Неизбежность странного мира

Можно записать математическими значками эту закономерность, и мы увидим, как выглядит знаменитая формула Планка:

E = hν

где h — всегда неизменная величина, «мировая постоянная»,

ν — частота колебаний,

E — энергия кванта.

Эта формула столь же прекрасна в своей удивительной простоте, как закон Эйнштейна для связи энергии и массы частиц. Нет, она еще проще. И в ней, как мы увидим, уже исчезает различие между полем и веществом…

«Фотон фиолетового света в два раза больше красного фотона». Услышав такую фразу, мы теперь вряд ли будем рисовать себе более «пухлую» фиолетовую корпускулу.

Как заманчиво было бы сравнить фотоны с плитками волнистой черепицы: все они одинаковы по размерам, но у фиолетовой плитки волнистость в два раза гуще, чем у красной, а стало быть, волны на ней в два раза короче, и материала пошло на нее в два раза больше, чем на красную соседку. Да вот несчастье — ничего нельзя сказать о геометрических размерах фотонов, и колеблется в них не сама энергия-масса, а напряженности (или силы) электрического и магнитного полей. Словом, угодить всем особенностям фотона в житейски понятном сравнении невозможно. Бесцельно искать для него механическую модель. Поиски обречены на неудачу!

Когда фотон взаимодействует с электроном и отдает ему свою энергию, ученые вспоминают бильярдные шарики — их столкновение. И невольно создается впечатление, что частица света — действительно частица, и только частица! Масса у нее есть? Есть. Это масса ее энергии. Направление движения есть? Есть. Это направление луча. Что еще нужно?

Когда фотоны огибают препятствия, ученые вспоминают о волнах, И теперь создается впечатление, что свет — действительно волны, и только волны! Колебания определенной частоты в электромагнитном поле есть? Есть. Непрерывность поля налицо? Налицо. Что еще нужно?

Получается: в одних случаях — град, в других — ветерок. А на самом деле? Такой вопрос волей-неволей срывается с языка. Между тем он бессмыслен. Бессмыслен, ибо и то и другое имеет место на самом деле! Поведение фотонов как частиц — физическая реальность. Поведение фотонов как волн — такая же физическая реальность.

Даже у плитки с волнистой черепицей можно с легкостью обнаружить похожую двойственность свойств. Когда она падает с крыши и ударяет прохожего по голове, он ни в алей-шей степени не замечает ее волнистости, зато сполна ощущает ее массивность. Но когда мальчишка пробегает мимо потирающего затылок невезучего пешехода и босой ногой наступает на уцелевшую плитку, он не получает никакого представления об ее массе, зато довольно болезненно чувствует ее волнистость. Какова же плитка на самом деле?

У фотона двойственная природа: он частица-волна!

Видите, история вовсе не вернулась «на круги своя». Световые корпускулы Ньютона сменились световыми волнами Гюйгенса, а затем пришли корпускулы-волны — «кентавры», как лет пятнадцать назад назвал их наш известный теоретик М. А. Марков. (Вспомнил о мифических полулюдях-полуживотных и западный философ-физик Ф. Франк).. Но и корпускулярность этих «кентавров» совсем не та, какой наделил Ньютон свои частицы, и волнообразность их совсем иного рода, чем думали прежде приверженцы волновой теории.

Представление о волнах-частицах или о частицах-волнах — завоевание физики XX века. И неисчислимы последствия этого странного представления. Они так неожиданны и так глубоки, что один из создателей науки о микромире — Луи де Бройль — назвал открытие двойственности волн-частиц «наиболее драматическим событием в современной микрофизике».

Если бы эти слова произнес писатель или историк, никто не удивился бы. Каждый только подумал бы, что говорить о физических идеях как о драматических событиях, пожалуй, не очень уместно; однако спорить тоже не стоит: известное дело — писатели любят выражать свои мысли красиво, а историки — патетически… Но тут о драматизме идей заговорил сам ученый! И мы еще не раз почувствуем его правоту.

А теперь надо вернуться к началу этих «путевых заметок», чтобы посмотреть наконец, как удается физикам сделать невидимое и неслышное явным.

