Пол Хэлперн - Коллайдер
Сам Пауэлл, к счастью, выбрал себе другое поприще. Получив в 1921 г. в Кембридже стипендию, он поговорил с Резерфордом и попросился в кавендишскую группу аспирантом. Резерфорд принял его и в научные руководители к нему назначил Вильсона. Вскоре Пауэлл уже без труда собирал камеры Вильсона и с их помощью регистрировал частицы.
В середине 1930-х гг. Пауэлл вслед за Кокрофтом и Уолтоном построил собственный ускоритель и стал рьяно изучать столкновения между высокоэнергетичными протонами и нейтронами. К тому времени он уже обитал в Бристоле. Осколки столкновений Пауэлл сначала отслеживал в камерах Вильсона, но потом увидел, что особая фотоэмульсия (покрытый солями йода бромид серебра) дает более качественные изображения. На обработанных химическим раствором пластинках, которые Пауэлл ставил на пути потоков частиц, все распады оставляли след в виде черной «звездочки» на прозрачном фоне. Звездочка давала наглядную картину столкновения. А длина треков на фотопластинке позволяла достоверно судить об энергии осколков: ее недостаток указывал на присутствие контрабандистов вроде нейтрино, норовящих утащить с собой часть энергии.
В 1945 г к бристольской группе присоединился итальянский физик Джузеппе Оккиалини, а через год вызвал к себе одного из своих лучших учеников Сезара Латтеса. Вместе с Пауэллом они пошли на многое, чтобы распутать тайны космических лучей. Они брали тщательно завернутые фотопластинки и поднимались с ними на головокружительные высоты, в том числе во французских Пиренеях, куда их доставлял самолет Королевских ВВС Великобритании. Там ученые подставляли пластинки под напор небесных пришельцев, а потом с безмерным удивлением смотрели на замысловатую паутину высеченных частицами штрихов - воистину генеалогическое древо субатомных рождений, жизней и смертей.
Пауэлл потом вспоминал: «Когда мы привезли их [фотопластинки] в Бристоль и проявили, мы со всей очевидностью увидели: перед нами открывается новый, неизведанный мир. После проявки в следе от медленного протона выступило столько зерен, что он напоминал серебряный жезл, а крошечный участок эмульсии под микроскопом кишел осколками от столкновений частиц, которые по энергии значительно превосходили все то, что тогда удавалось получить искусственным путем. Было такое ощущение, будто мы вторглись в крытую оранжерею, где под защитой крепких стен нежатся деревья, усыпанные наливающимися соком экзотическими фруктами»44.
Среди всего этого разнообразия внимание ученых привлекла одна частица средних размеров, которая останавливалась и превращалась в другую. Словно обычный мюон появлялся из чуть более тяжелой разновидности. Однако к тому времени из ряда экспериментов было хорошо известно, что, распадаясь, мюон рождает электроны, но никак не другие мюоны. Поэтому экспериментаторы заключили, что родительская частица должна иметь иное происхождение. Авторы открытия дали ей имя «пи-мезон» (коротко его теперь называют просто пионом). Именно его вскоре отождествили с предсказанным Юкавой переносчиком ядерных сил.
Примерно в это же время Джордж Рочестер из Манчестерского университета на изображениях, полученных в камере Вильсона, обнаружил более тяжелую разновидность мезона, нейтральный каон. В его распаде, оставляющем след в форме буквы V, рождается два пиона: положительно и отрицательно заряженный. Физикам не составило труда понять, что пионы и каоны бывают трех типов: положительные, отрицательные и нейтральные, причем нейтральные каоны сами делятся на два класса с разным временем жизни.
Открытие мезонов имело настолько большое значение, что Нобелевская премия прилетела в руки к Пауэллу со скоростью света - в 1950 г., всего три года спустя. А Оккиалини в 1979 г. была присуждена еще одна престижная награда, Премия Вольфа. Вторым лауреатом в том же году стал Георг Уленбек.
Достижение бристольских ученых ознаменовало собой расцвет эпохи Кавендиша в экспериментальной физике элементарных частиц. А подавляющим большинством результатов, полученных с 1950 по 1970 г., мы обязаны американским ускорителям, особенно потомкам лоуренсовского циклотрона. Итогом бурного периода экспериментов стало осознание того, что «оранжерея элементарных частиц» и правда изобилует причудливыми фруктами.
