Пол Хэлперн - Коллайдер
Паули и сам оставил квантовой механике наследство: представление о том, что два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Принцип запрета Паули привел двух голландских ученых, Самюэла Гаудсмита и Георга Уленбека, к идее о том, что электрон может выстраиваться в двух направлениях, то есть имеет спин. Как подсказывает название (англ. spin - «быстрое вращение»), спин характеризует внутренний момент импульса электрона. Но, прежде всего, интересны свойства спина по отношению к магнитному полю. Если поместить электрон в вертикальное магнитное поле (скажем, внутрь магнитной катушки), электрон, словно мини-магнит, будет смотреть либо по направлению поля («спин вверх»), либо против («спин вниз»).
Электрон - слуга двух господ: обычно он пребывает в смешанном состоянии, где позиции «спин вверх» и «спин вниз» представлены в равных долях. Постойте, как одна и та же частица может обладать двумя взаимоисключающими свойствами? В повседневной жизни стрелка компаса не может одновременно показывать и на север, и на юг, но в квантовом мире свои правила игры. Пока мы не измерили спин, у него, согласно принципу неопределенностей, нет четко заданного значения. Но вот экспериментатор включает внешнее магнитное поле, и тогда электрон поворачивается спином либо вверх, либо вниз - происходит, как говорят, коллапс волновой функции.
Допустим, два электрона идут в связке. Тогда, если у одного спин торчит вверх, другой тут же обращается вниз. Такой переворот имеет место, даже если электроны далеко друг от друга. В этом противоречащем интуиции явлении Эйнштейн усмотрел проделки «призрака дальнодействия». Из-за подобных странных взаимосвязей Эйнштейн был убежден, что когда-нибудь на смену квантовой механике придет более глубокая и более ясная теория.
Что касается Бора, он не открещивался от парадоксов, наоборот, чувствовал себя среди несовместимых понятий как рыба в воде. Например, именно он сформулировал принцип дополнительности, гласящий, что электрон - это одновременно и волна, и частица. Время от времени Бор также был не прочь изречь очередной афоризм. Однажды он сказал: «Глубокая истина - это такая истина, чьей противоположностью тоже является глубокая истина». Полностью в его духе было поместить в самый центр своего герба даосский символ единства противоположностей - инь-ян.
Несмотря на свою непримиримую философскую позицию, Эйнштейн соглашался с Бором в том, что квантовая механика превосходно объясняет экспериментальные данные. Одним из знаков признания ее заслуг было выдвижение Эйнштейном Гейзенберга и Шрёдингера на Нобелевскую премию по физике. Гейзенбергу ее присудили в 1932 г., а Шрёдингер в 1933 г. разделил эту честь с британским специалистом по квантовой механике Полем Дираком. (Эйнштейн и Бор - лауреаты соответственно 1921 и 1922 гг.)
Резерфорд, однако, по-прежнему относился к квантовой теории с настороженностью и основное свое внимание уделял экспериментальным исследованиям атомного ядра. В 1919 г. Томсон сложил с себя звание кавендишского профессора и оставил пост директора Кавендишской лаборатории, а за ним в эту почетную должность вступил Резерфорд. Свой последний год в Манчестере и первые годы после переезда в Кембридж он занимался тем, что бомбардировал различные ядра быстрыми альфа-частицами. Марсден в свое время заметил, что из того места, где альфа-частицы попадают в водородный газ, начинают лететь еще более быстрые частицы с более высокой проникающей способностью. Это оказались ядра атомов водорода. Резерфорд повторил опыты Марсдена, но заменил в них водород на азот. Каково же было его удивление, когда из азота тоже стали вылетать водородные ядра. Правда, сцинтилляции от ядер водорода, попадающих во флуоресцентный экран, не отличались яркостью, и их можно было увидеть только через микроскоп. Но они неоспоримо свидетельствовали о том, что атомы азота могут испускать из своих недр частицы. Открытие радиоактивности продемонстрировало, что атомы могут самопроизвольно превращаться друг в друга (претерпевать трансмутацию), а из экспериментов Резерфорда по бомбардировке вытекала возможность менять облик атомов искусственным образом.
Положительно заряженные частицы, входящие в состав всех ядер, Резерфорд стал называть протонами. Другие ученые хотели обозначить их термином «положительные электроны», но Резерфорд решительно воспротивился. Он отвечал, что протоны гораздо тяжелее электронов и вообще у них мало общего. Когда предсказание Дирака сбылось и все-таки был открыт настоящий положительно заряженный электрон, ему дали имя «позитрон». Позитроны стали первым известным представителем так называемой антиматерии, которая во всем похожа на обычную материю, но имеет заряд противоположного знака. Протоны, в свою очередь, являются неотъемлемой частью хорошо знакомой нам материи.
