и рентгенологическом институте.
Огромную роль в создании нового отдела сыграл энтузиазм тридцатилетнего Л. Мысовского, который уже несколько лет успешно занимался проблемами новой физики. Фактически он был первым и едва ли не единственным физиком России, приступившим к исследованиям радиоактивности в дореволюционное время. В начале 1922 года радиевое отделение преобразуется в знаменитый Радиевый институт, где были сконцентрированы работы с применением ядерных излучений в самых различных областях науки. Руководство физическим отделом этого института было поручено Л. Мысовскому. Летом этого же года он представил на заседание ученого совета доклад по своей совместной со студентом Петроградского электротехнического института В. Рукавишниковым работе, где была сформулирована идея использования генераторов высокого напряжения для ускорения альфа-частиц до нескольких миллионов электрон-вольт.
Практически в это же время Патентное ведомство США рассматривало оригинальную заявку, поступившую из штата Пенсильвания. В ней молодой сотрудник исследовательской лаборатории фирмы Вестингауз Дж. Слепян предлагал несколько иную конструкцию установки для ускорения заряженных частиц, так называемый индукционный ускоритель электронов.
Так общие идеи превратились в конкретные, осязаемые проекты. Но лишь последующее десятилетие перевело интересные предложения на язык действующих моделей. В 1929 году в Принстонском университете заработал первый электростатический генератор Р. Ван де Граафа с ускоряющим напряжением до 80 тысяч вольт. Через два года на третьем варианте его установки было достигнуто напряжение в полтора миллиона вольт!
Еще через год английские физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон коротенькой заметкой в журнале "Нейче" ("Природа") оповещают научную общественность о первой впечатляющей победе ускорительной эры. С помощью двухкаскадного генератора напряжения они создали пучок протонов с энергией 710 тысяч электрон-вольт и обстреляли литиевую мишень. В результате столкновения протона с ядром лития образовывались две энергичные альфа-частицы, то есть наблюдалась реакция расщепления ядра. Таким образом, искусственная радиоактивность была получена при помощи искусственных же источников быстрых частиц!
Вскоре был придуман совершенно иной, оригинальный принцип ускорения. В 1929 году двадцативосьмилетний адъюнкт-профессор Калифорнийского университета Э. Лоренс изобрел циклотрон - прибор, основанный на резонансном ускорении заряженных частиц высокочастотным полем, по справедливости считающийся родоначальником обширного семейства современных гигантских машин.
Несколько уточняя генеалогию ускорителей, нельзя не напомнить, что по современным масштабам предки рода гигантов были воистину карликами. Первая модель циклотрона имела диаметр магнитных полюсов 10 (!) сантиметров и представляла собой крайне нелепое сооружение из стеклянных пластинок, скрепленных сургучом. Но самое любопытное в том, что эта конструкция, хранящаяся ныне в Лондонском научном музее, все же работала - по мере "слабых своих возможностей"- и ускоряла ионы водорода. Спустя некоторое время Э. Лоренс получил в подарок от крупной телеграфной компании 74-тонный электромагнит, который более десяти лет провалялся у нее на складе (выбросить жалко, продать - никто не купит). Магнит разместили в старом деревянном доме вблизи университета и стали монтировать большой циклотрон. На фасаде появилась интригующая вывеска: "Радиационная лаборатория"; и все просвещенное население небольшого городка Беркли с нетерпением ожидало приобщения к ядерным "таинствам". Монтаж и запуск ускорителя прошли вполне успешно, и в 1932 году физики получили хороший пучок протонов с энергией 3,6 миллиона электрон-вольт. Так произошло рождение замечательного прибора - циклотрона. А с небольшого деревянного дома начинался один из крупнейших в мире центров ядерных исследований Берклиевская радиационная лаборатория имени Э. Лоренса.
