Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц - Сьюзи Шихи

всего, вы воспользуетесь техникой, разработанной братьями Лоуренс и их командой. Во всем мире ежегодно проводится от 15 до 20 миллионов таких сканирований – примерно одно на сто человек в развитых странах.

Без сотрудничества Джона и Эрнеста Лоуренсов, без стремления разбивать атомы все более и более мощными ускорителями и без междисциплинарного сотрудничества ничего этого не было бы. Сиборг позже говорил, что, когда он работал над поиском радиоизотопов, у него не было ни малейшего представления о полезном клиническом применении его открытий. Лоуренс, конечно, не думал, что создаст машину, которая изменит медицину. Джон и Эрнест, когда были молоды, и не предполагали, что будут работать вместе. Тем не менее Лоуренса и его лабораторию стали считать пионерами междисциплинарного сотрудничества и основоположниками эры Большой науки.

Вдохновение, которое подтолкнуло Лоуренса к созданию циклического ускорителя, проложило путь к более высоким энергиям, чем когда-либо видела наука. На протяжении десятилетий циклотрон двигал ядерную физику вперед. Даже Чедвик построил один такой циклотрон в Ливерпульском университете, заручившись помощью Лоуренса и сказав ему, что это один из самых красивых когда-либо изобретенных инструментов. Тем не менее, несмотря на все открытия и достижения в медицине, энергия циклотронных лучей все еще была намного меньше энергии частиц, исходящих от космических лучей, и в конце концов даже эти прекрасные машины начали достигать своего предела.

Огромное количество железа, необходимое для изготовления магнитов, затрудняло создание более крупных машин. Даже при достаточном количестве железа законы физики в конечном итоге сорвут планы создания все больших и больших циклотронов. Специальная теория относительности Эйнштейна утверждала, что по мере приближения частиц к скорости света они будут продолжать набирать энергию, но больше не будут набирать скорость. Это означает, что с увеличением энергии частицы в циклотроне будут рассинхронизироваться с ускоряющимися толчками и достигнут своего верхнего предела, возможно, в несколько сотен Мэ В. Пришло время что-то менять.

Глава 7

Синхротронное излучение: неожиданный свет

В 1933 году радиоинженер из компании Bell Labs Карл Янский сканировал небо на «коротких волнах» или радиочастотах с помощью антенны. Он пытался выяснить наличие каких-либо источников шума, которые могли бы помешать телекоммуникационной компании AT&T передавать телефонные сигналы через Атлантику. Вместо этого он обнаружил таинственное шипение, которое он поэтически окрестил «звездным шумом», – космические радиоволны, наиболее сильные в направлении края нашей галактики. Тысячелетиями люди смотрели в ночное небо, не зная, что видят всего лишь часть происходящего снаружи, не дальше видимого спектра. Открытие Янского показало, что большая часть света, исходящего из Вселенной, находится не в видимом спектре, а в радиоспектре.

Так совпало, что это открытие случилось тогда же, когда физики-ядерщики изучали природу в ее мельчайших масштабах. Две области – астрономия и ядерная физика – поначалу казались не связанными, пока случайное открытие с использованием ускорителей частиц не привело к объединению знаний двух областей. Результатом стало не просто более глубокое понимание астрофизики, но и создание мощных инструментов, сейчас использующихся практически во всех областях науки, открытия которых повлияли на всю нашу жизнь.

Поначалу астрономическое сообщество проигнорировало открытие Янским космических радиоволн. Но вскоре эту тему подхватил другой радиоинженер, Гроут Ребер. Ребер профинансировал и построил первый радиотелескоп в Иллинойсе в 1937 году и обнаружил яркие источники радиоволн в созвездиях Лебедя и Кассиопеи. Со временем астрономы обратили на это внимание, и этот новый инструмент привел к заметному сдвигу в нашем взгляде на космос. К 1950–1960-м годам радиоастрономия дала нам совершенно иной взгляд на Вселенную, открыв то, о чем мы раньше не знали. Небесные объекты излучали радиоволны, включая нашу галактику Млечный Путь. Астроном Джесси Гринштейн позже говорил в интервью The New York Times, что заря радиоастрономии «привела к появлению информации, которая перевернула идею рационально развивающейся Вселенной… и заменила ее релятивистским космосом сверхвысоких энергий, полным страшных, жестоких, неконтролируемых сил, таких как черные дыры и квазары. Это была революция»[156].

Радиоастрономия привела ко многим открытиям. Например, в 1945 году геолог и физик Фрэнсис Элизабет Александер установила, что радиосигналы исходят от Солнца. В 1967 году Джоселин Белл Бернелл обнаружила объекты, излучающие интенсивные регулярные импульсы радиоволн, напоминающие внеземной маяк, за что они получили прозвище «маленькие зеленые человечки». Пульсары, как мы называем их сегодня, – это чрезвычайно компактные вращающиеся звезды, испускающие излучение со своих полюсов, из которых астрономы многое узнали о процессах в конце жизни звезды. Открытие пульсаров было настолько важным, что за него удостоили Нобелевской премией, но не Белл Бернелл – очевидно, из-за ее статуса аспирантки в то время: вместо нее награду получил ее научный руководитель Энтони Хьюиш[157].

Сегодня многое из того, что мы знаем о космологии, черных дырах, сверхновых и других впечатляющих объектах во Вселенной, – результат десятилетий работы в области радиоастрономии, но еще в 1940-х годах ученые искали ответ на важный вопрос: как эти объекты, от пульсаров до Млечного Пути, излучают радиоволны? Ответ был найден здесь, на Земле, физиками, строящими ускорители, чтобы проникнуть в атом.

В начале 1940-х годов на сцену вышел новый тип ускорителя частиц, который стал известен как бетатрон[158]. Часть «трон» означает «инструмент», а «бета» – излучение, которое состоит из высокоэнергетических электронов, именно то, чего так хотели ученые от новой машины.

Почему бы просто не использовать циклотрон? Оказывается, он отлично подходит для протонов и дейтронов, но плохо ускоряет электроны. Циклотрон, как мы видели в предыдущей главе, представляет собой машину, которая использует магнитное поле для изгиба заряженных частиц по кругу и колеблющееся электрическое поле, которое придает частицам большую скорость. Будучи самыми легкими представителями мира частиц, электроны очень легко достигают скорости, близкой к скорости света, и, согласно теории относительности, хотя частицы могут получать больше энергии на этих скоростях, они уже не становятся быстрее. Это означает, что колеблющееся электрическое поле теряет синхронность с электронами и начинает их замедлять. Физики, стремящиеся заполучить высокоэнергетические электроны для генерации рентгеновских лучей или проведения экспериментов по рассеянию, оказались в тупике. Но бетатрон доказал, что на циклотроне свет клином не сошелся, как любил говорить Лоуренс.

Бетатроны работают по несколько иному принципу. Они используют принцип магнитной индукции, то есть идею о том, что изменяющееся магнитное поле индуцирует ток в замкнутом проводящем контуре, точно так же, как индукционная плита генерирует ток, чтобы нагреть сковороду. Пучок электронов, движущийся по кругу, может действовать так, будто он находится в проволоке или сковороде. Таким образом, помещение электронов в изменяющееся магнитное поле может придать пучку энергию, одновременно удерживая и