Загадки микромира

Сотрудники больших групп, как правило, с удовольствием работают на сложных установках. Их энтузиазм подогревать не надо. Гораздо труднее приходится иному выпускнику, пришедшему в научное учреждение. Воспитанный на классических примерах истории физики, он даже не подозревает о существовании современной «большой» науки, где многочисленные коллективы заняты сложнейшей работой, результат которой ожидается через несколько лет. А он сам желает сделать что-то такое, что быстро привело бы его к открытию. И когда он в конце концов видит, что это просто невозможно, его охватывает чувство разочарования.

Почему же так происходит?

«Наука сейчас очень сложна, — считает академик Б. Кадомцев, — и достичь выдающихся успехов удается лишь немногим. Ясно, что, если студент, оканчивающий университет, наперед поставит перед собой такую цель, то скорее всего его ждет неудача. Он может в конце концов возвратиться к „юношескому максимализму“, но уже на иной основе — достаточно развив свои способности и убедившись в соответствии своих сил выдвигаемым перед собой целям».

Да, характер науки за последние три-четыре десятилетия сильно изменился. Однако «научные исследования сохранили свой старомодный дух неутомимого творческого поиска».

«Волшебная палочка»

Творческий поиск… Это он не давал покоя уже далеко не молодому отцу атомной физики Э. Резерфорду. К 1924 году ему удалось расщепить все легкие ядра, в которые могли проникнуть альфа-частицы, испускаемые радием. А что же дальше?

Известный ученый Ф. Астон писал в те годы: «Теперь наступил неизбежный период покоя в ожидании открытия новых орудий исследования». И конечно, этот застой наиболее остро переживал сам автор открытия атомного ядра. Ему нечем было «обрабатывать» лежащую перед ним «ядерную целину». Если б в его распоряжении были частицы больших энергий…

Э. Резерфорд попросил своего лаборанта Кэя выяснить: можно ли собрать систему батарей или динамо-машин для получения больших электрических полей?

Когда Кэй показал Э. Резерфорду стоимость такой системы — совершенно ничтожной по современным масштабам, — Э. Резерфорд отбросил проект, «подобно раскаленному кирпичу».

Нам, живущим в эпоху создания великолепных ускорителей, таких, как Серпуховской или в Батавии, трудно представить, что во времена Э. Резерфорда непреодолимой казалась проблема создания источников постоянного высокого напряжения.

Группа итальянских физиков пыталась использовать для ускорения частиц грозовые разряды в горах. Однако вести эксперименты с таким непостоянным источником напряжения было по меньшей мере неудобно.

И вот настал 1932 год, когда сотрудники Э. Резерфорда — «его мальчики» — Д. Кокрофт и Е. Уолтон получили пучок протонов, ускоренных в разрядной трубке до энергии почти одного миллиона электрон-вольт. Тогда это была крупнейшая победа. Впервые в истории физики можно было наблюдать ядерные реакции, вызванные искусственно ускоренными частицами. Можно понять восторженность Н. Бора, который в письме к Э. Резерфорду назвал это примитивное устройство «мощным средством» науки.

Так началась эра ускорителей в физике элементарных частиц.

Следующим важным шагом было создание Э. Лоуренсом кольцевого ускорителя — циклотрона, форму которого унаследовали и современные гигантские машины. Однако принцип работы циклотрона не позволял получать частицы с энергией выше нескольких десятков миллионов электрон-вольт. Поэтому можно считать, что история ускорителей, сыгравших огромную роль в познании микромира, начинается в 1944 году. В этом году советский ученый В. Векслер сообщил об открытии принципа автофазировки. Путь к высоким энергиям был проложен.

Теперь ускорители с энергией в несколько миллиардов электрон-вольт и выше стали играть роль «волшебной палочки», с помощью которой можно в любой момент создать «красочную феерию» из множества элементарных частиц.

Вспомните, как все это происходит. Ускоренные до огромной энергии протоны сталкиваются с мишенью, расположенной либо внутри вакуумной камеры, либо на выходе протонного пучка из ускорителя. И во все стороны разлетаются нейтроны, протоны, мезоны, резонансы…

К сожалению, не вся энергия сталкивающихся частиц расходуется на рождение новых. Масса быстрых, ускоренных протонов значительно больше массы протонов, находящихся в неподвижной мишени. И при их соударении значительная доля энергии протона-«снаряда» уходит на движение обеих частиц. А на рождение новых остается совсем немного. Только при встречной одинаковой скорости они могут всю свою энергию превратить в энергию взаимодействия. Но нельзя же передвигать мишень с околосветовой скоростью навстречу ускоренным протонам.

А почему нельзя? — задумались ученые. Игра стоит свеч: если скорости встречных частиц будут близки к скорости света, то эффект их взаимодействия может увеличиться не в 4 раза, как предсказывает механика Ньютона, а, например, в 4 тысячи. При столкновении двух электронов с энергией в миллиард электрон-вольт эффект их взаимодействия будет эквивалентен энергии ускорителя на 4000 миллиардов электрон-вольт!