То, что обычно называют уравнением Дирака, представляет собой красивую форму записи четырех довольно хитро переплетенных между собой уравнений. Эту систему так называемых дифференциальных уравнений с помощью специальных преобразований можно привести к вполне прозрачной алгебраической форме. И тут возникает эффект, хорошо известный всем, кто решал обычные квадратные уравнения и имел удовольствие получать в качестве корней два числа, равных по абсолютной величине, но имеющих противоположные знаки. Разумеется, для упражнения из задачника по алгебре ничего страшного в таком решении нет. Отрицательные или положительные корни - какая разница! А вот при решении уравнения Дирака оказалось, что именно в этом таятся огромные опасности. Просто-напросто одно из решений этого уравнения соответствовало электрону с положительной массой, а другое - с отрицательной!
Эта неприятность родилась вместе с уравнением Дирака в 1928 году, и неприятность действительно не малая - где это видано, чтобы частица имела отрицательную массу? И вообще, что значит отрицательная масса? Если бы такое было возможно, то обычные электроны стали бы самопроизвольно "проваливаться" на отрицательные энергетические уровни, излучая гамма-кванты! Через три года молодой физик сам предпринял отважную попытку спасти свое творение, подвергавшееся острой и вполне основательной критике со стороны ведущих теоретиков. Он воспользовался недавно открытым принципом Паули, запрещавшим двум электронам находиться в одинаковых состояниях.
К этому времени принцип Паули был хорошо проверен "в деле". С его помощью удалось объяснить правила формирования электронных оболочек различных атомов, придать четкий физический смысл такому чисто химическому понятию, как валентность, то есть, в конечном счете, установить физическую основу известной группировки элементов в таблице Менделеева.
П. Дирак предположил, что все уровни с отрицательными значениями энергии полностью заполнены обычными электронами, причем всю совокупность таких уровней (ее назвали "дираковским морем") нельзя наблюдать без специального воздействия. Чтобы добыть электрон из "дираковского моря", необходимо сообщить ему положительную энергию, достаточную для образования двух электронов. В этом случае мы будем наблюдать обычный электрон с положительной энергией, но, кроме него, в "дираковском море" возникает вакантное место - своеобразная "дырка", которая обладает свойствами обычного электрона, но с противоположным (положительным) знаком заряда. Разумеется, массы обеих частиц положительны, поскольку вначале была сообщена энергия, которой достаточно на образование двух частиц с массой электрона. Вся разница состоит в том, что "дырка" должна нести положительный электрический заряд - из-за этого ей присвоили и второе имя: антиэлектрон, или позитрон.
Дираковское предсказание касалось на самом деле не только электрона, но и любых частиц - каждой из них полагалось иметь по своему антиподу, лишь в редких случаях частица тождественна своей античастице, например, фотон. Эта идея - поразительный пример предоткрытия, поскольку впоследствии ни один физик не высказал по-настоящему серьезных - сомнений не только в существовании отдельных античастиц, но и целых антигалактик. Наблюдались лишь некоторые колебания, связанные с томительно долгим ожиданием экспериментального открытия антипротона (целых три десятилетия!).
Сейчас также наблюдаются определенные колебания в отношении к антимирам "макро" и "мега". А вдруг они вообще не обнаружатся, тем более что современная "антитаблица Менделеева" доведена только до антигелия, открытого советскими физиками в Институте физики высоких энергий под Серпуховом? Почему в ближайшей к нам области вселенной вещество очень сильно преобладает над антивеществом, тогда как на уровне микромира все выглядит в высшей степени симметрично?
Это интригующая проблема. Решение ее может привести к гораздо более впечатляющим последствиям, чем могли себе представить самые смелые писатели-фантасты, давно уже применяющие огромные объемы антивещества для ускорения звездолетов до околосветовых скоростей.
А дело заключается в следующем. При столкновении частицы с античастицей происходит так называемая аннигиляция, то есть взаимодействующие частицы исчезают, а вместо них охотно образуются другие частицы.