На помощь Резерфорду и его сотрудникам пришел новый детектор частиц - камера Вильсона. Она позволяла наблюдать следы от частиц (например, протонов), летящих от ядра-мишени. В то время как сцинтилляции и счетчики Гейгера давали только поток испускаемых частиц, камера Вильсона могла показать, как эти частицы движутся в пространстве, следовательно, помочь лучше понять их свойства.
Ее изобрел шотландский физик Чарлз Вильсон. Во время восхождения на гору Бен-Невис он заметил, что во влажном воздухе водяные капельки охотнее конденсируются в присутствии ионов, то есть заряженных частиц. Заряды притягивают молекулы, и те осаждаются из воздуха, оставляя в области, насыщенной электричеством, конденсационный след. Вильсон понял, что так можно регистрировать невидимые глазом частицы. Он взял камеру, заполнил ее холодным влажным воздухом и стал наблюдать цепочки сконденсировавшегося пара от пролетающих мимо заряженных частиц. Такой же след оставляют в небе реактивные самолеты. Эти треки, запечатленные на фото, дают кладезь ценной информации о ходе эксперимента.
Хотя первый опытный образец своей камеры Вильсон собрал еще в 1911 г., в ядерной физике их начали применять только с 1924 г. Именно тогда Патрик Блэкетт, аспирант из группы Резерфорда, задействовал этот прибор, чтобы зарегистрировать протоны от радиоактивного распада азота. Его данные находились в отличном согласии со сцинтилляционными экспериментами Резерфорда, предоставляя тем самым неопровержимое доказательство искусственного ядерного распада.
Ядро населяют не только протоны. В 1920 г. своим легендарным шестым чувством Резерфорд угадал, что помимо протонов ядро служит убежищем и для каких-то нейтральных частиц. Двадцать лет спустя ученик Резерфорда Джеймс Чэдвик нашел нейтрон - по массе такой же, как протон, но без заряда, а Гейзенберг вскоре после этого написал историческую статью «О структуре атомного ядра», где изложил принятую сейчас модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов.
Эта картина способна объяснить различные виды радиоактивности. Альфа-распад происходит, когда ядро испускает одновременно два протона плюс два нейтрона - исключительно устойчивую комбинацию. Затем бета-распад имеет место, когда нейтрон порождает протон и электрон. Из этих самых электронов и состоит бета-излучение. Но на этом, как показал Паули, история не кончается: в распаде нейтрона куда-то исчезает некоторая доля импульса и энергии. Паули решил приписать их почти неуловимой частице, которая потом была обнаружена и названа нейтрино. Наконец, гамма-компонента возникает, когда ядро переходит из квантового состояния с высокой энергией в низкоэнергетичное состояние. Альфа и бета-распад меняют количество протонов и нейтронов в ядре, и образуется новый химический элемент, а гамма-лучи оставляют состав ядра неизменным.
Блестящие открытия и методы Резерфорда преподали нам урок: для того чтобы заглянуть в мир природы на маленьких расстояниях, надо обратиться к элементарным частицам. Их источником на заре ядерной физики служили фонтанирующие альфа-частицами радиоактивные вещества. Они как нельзя лучше подходили для экспериментов по рассеянию, из которых Гейгер и Марсден увидели, что в атоме есть миниатюрное ядро. Но уже Резерфорд понимал: без более энергичных инструментов нечего и думать, чтобы серьезней и глубже проникнуть в природу ядра. Для ядерной крепости понадобится особо крепкий таран, а точнее, тараны - частицы, разогнанные в искусственных условиях до феноменально высоких скоростей. Резерфорд не без оснований решил, что Кавендишская лаборатория сумеет построить ускоритель частиц, хотя для его воплощения, признавал ученый, потребуются определенные теоретические усилия. К счастью, одному ловкому молодому человеку удалось улизнуть из сталинской крепости и провезти с собой на Фри-Скул-Лейн багаж квантовых знаний.
Ударными темпами. Первые ускорители
Нам нужен прибор, который давал бы разность потенциалов в 10 миллионов вольт, потребляя при этом несколько киловатт мощности, и который бы без угрозы безопасности можно было поставить в помещении умеренных размеров. Нам, кроме того, нужна труба с откачанным воздухом, выдерживающая такое напряжение… Я не вижу препятствий, могущих помешать построить систему с перечисленными параметрами.
