Даниил Данин - Неизбежность странного мира

А длина этой дорожки примерно 200 метров. За 5 миллионов оборотов частицы пролетают миллион километров. Это 25 кругосветных путешествий по экватору. Далекий путь. Сколько же времени должен он отнимать у частиц? Как долго вынуждены физики ждать того момента, когда впрыснутые в камеру частицы приобретут, наконец, нужную энергию?

Скорость спутников по земным масштабам кажется нам громадной — 8 километров в секунду. Обладай такою скоростью частицы в ускорителе, им на миллион километров пути понадобилось бы 125 тысяч секунд — более 2 тысяч минут — 34 часа. Ускоритель был бы пращой, которая стреляет один раз на протяжении полутора суток. С такой пращой нечего было бы и думать об успешной охоте. Но скорости, которые в мире больших тел представляются колоссальными, в мире элементарных телец показались бы совершенно ничтожными.

Восемь километров в секунду? Какие пустяки!

Когда спутник выходит на орбиту с этой поражающей наше воображение скоростью, на долю каждого грамма его вещества приходится действительно грандиозная величина — 10 с двадцатью четырьмя нулями, или триллион триллионов электроновольт энергии. Но ведь в каждом грамме примерно столько же, триллион триллионов, ядерных частиц — протонов и нейтронов. И вот получается, что полет даже с космической скоростью спутника сообщает каждой ядерной частице всего около одного электроновольта энергии. Нищенская порция, с точки зрения микромира.

В дубенском ускорителе протоны выходят из камеры настоящими миллиардерами. И потому в отличие от спутников они летят со скоростями, очень близкими к световой, преодолевая примерно 300 тысяч километров в секунду. Космический корабль, запущенный с такою скоростью, немедленно перестал бы быть спутником Земли: через секунду с небольшим он миновал бы Луну, через восемь с лишним минут покинул бы солнечную систему, а через четыре года уже подлетал бы к альфе Центавра — ближайшей к нам звезде, став первым галактическим кораблем. Однако мечты о таких скоростях осуществимы пока только в мире мельчайших крупиц вещества, где космические кораблики так малы, так легки, что в однограммовый кулечек их можно насыпать триллионы триллионов штук! Оттого-то, что они так невесомы, их удается разогнать почти до скорости света — до самой большой из возможных в природе физических скоростей.

Исчезающая малость размеров и масс в сочетании с невообразимо громадными скоростями делает мир элементарных частиц совсем не похожим на тяжелый и медленный мир земных вещей, среди которых живем и движемся мы, люди.

Весь путь в миллион километров — все 25 кругосветных путешествий по камере ускорителя — протоны совершают не за 34 часа, а за три секунды с третью. Синхрофазотрон в Дубне — ядерная праща, всегда готовая к бою.

На этом можно бы пока и остановиться, но нужно еще заполнить один зияющий пробел: не было сказано ни слова о том магнитном поле, которое рядом с электрическим заполняет камеру ускорителя. Ведь только на двух небольших участках частицы ускоряются, скатываясь с электрического спуска, а весь остальной их путь по камере пролегает в поле магнитном. Зачем же оно нужно? Зачем нужен круговой магнит весом в 36 тысяч тонн, который, как ребристая покрышка на колесе тяжеленного самосвала, плотно облегает тонкую велосипедную камеру ускорителя?

Он играет роль той карусели, на которой кружится безнравственный мальчик, таскающий доллары; роль той круглой загородки на арене, которая принуждает лошадь бежать по кругу; роль самой пращи, которая крепко держит камень, не давая ему преждевременно сорваться с кругового пути. Магнитное поле держит заряженные частицы на привязи; электрическое — гонит их вперед, а магнитное — все время заворачивает. Без него частицы немедленно врезались бы в стенку камеры, и тогда все усилия пропали бы даром — частицы сгинули бы бесследно! Магнитное поле не обогащает протоны энергией, но оно заставляет их каждые полкруга возвращаться к источникам ускорения — к пояскам электрического поля. Без магнита круговой ускоритель невозможен.

Когда впервые узнаешь об этом скромном предназначении уникальной громады дубенского магнита, срывается с языка вопрос — а зачем гонять заряженные частицы по кругу? Разве нельзя устроить так, чтобы они просто падали по прямой с высоченной электрической горы и к концу такого прямолинейного падения приобретали нужное ускорение?

Физик тотчас соглашается, что это совершенно правильная идея. Вся трудность в том, что для этого нужно было бы соорудить гору «высотою» в 10 миллиардов вольт. Другими словами, надо было бы создать электрическое поле в тысячу раз более сильное, чем поля в грозовых облаках, вызывающие разряды молний. Это была бы игра со сверхчудовищными грозами. Но нетрудно догадаться, что и этот опасный путь был все-таки испробован физиками, которых ничто и никогда не могло устрашить. «Дух приключений»!

В журналах тридцатилетней давности можно найти сообщения о попытках ученых приручить атмосферные электрические поля в горах для ускорения протонов. Трагическое в истории науки постоянно соседствует с героическим. При одном из таких опытов в Альпах был убит физик Курт Урбан.

Но дело не в опасностях, а в том, что другой путь создания частиц высоких энергий — космических частиц на Земле — оказался перспективней. Этот путь уже нам знаком: не сразу, а порциями увеличивать энергию частиц. Можно сделать так, чтобы они не падали прямо со всей высоченной электрической горы, а спускались как бы по лестнице, со ступеньки на ступеньку, понемногу наращивая энергию на длинном пути. Такие, правда не очень мощные, линейные ускорители есть во многих лабораториях. Да и в самой Дубне протоны сначала разгоняют до 8 миллионов электроновольт в прямой трубе, а потом только впрыскивают в круговую камеру. Но теперь уже и на таких линейных ускорителях (начинают получать частицы-миллиардерши. Известный физик Панофский сооружает в Америке подобную машину для ускорения электронов — она будет иметь в длину примерно две мили.

А можно поступать по-другому: можно ускорять частицы, не спуская их с чудовищно длинной лестницы, но сотни, тысячи, миллионы раз возвращая их к скромному источнику энергии — к электрическому полю сравнительно небольшого напряжения. А возвращать частицы к одному и тому же месту естественней всего вращением. Вот тут-то и пригодились свойства магнитного поля.

Дело в том, что заряженные частицы в движении отличаются от заряженных частиц в покое. И отличаются очень важной чертой: движущиеся заряды создают вокруг себя не только электрическое, но и магнитное силовое поле. А раз так — они могут взаимодействовать с магнитом. Магнитное поле — ловушка для таких частиц: оно старается не выпустить их за свои пределы.