Сам термин "аннигиляция" (буквально - превращение в ничто, уничтожение) связан с наиболее наглядным примером этого процесса: самый вероятный исход встречи электрона и позитрона состоит в их гибели с одновременным рождением двух энергичных фотонов. Если такая реакция происходит с большим количеством вещества и антивещества, то образуется мощнейший световой поток преимущественно из жестких гамма-квантов, а при наличии подходящего фокусирующего зеркала нетрудно построить модель реактивного двигателя для звездолета...
Но фантазии фантазиями, а механизм аннигиляции ведет к предельному, с точки зрения современных физических представлений, энерговыделению. Практически вся масса вещества может быть переведена в энергию излучения, которую в принципе не запрещено преобразовывать в другие удобные формы. Не исключено, что именно "аннигиляционные реакторы" определят энергетический потенциал XXI века, но для этого надо научиться собирать и удерживать антивещество в достаточно больших количествах. Пока же получение микроскопических доз антивещества съедает целые океаны электроэнергии. Короче говоря, такие идеи еще очень далеки от практического воплощения, или, лучше будет сказать, нам кажется, что далеки.
Обратите внимание - первый же шаг в область высоких энергий принес совершенно новое и неожиданное явление. Причем неожиданное в абсолютном смысле этого слова. Например, волновая гипотеза Л. де Бройля не была предугадана физикой прошлых лет сколь-нибудь определенным образом. Тем не менее, вскоре после ее появления стало понятно, что волновые представления о веществе - долгожданные гости: из глубин истории сразу всплыло великое противостояние Фалеса и Платона, Ньютона и Гюйгенса, Томсона и Гольдштейна. А вот античастицы никто и никогда не предсказывал, ни в одном физическом исследовании нельзя встретить и намека на антимиры. Разве что в отдельных натурфилософских работах появлялись неопределенные идеи о непременном существовании противоположных начал, но это основывалось скорее всего на некотором обобщении опыта человеческих взаимоотношений, например, борьбы Добра и Зла и т. п. Два других важнейших сюрприза со стороны космических лучей тесно взаимосвязаны между собой и в некотором смысле еще более поразительны, чем открытие позитрона. Речь идет об обнаружении новых процессов - налетающая с огромной энергией космическая частица буквально взрывалась, сталкиваясь с одним из ядер вещества, генерируя множество следов, которые, в свою очередь, могли быть приписаны новым частицам, обладающим промежуточным значением массы между протоном и электроном.
Первые регистрации процессов множественного образования новых частиц, названных мезонами (дословно - срединными, промежуточными), стали отправным пунктом для того понимания центральной проблемы физики высоких энергий, которое сложилось в более или менее четкой форме лишь в настоящее время, примерно за последнее десятилетие.
В физику входило представление о новых чрезвычайно интенсивных силах, действующих между некоторыми элементарными частицами.
Необходимость в таких силах отчасти предугадана в процессе исследования атомных ядер. Уже в начале 20-х годов исследователи пришли к убеждению, что ни рассеяние на ядрах, ни сам факт их существования нельзя понять, если не предположить, что мы сталкиваемся с взаимодействиями, значительно сильней электромагнитных, но с чрезвычайно малым радиусом действия. Такая гипотеза сразу же позволяла качественно объяснить аномальное поведение альфа-частиц, пытавшихся проскочить в непосредственной близости от ядер, а также преодолеть очевидную трудность в ранних моделях самого ядра. Дело в том, что несколько протонов, образующих заряженный "остов" ядра, не могли быть устойчивой системой из-за огромных кулоновских сил отталкивания. Не могли, разумеется, если не существовало бы каких-то еще более мощных удерживающих, цементирующих их сил.
Более подробный рассказ о замечательном "ядерном клее" и интересных свойствах ядерно-активных частиц пойдет в последующих главах, там мы и обсудим не спеша обозначенные выше открытия. Здесь же мы отметим еще два полезных обстоятельства.
