Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

В 1924 г. Дмитрий Владимирович Скобельцын (1892–1986) первым догадался, что если поместить такую камеру в магнитное поле, то по отклонению следа частицы влево или вправо можно определить ее заряд. Работы у него шли весьма успешно: электроны из космических лучей отклонялись, как частицы с отрицательным зарядом, в одну сторону, а положительные протоны и альфа-частицы — в другую.

Но вдруг в 1929 г. он получает снимки, на которых явно запечатлен след электрона, но отклоняется он в противоположную сторону. Скобельцын решил, что это электроны, но они влетели в камеру не с той стороны, т. е. не сверху, как все нормальные космические частицы, а снизу, прошли, понимаете ли, всю Землю насквозь. Он не знал, по-видимому, созданной к тому времени, но еще, правда, не общепринятой и не совсем понятой теории Дирака, по которой каждой частице должна сопутствовать античастица с такой же массой, но с противоположным зарядом. Позитрон был открыт только через три года на точно таком же снимке…

Многочисленные усовершенствования камеры Вильсона сделали ее основным рабочим инструментом ядерной физики и зарождавшейся физики элементарных частиц, однако она не лишена недостатков. Главнейшие из них такие: во-первых, чем быстрее частица, т. е. чем выше ее энергия, тем меньше ионов она успевает создать на своем пути — поэтому для частиц высоких энергий нужно увеличивать размеры камеры, что технически очень сложно, а то и невозможно. Во-вторых, после каждого снимка нужно заново ожижать пар в ней и снова его испарять, а это требует немало времени. Следовательно, нужен поиск новых способов регистрации частиц.

Новый тип камер, пузырьковых, был изобретен и осуществлен Дональдом А. Глэзером (р. 1926, Нобелевская премия 1960 г.), учеником и сотрудником Карла Андерсона.

Талантливый музыкант, Глэзер думал о карьере скрипача и даже в возрасте шестнадцати лет выступал с Кливлендским симфоническим оркестром, но затем победила физика, и после университета его увлекли космические лучи. Работа с камерой Вильсона, длительные простои при ее очищении и наладке, сложности исследования при больших энергиях частиц — все это возвращало его к мыслям о новых приборах.

Рассказывают, что основная идея новой камеры зародилась тогда, когда Глэзер сидел в кафе и меланхолически попивал из кружки пиво. По восточноевропейской привычке (его семья родом из России), он сыпал понемножку соль в пиво и вдруг заметил, что от каждой крупинки в кружке поднимается след из пузырьков. Но ведь то же самое произойдет, если через доведенную почти до кипения жидкость пропустить заряженную частицу: она образует ионы, а на них возникнут пузырьки пара. Вот и быстродействующая замена камере Вильсона!

Глэзер попытался установить, могут ли частицы высоких энергий быть «пусковыми механизмами» кипения перегретой жидкости под давлением. Первые опыты он проводил с бутылками подогретого пива и газированных напитков, чтобы определить, что влияет на пенообразование. После более тонких экспериментов и расчетов он обнаружил, что при соответствующих условиях пролетающие заряженные частицы могут «запускать» кипение перегретой, находящейся под давлением жидкости.

Начал он со стеклянных камер разной формы с объемом в несколько кубических сантиметров и с перегретым эфиром внутри. Уже в них ему со временем (в 1952 г.) удалось создать очень неустойчивое состояние и зафиксировать четкие треки частиц с помощью высокоскоростной киносъемки прежде, чем жидкость закипала. Фактически метод Глэзера был как бы зеркальным отражением метода Вильсона: в камере Вильсона трек образуют капельки жидкости в газе, а в пузырьковой камере трек создавался из газовых пузырьков в жидкости.

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] Камера эта, в основном, была придумана и построена моим другом, безвременно скончавшимся Георгием Евгеньевичем Чиковани (1928–1968) в ЦЕРНе, международном физическом центре в Женеве. .

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] Эти системы сконструировал и осуществил в ЦЕРНе Жорж Шарпак (р. 1924, Нобелевская премия 1992 г.), помимо применений на ускорителях, его камеры с успехом используются в медицине. Уроженец Польши, он ребенком попал во Францию, партизанил в годы войны, чудом выжил в концлагере Дахау, получил образование горного инженера, но увлекся физикой и начал работать в физических лабораториях. Сейчас он трудится над созданием приборов, предупреждающих о приближении землетрясений по анализу потоков радона из Земли. (См: Шарпак Ж. и Содинос А. Жизнь как связующая нить. М., 2001.) Для сравнения заметим, что в пузырьковой камере можно было зафиксировать и визуализировать (от латинского «визуз» — зрение) не более двух событий в секунду.

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.