Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы - [78]

Большую камеру Глэзер построил на жидком водороде при температуре -246 °C в 1953 г. На ней были зафиксированы новые типы реакций, не поддававшихся ранее наблюдению, и удалось получить о них в тысячи раз большую информацию.

Отметим, что после получения Нобелевской премии Глэзер заинтересовался приложением физики к молекулярной биологии и начал изучать микробиологию. Он исследовал эволюцию бактерий, регуляцию клеточного роста, канцерогенные вещества и генетические мутации. При этом он разработал компьютеризованную сканирующую систему, которая автоматически идентифицирует виды бактерий с помощью тех методов анализа фотографий, которые используются при работе на пузырьковых камерах.

* * *

В следующем типе приборов используются другие физические принципы — это искровые камеры: между двух горизонтальных пластин, на которые подается напряжение, близкое к пробойному, находится газ. Когда через эту систему проходит заряженная частица, то по ее следу, иногда даже закрученному в спираль, происходит пробой, пробегает как бы микромолния, которая сама включает фотокамеру и себя снимает[49].

В такой камере можно поместить много пластин, а еще лучше поместить в нее систему проволочек и рассматривать далее разряды и возникающие электрические поля. Такая система, если сигналы передаются прямо на компьютер, может анализировать трехмерную и быстроменяющуюся картину взаимодействий и вспышек, всего до миллиона событий в секунду — множество резонансов и частиц, о которых мы будем потом говорить, — а для этого нужно было придумать и осуществить системы световодов, счетчиков фотонов и т. д. и т. п.[50] Для сравнения заметим, что в пузырьковой камере можно было зафиксировать и визуализировать (от латинского «визуз» — зрение) не более двух событий в секунду.

4. Ускоритель Кокрофта — Уолтона

Джон Кокрофт (1897–1967) и Эрнест Уолтон (р. 1903) работали в лаборатории Резерфорда. Кокрофт вместе с П. Л. Капицей разрабатывал мощные магниты и решил применить их для ускорения альфа-частиц, любимого им и в то время единственного оружия для проникновения в атомное ядро — именно при бомбардировке ими удалось ранее превратить атомы азота в атомы кислорода.

Но поскольку альфа-частицы, как и ядра, положительно заряжены, т. е. взаимно отталкиваются, то для их столкновения нужно увеличить энергию альфа-частиц или же увеличить интенсивность их потока (вероятность столкновения будет очень мала, но не равна нулю при любой энергии).

Для преодоления ядерного барьера требуется энергия альфа-частиц в несколько миллионов эВ, что в то время было абсолютно недостижимо. Но тут Кокрофт прочитал в 1928 г. статью Г. Гамова о том, что, поскольку альфа-частицы обладают волновыми свойствами, некоторые из них могут покинуть ядра, туннелировать сквозь барьер, хотя, согласно классической теории, это невозможно.

Вероятно, полагал Гамов, некоторые альфа-частицы даже малой энергии могут покинуть ядра, но для их обнаружения нужно исследовать очень большое число ядер. Когда Гамов посетил Кавендишскую лабораторию, Кокрофт расспросил его о возможности обратного процесса, о том, могут ли альфа-частицы малой энергии проникнуть в ядро, несмотря на силы отталкивания. Гамов подсчитал, что такие случаи можно обнаружить, если направить на ядро достаточно большое число альфа-частиц.

И тогда Кокрофт и Уолтон разработали установку, способную подавать напряжение всего лишь в 600 киловольт к трубке, содержащей водород. С помощью этой установки они в апреле 1932 г. бомбардировали литий ядрами водорода, протонами. «Почти сразу же, — вспоминал потом Кокрофт, — при энергии в 125 киловольт доктор Уолтон увидел ядерную сцинтилляцию, характерную для альфа-частиц». На этой установке они превратили литий и водород в два атома гелия, став, тем самым, первыми учеными, которым удалось искусственно расщепить атом.

Поскольку число высокоэнергичных альфа-частиц в пучке было мало, то только одна из каждых десяти миллионов частиц, направленных на легкие атомы вроде лития и бора, расщепляла ядро и высвобождала энергию. Однако именно их достижения послужили экспериментальным подтверждением теории туннелирования Гамова и показали, что количество энергии, освобождающейся при превращениях атомов, точно соответствует основному уравнению теории относительности Эйнштейна: Е = mс².

Создание ускорителя и полученные результаты были увенчаны Нобелевской премией по физике 1951 г.

5. Эрнест Лоуренс

Первой значительной работой Эрнеста О. Лоуренса (1901–1958, Нобелевская премия 1939 г.), о которой нужно рассказать, является экспериментальная демонстрация принципа неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, измерение энергии, например, фотона, становится тем неопределеннее, чем короче время измерения. Так как энергия фотонов, согласно М. Планку, пропорциональна частоте света, то неопределенность в энергии сводится к неопределенности в частоте. Линия в оптическом спектре в действительности представляет собой узкую, но четкую и хорошо определенную полосу световых частот. Включая и очень быстро выключая свет во время измерения частоты спектральной линии, Лоуренс показал, что линия расширяется. Источник света не претерпевал никаких изменений, хотя его частота становилась менее определенной, как и следовало из принципа неопределенности Гейзенберга.