Во-первых, установление высокой активности космических пришельцев вдохнуло жизнь в едва уже не похороненную "с подобающими почестями" атмосферную гипотезу. Стало ясно, что, по крайней мере, часть попадающих в наземные установки частиц образуется не в глубинах вселенной, а в земной атмосфере под действием первичного истинно космического излучения.
Во-вторых, среди мезонов обнаружились своеобразные "замаскированные" электроны. Слово "своеобразные" относится лишь к способу их маскировки - они обладают примерно в 207 раз большей массой, в остальном же они начисто лишены какого-либо своеобразия, и именно этот факт оказался едва ли не самой неприступной тайной микромира. Сначала новые частицы окрестили мю-мезонами, потом название немного сократили до "мюонов", вероятно, для того, чтобы отличать их от других, гораздо более активных собратьев по мезонному семейству. К этому времени дираковское удвоение миров было более или менее неплохо освоено теорией, но вот для чего понадобилось природе еще одно, причем персональное удвоение электронов - этого никто так и не знает. Мюоны намного тяжелее электронов, но во всех реакциях строго следуют тем же правилам поведения, которые пишутся для электронов. Достаточно лишь провести во всех электронных соотношениях замену масс, то есть буквально подставить другое число, и перед вами готовый свод мюонных законов.
Так возникла "мю-е-проблема"; под таким названием проводятся международные семинары, ставятся сверхточные эксперименты, выходят в свет десятки статей. А она практически в первозданном виде и остается все той же мю-е-проблемой...
КЛЮЧИ К МИКРОМИРУ
За последние 80-100 лет произошел коренной перелом во взаимоотношениях науки и ее наиболее крупных технических приложений. Исчезает характерное для прежних времен стремление извлекать пользу из новых явлений, не постигая их сути.
Не следует, конечно, считать, что выдающийся практицизм наших далеких пращуров был следствием какой-то особой интеллектуальной близорукости, а дальновидные умники появились совсем недавно. Дело просто в темпе событий, который, как мы уже договорились, является основной приметой текущего за нашими окнами времени. Седая старина тем и характерна, что в подавляющем большинстве случаев рецепт, найденный сегодня, оказывался вполне пригодным для многих поколений, верным почти без малейших изменений. Успешно прослужив сто, двести, а иногда и тысячу лет, рецепт становился предметом поклонения, а не изучения. И спаси господь дерзкого человека, решившего посягнуть не то что на его опровержение, но даже на простое сомнение.
Но старые времена дают нам и множество примеров гениальных изобретений, намного опередивших уровень научного понимания мироустройства. Наука едва еще выкарабкивалась из пеленок, а техническая мысль вынуждена была волоком волочь упирающегося, перепуганного огромностью этого мира младенца к его же светлому будущему. Это они, так и не вышедшие из тени неизвестности, первопроходцы, нашли простые способы разжигания и хранения огня, достижение, которое окончательно и бесповоротно поставило человека в господствующее положение в биосфере нашей планеты. И это величайшее открытие состоялось без самомалейшего понятия об окислительных реакциях.
Задолго до открытия элементарных законов механического движения по земле прокатилось первое колесо. Большие лодки стали бороздить моря и океаны за много веков до рождения Архимеда. Да уж бог с ней, с древностью. Первый паровоз побежал по рельсам, когда солидные ученые мужи еще превозносили теорию невидимой тепловой субстанции - флогистона... Уже в начале нашего века король изобретателей Т. Эдисон, похвалявшийся тем, что никогда не заглянул ни в одну теоретическую книгу, получает свой 1093-й (!!) патент на изобретение в области электротехники...
Но рядом уже развивается совсем иная деятельность. В 1895 году русский А. Попов и итальянец Г. Маркони демонстрируют удивительные приборы - первые радиоприемные устройства, в основе изобретения которых лежит не простой поиск методом перебора, а четкое представление о недавно открытых Г. Герцем электромагнитных волнах.
