Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Ч.Т.Р. происходил из горной Шотландии и любил бродить по горам. Особое впечатление на него произвели оптические атмосферные явления, кольца вокруг Солнца, видимые сквозь туман. Поэтому он строит камеру, в которой можно имитировать туман и дождь при расширении и охлаждении водяного пара. Много позже он писал: «Почти немедленно я натолкнулся на нечто, представляющее гораздо больший интерес, чем оптические феномены, которые я намеревался изучать». Дело вот в чем: давно было известно, что пары воды начинают конденсироваться на пылинках в атмосфере, но Ч.Т.Р. удалял их всех, очищая воздух многократной конденсацией и испарением, а туман при большой влажности воздуха все равно образовывался.

В поисках источника зародышей пара возникла идея, что ими могут быть ионы воздуха. Тут как раз подоспело открытие рентгеновских лучей, и Вильсон начал ионизовать воздух в камере с помощью примитивной рентгеновской трубки. А так как ему в 1896 г. присудили стипендию Максвелла, он мог уже спокойно, не отвлекаясь на приработки, продолжать работу по изучению атмосферного электричества.

В 1911 г., когда камера была усовершенствована, Вильсон решил использовать ее для регистрации пролетающих атомных частиц: своим зарядом альфа- и бета-частицы должны ведь ионизовать молекулы газа по линии пролета, а водяной пар, конденсирующийся вокруг ионов в капельки, должен образовывать следы, которые можно будет фотографировать. Эти надежды оправдались, и он смог сообщить, что видел впервые «восхитительные облачные следы», сконденсировавшиеся вдоль треков альфа- и бета-частиц, причем треки эти можно было отличить друг от друга с невероятной четкостью: чем быстрее частица, тем меньше она успевает создать ионов на своем пути, поэтому по толщине следа можно оценить скорость и энергию пролетевшей частицы. Фотографии треков произвели глубокое впечатление в научном мире — они послужили первым зримым свидетельством существования этих частиц.

Как писал Дж. Дж. Томсон, прибор, подобный камере Вильсона, «трудно сыскать; она служит примером изобретательности, проницательности, умения работать руками, неизменного терпения и несгибаемой целеустремленности)». Именно на такой камере проводили свои исследования П. М. С. Блэкетт, П. Л. Капица, В. Боте, супруги Жолио-Кюри и многие-многие другие. С ее помощью были открыты позитрон и другие частицы.

В 1924 г. Дмитрий Владимирович Скобельцын (1892–1986) первым догадался, что если поместить такую камеру в магнитное поле, то по отклонению следа частицы влево или вправо можно определить ее заряд. Работы у него шли весьма успешно: электроны из космических лучей отклонялись, как частицы с отрицательным зарядом, в одну сторону, а положительные протоны и альфа-частицы — в другую.

Но вдруг в 1929 г. он получает снимки, на которых явно запечатлен след электрона, но отклоняется он в противоположную сторону. Скобельцын решил, что это электроны, но они влетели в камеру не с той стороны, т. е. не сверху, как все нормальные космические частицы, а снизу, прошли, понимаете ли, всю Землю насквозь. Он не знал, по-видимому, созданной к тому времени, но еще, правда, не общепринятой и не совсем понятой теории Дирака, по которой каждой частице должна сопутствовать античастица с такой же массой, но с противоположным зарядом. Позитрон был открыт только через три года на точно таком же снимке…

3. Пузырьковая камера

Многочисленные усовершенствования камеры Вильсона сделали ее основным рабочим инструментом ядерной физики и зарождавшейся физики элементарных частиц, однако она не лишена недостатков. Главнейшие из них такие: во-первых, чем быстрее частица, т. е. чем выше ее энергия, тем меньше ионов она успевает создать на своем пути — поэтому для частиц высоких энергий нужно увеличивать размеры камеры, что технически очень сложно, а то и невозможно. Во-вторых, после каждого снимка нужно заново ожижать пар в ней и снова его испарять, а это требует немало времени. Следовательно, нужен поиск новых способов регистрации частиц.

Новый тип камер, пузырьковых, был изобретен и осуществлен Дональдом А. Глэзером (р. 1926, Нобелевская премия 1960 г.), учеником и сотрудником Карла Андерсона.

Талантливый музыкант, Глэзер думал о карьере скрипача и даже в возрасте шестнадцати лет выступал с Кливлендским симфоническим оркестром, но затем победила физика, и после университета его увлекли космические лучи. Работа с камерой Вильсона, длительные простои при ее очищении и наладке, сложности исследования при больших энергиях частиц — все это возвращало его к мыслям о новых приборах.