Пока в физике высоких энергий - так стали называть экспериментальную ветвь физики элементарных частиц - число регистрируемых субатомных событий росло не по дням, а по часам, многие физики-ядерщики примкнули к астрономам, чтобы вместе понять, как образуются природные химические элементы. В 1939 г. вышла знаковая статья физика Ганса Бете «Генерация энергии в звездах». В ней Бете продемонстрировал, что источником звездной энергии может служить термоядерный синтез, процесс слияния мелких ядер в более крупные. Два ядра водорода превращаются в дейтерий (тяжелый водород), дейтерий подбирает еще одно ядро водорода и дает гелий-3, и, наконец, два гелия-3 сливаются в гелий-4 с испусканием пары протонов - таковы основные звенья цикла, благодаря которому звезды вырабатывают свою гигантскую энергию и светят. Бете предложил и другие циклы с участием более тяжелых элементов (скажем, углерода).
В 1948 г. Георгий Гамов (уже сотрудник Университета им. Джорджа Вашингтона), подавая в печать свою с Гансом Алфером статью «Происхождение химических элементов», в качестве шутки вписал Бете в соавторы. Хотя истинными авторами являлись Алфер и Гамов, они прибегли к имени Бете, чтобы получилось созвучие с первыми тремя буквами греческого алфавита (альфа, бета, гамма). Иногда эту работу называют «алфавитной статьей».
Главной предпосылкой теории Алфера и Гамова о зарождении элементов является представление о том, что Вселенная возникла из невероятно плотного и сверхгорячего состояния, которое Фред Хойл прозвал Большим взрывом. (Хойл, будучи противником теории Большого взрыва, пытался выбрать название пообидней[20], но оно тем не менее прижилось.)
Гипотезу о том, что Вселенная когда-то была безумно маленькой, первым высказал бельгийский математик и священник Жорж Леметр. Серьезный фундамент под нее подвели наблюдения американского астронома Эдвина Хаббла, обнаружившего, что далекие галактики от нас удаляются, а следовательно, пространство расширяется. Алфер и Гамов предположили, что гелий, литий и более тяжелые элементы вышли из огненного горнила новорожденной Вселенной.
Как оказалось, они угадали с гелием, но ошиблись насчет других элементов. Молодая Вселенная действительно была достаточно разогрета, чтобы из водорода синтезировать гелий, но потом в процессе расширения она сильно охладилась и не смогла бы родить столько тяжелых элементов, сколько мы наблюдаем. Стало быть, углерод и кислород в растениях и животных идут не от Большого взрыва. А именно на роль котла, где варятся элементы тяжелее гелия, Хойл с тремя своими коллегами предложил адское пекло звездных ядер, которые после взрыва - вспышки сверхновой - выбрасывают эти элементы в космос.
Гамова сбила с толку сама возможность того, что за происхождение элементов могут отвечать два разных механизма. Верный своей юмористической манере, он выразил свою озадаченность и разочарование в пародии на библейский текст - поэме «Новая Книга Бытия».
«В начале, - гласит стих, - Бог создал излучение и илем (правещество)». Затем идет описание того, как Бог один за другим творит химические элементы, просто-напросто называя по порядку их массовые числа. К несчастью, на числе пять Бог запинается, подвергая опасности всю свою затею. Но вместо того чтобы начать заново, Он находит другой выход из положения: «И сказал Бог: “Да будет Хойл”… и повелел ему сделать тяжелые элементы так, как тому будет угодно»45.
Несмотря на неудачу с тяжелыми элементами, теория Большого взрыва дала необычно плодотворное объяснение происхождения Вселенной. Важной вехой, добавившей в копилку теории доказательств, стало обнаружение в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом В. Вильсоном реликтового излучения. Наставленная ими в небо рупорная антенна независимо от направления регистрировала постоянный радиошум с температурой около 3 градусов выше абсолютного нуля (нижнего предела температуры). Изучив результаты этих наблюдений, ученый из Принстона Роберт Дикке продемонстрировал, что распределение и температура радиошума полностью согласуются с представлением о горячей расширяющейся Вселенной, которая со временем остывает.
В 1990-х и в 2000-х гг. на орбиту были запущены спутники СОВЕ («Спутник для изучения реликтового фона») и WMAP[21] («Зонд им. Уилкинсона для исследования анизотропии микроволнового фона»). Как видно из их названий, они занимались (WMAP до сих пор занимается) составлением подробной карты реликтового излучения. В частности, они позволили заметить, что хоть микроволновое излучение и невероятно однородное, оно испещрено горячими и холодными пятнышками - свидетельство того, что в ранней Вселенной уже содержались зачатки будущей структуры: звезд, галактик и остальных астрономических объектов. Эта карта температуры, отображенная в условных цветах, получила прозвище «детское фото Вселенной».