Ясно, что здесь мы сталкиваемся с качественно иной ситуацией. Попробуйте вообразить себе создание радиоприемника без предшествующих чисто научных исследований быстропеременных токов, без обнаружения особых волн, генерируемых колебательным контуром. И уж совсем мистическим актом воображения представляется, скажем, создание лазера без глубокого знания квантовой теории атомно-молекулярных систем.
Из этого вовсе не следует какое-либо преуменьшение роли поиска методом проб и ошибок. Между предсказанием большого выхода энергии в процессе деления ядра урана и созданием реального ядерного реактора - дистанция огромного размера. Но тут важна принципиальная сторона вопроса - без тщательного чисто научного анализа энергетики ядерных реакций, без теории "дефекта массы", основанной на эйнштейновской связи между энергией и массой, вряд ли мы были бы даже знакомы с такими словосочетаниями, как "ядерный реактор", "термоядерный реактор" и т. п.
Чисто рецептурная наука уходит в область преданий. Сегодня будущее наступает гораздо быстрей, чем в далекие времена. Аккумулировать опыт поколений в виде каких-то практических рецептов, попросту говоря, некогда в тупике могут оказаться не столько далекие потомки, сколько ныне здравствующие люди. Наука XX века стала активно продуцировать "заготовки впрок". Исследования, направленные на выяснение механизма явления, порождают новые исследования - процесс становится лавинообразным. Получается так, что по большинству стоящих перед обществом проблем ученые способны либо немедленно сформулировать конкретные практические рекомендации, либо указать ясные пути их выработки. И в этом важнейший источник высокого престижа естественных наук.
Но, возможно, самое любопытное состоит в том, что взрыв исследовательской активности буквально на наших глазах сметает глубоко укоренившееся представление о самой науке как о непоколебимом своде фундаментальных законов природы, огромном храме - хранилище неоспоримой истины. Эти, в общем-то, славные образы - типичное наследие старых добрых "медленных" времен, когда по одним и тем же учебникам превосходили премудрость десятки и десятки студенческих поколений, а научные статьи не успевали безнадежно устаревать еще до выхода в свет; когда ученые были скорее жрецами-добровольцами, а не научными сотрудниками с годовыми, пятилетними и перспективными двадцатилетними планами работы.
Прорыв в мир частиц высоких энергий связан с формированием науки нового типа. Физика высоких энергий дала первый образец сверхбыстрого развития и в постановке основных задач, и в методах организации исследований. Этот блестящий взлет произошел в удивительно короткий срок благодаря счастливому сочетанию двух, быть может, важнейших человеческих качеств - неиссякаемой изобретательности и умения жертвовать сиюминутными интересами ради Будущего с большой буквы. Именно это и позволило перейти к созданию самых-самых (больших, сложных, дорогостоящих...) приборов для изучения микромира ускорителей заряженных частиц.
К концу 20-х - началу 30-х годов, когда помыслами физиков все сильней и сильней стали овладевать элементарные частицы и атомные ядра, выяснилось, что для серьезного движения вперед нужно срочно менять оружие. "Даровые" радиоактивные источники, которые верой и правдой служили науке много лет, не обеспечивали новых экспериментальных потребностей. Во-первых, они давали частицы с энергией, строго регламентированной законами радиоактивного распада. Во-вторых, эта энергия была не особенно велика - в лучшем случае порядка 10 МэВ. Кроме того, по ряду соображений для исследования ядер было выгодно использовать не альфа-частицы, а протоны.
Перед тем как перейти на долгосрочную и плодотворную работу в химии, биологии, геофизике и других областях науки, буквально "под занавес" радиоактивные источники сыграли одну из лучших своих ролей. С их помощью в 1932 году Дж. Чэдвик открыл долгожданную нейтральную составляющую атомных ядер - нейтрон, предсказанную его учителем Э. Резерфордом. Это открытие завершило длинную серию работ по установлению природы странного излучения, которое возникало в результате бомбардировки бериллия альфа-частицами и обладало высокой проникающей способностью. Дж. Чэдвик доказал, что при захвате альфа-частицы ядром бериллия образуется ядро углерода и испускается нейтральная частица, которая входила в состав одного из сталкивающихся ядер.
Экспериментальное обнаружение нейтрона позволило разработать простейшую составную модель ядра, о которой мы уже упоминали, вызвать искусственное деление тяжелых ядер и, наконец, в 1942 году запустить первую действующую модель ядерного реактора. Именно в связи с этой впечатляющей цепочкой завоеваний 30-е годы стали скорее "ядерными", чем "элементарно-частичными". Если когда-нибудь благодарные физики-ядерщики пожелают поставить монумент в честь одного из объектов своих исследований, то, на мой взгляд, это должна быть модель ядра гелия - великой альфа-частицы. Еще бы! Открытие атомных ядер в резерфордовских экспериментах, расшифровка протон-нейтронной структуры ядра произошли с ее помощью. Альфа-радиоактивность открыла путь в ядерный мир!
В высшей степени символично, что 1932 год оказался моментом передачи эстафеты - блестящий нейтронный финиш радиоактивных источников и практически сразу же мощный позитронный старт космических лучей. Старт был действительно превосходным, но многоопытные тренеры уже понимали, какие дистанции Доступны для космических бегунов, а какие нет.
Космические лучи представлялись идеальным инструментом исследований по двум соображениям: их получение не требовало ни малейших расходов, и они обладали фантастически широким спектром энергий. Зато работа с ними основывалась на не слишком приятном принципе "ждать у моря погоды" и требовала невероятного терпения. Космическая частица с нужной энергией могла попасть в регистрирующее устройство сегодня, завтра, через год. Предположим, что небеса все-таки "являли милость", но это было одно, два, от силы десяток-другой событий. Что с ними можно сделать? Можно увидеть следы "неведомых зверей" - открыть новые частицы, можно зафиксировать новый тип процессов; в общем, установить уникальные факты существования чего-либо. Но получить более детальную информацию о поведении той же самой вновь открытой частицы в различных реакциях и при различных энергиях оказывается чрезвычайно сложным и слишком длительным делом. Ведь необходимо набирать сотни тысяч событий. В этом плане космические лучи могли оказать лишь одну услугу - дать предварительный сигнал о каких-то новых закономерностях.
Именно такова их основная специальность в настоящее время; и надо отметить, что зарекомендовали они себя в этом деле с лучшей стороны. Если учесть, что сейчас в составе космических лучей зарегистрированы частицы с энергиями до 1021 электрон-вольт, а на ускорителях изучают реакции при энергиях частиц лишь до 1012 эВ, то становится ясно - им еще долго предстоит выполнять функции "стратегической разведки".
Все это неплохо - одним поставят памятник, другие уйдут в разведку. А кто же станет работать? Природа не позаботилась о достойной замене и не предложила ни одного естественного источника радиации, который помог бы обойти все наметившиеся трудности. Но физики уже представляли себе путь, по которому следовало двигаться, - частицы должны ускоряться электрическим полем; в принципе так же, как и при получении катодных лучей (электронов с большими скоростями). Только электроны ускорялись разностью потенциалов всего в несколько тысяч электрон-вольт, а теперь нужны миллионы. Следовательно, необходимо решать электротехнические проблемы с созданием высоковольтных установок...
Между этими ранними идеями и действующими установками лежат годы трудных поисков, великолепные находки и тягостные сомнения, радужные и пессимистические прогнозы.
1918 год. Петроград. Город борется за новую жизнь. Трудно с хлебом, трудно с работой, по ночам на вымерзших, пустынных улицах нет-нет и вспыхивают короткие ожесточенные перестрелки... Но и здесь, в центре великого социального потрясения, с невероятным напряжением сил идет битва за будущее русской науки, закладывается основа уверенного взлета. И одним из первых пунктов программы научного развития стала организация радиевого отделения при Радиологическом и рентгенологическом институте.
Огромную роль в создании нового отдела сыграл энтузиазм тридцатилетнего Л. Мысовского, который уже несколько лет успешно занимался проблемами новой физики. Фактически он был первым и едва ли не единственным физиком России, приступившим к исследованиям радиоактивности в дореволюционное время. В начале 1922 года радиевое отделение преобразуется в знаменитый Радиевый институт, где были сконцентрированы работы с применением ядерных излучений в самых различных областях науки. Руководство физическим отделом этого института было поручено Л. Мысовскому. Летом этого же года он представил на заседание ученого совета доклад по своей совместной со студентом Петроградского электротехнического института В. Рукавишниковым работе, где была сформулирована идея использования генераторов высокого напряжения для ускорения альфа-частиц до нескольких миллионов электрон-вольт.
Практически в это же время Патентное ведомство США рассматривало оригинальную заявку, поступившую из штата Пенсильвания. В ней молодой сотрудник исследовательской лаборатории фирмы Вестингауз Дж. Слепян предлагал несколько иную конструкцию установки для ускорения заряженных частиц, так называемый индукционный ускоритель электронов.
Так общие идеи превратились в конкретные, осязаемые проекты. Но лишь последующее десятилетие перевело интересные предложения на язык действующих моделей. В 1929 году в Принстонском университете заработал первый электростатический генератор Р. Ван де Граафа с ускоряющим напряжением до 80 тысяч вольт. Через два года на третьем варианте его установки было достигнуто напряжение в полтора миллиона вольт!
Еще через год английские физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон коротенькой заметкой в журнале "Нейче" ("Природа") оповещают научную общественность о первой впечатляющей победе ускорительной эры. С помощью двухкаскадного генератора напряжения они создали пучок протонов с энергией 710 тысяч электрон-вольт и обстреляли литиевую мишень. В результате столкновения протона с ядром лития образовывались две энергичные альфа-частицы, то есть наблюдалась реакция расщепления ядра. Таким образом, искусственная радиоактивность была получена при помощи искусственных же источников быстрых частиц!
Вскоре был придуман совершенно иной, оригинальный принцип ускорения. В 1929 году двадцативосьмилетний адъюнкт-профессор Калифорнийского университета Э. Лоренс изобрел циклотрон - прибор, основанный на резонансном ускорении заряженных частиц высокочастотным полем, по справедливости считающийся родоначальником обширного семейства современных гигантских машин.
Несколько уточняя генеалогию ускорителей, нельзя не напомнить, что по современным масштабам предки рода гигантов были воистину карликами. Первая модель циклотрона имела диаметр магнитных полюсов 10 (!) сантиметров и представляла собой крайне нелепое сооружение из стеклянных пластинок, скрепленных сургучом. Но самое любопытное в том, что эта конструкция, хранящаяся ныне в Лондонском научном музее, все же работала - по мере "слабых своих возможностей"- и ускоряла ионы водорода. Спустя некоторое время Э. Лоренс получил в подарок от крупной телеграфной компании 74-тонный электромагнит, который более десяти лет провалялся у нее на складе (выбросить жалко, продать - никто не купит). Магнит разместили в старом деревянном доме вблизи университета и стали монтировать большой циклотрон. На фасаде появилась интригующая вывеска: "Радиационная лаборатория"; и все просвещенное население небольшого городка Беркли с нетерпением ожидало приобщения к ядерным "таинствам". Монтаж и запуск ускорителя прошли вполне успешно, и в 1932 году физики получили хороший пучок протонов с энергией 3,6 миллиона электрон-вольт. Так произошло рождение замечательного прибора - циклотрона. А с небольшого деревянного дома начинался один из крупнейших в мире центров ядерных исследований Берклиевская радиационная лаборатория имени Э. Лоренса.