Глава шестая

Романтика без романтики. — Кинокадры однообразного фильма. — Кто они, строители туманных тоннелей? — Физик имел право улыбнуться. — Летит релятивистская частица! — Что делать с подробностями? — «Поющие электроны». — История расточительства. — Грация экономного чуда. — Начало арагацкой легенды. — Миражи, миражи… — Остаются ли развалины от воздушных замков?

1

Невзначай возникшее в памяти облачко на Арагаце все стоит у меня перед глазами. Оно зовет на эту гору очарований и разочарований, но напоминает о вещах, от науки далеких. Впрочем, может быть, и не таких уж далеких?

…Вездеход застрял в грозе. Вернее, застрял-то он в грязи, но вокруг была гроза. Вокруг, а не над нами. Молнии не имели тут никакого сходства с ветвистыми трещинами неба, с зигзагами предупреждающих стрел: «Осторожно! Высокой напряжение!» Прямо из-за каменных бурунов слева и справа выплескивались тусклые вспышки. И тотчас грохот перекатывался по каменным осыпям ниже и выше нас.

Кто-то сострил, что на Арагаце у света и звука скорость, наверное, одна и та же. Однако сочувствия острота не вызвала — потоки воды заливали машину и грозили сделать дорогу совсем непроходимой, вездеход увязал все глубже, точно хотел доказать, что со словами «везде» и «всегда» надо обращаться осмотрительней.

А было это уже в июне, когда весна добралась, наконец, из Араратской долины до арагацких высот. Блаженное время года. Но здесь и оно умеет подстраивать людям каверзы. Утром с горы сообщили по радио: «Погода прекрасная». Облачко на склоне Арагаца было, конечно, не в счет. Но к полудню оно стало шириться и наливаться синевой. Руководитель арагацких физиков Артемий Исаакович Алиханян предупредил шофера: «Наденьте цепи!»

Однако молодой шофер ослушался. Он и машины не обул и сам не надел ни ватника, ни брезентовой штормовки. Теперь его красивый зеленоватый пиджак был исхлестан тропическим ливнем, а физики ругали его, не жалея слов, и помогали ему, не жалея сил. Долгая задержка была на редкость некстати, а сидение в грозе — на редкость ненадежным. Но я думаю, что против легкомыслия водителя вздыбились тогда не только обстоятельства минуты, но и вся история Арагацкой высокогорной лаборатории.

С Арагацем нельзя шутить. Об этом предупреждают старожилы. Шофер вездехода, наверное, играл еще в деревянные грузовички и картонные танки, когда в самое трудное время войны по дикому бездорожью потянулась к вершинам горы экспедиция физиков; когда у Черного озера возник среди камней и холодных ветров первый палаточный лагерь исследователей космических лучей; когда только вьючные ослы могли служить на каменистых склонах надежными вездеходами; когда за поворотами неверных троп доверчивых людей подстерегали недобрые «духи приключений»; когда лихость или небрежность могли стоить человеческих жизней и внезапные бураны, непроглядная мгла, непредвиденные обвалы, в самом деле, взимали порой эту дорогую дань с обитателей горы — пионеров ее заселения.

Совсем как ветераны войны, старожилы Арагацкой лаборатории любят по всякому поводу вспоминать ту начальную пору в истории станции. Лет десять назад об этой поре хорошо рассказала писательница Екатерина Строгова в интересном очерке «На горе Арагац».

С тех пор накопились и копятся новые воспоминания. В них меньше места занимают лишения и опасности. В них меньше того, что называется романтикой, как меньше ее в плаванье океанского парохода по сравнению с путешествием, парусника. Наверное, эта романтика вовсе исчезнет, когда лента асфальта вскоре дозмеится до Черного озера, и мачты высоковольтной линии дошагают до маленького поселения на высоте 3 250 метров, и само это поселение разрастется, потому что вслед за пионерами Арагаца там, конечно, построят себе лаборатории и ученые других специальностей — все, кому полезно быть поближе к небу. А летом в свободные дни станут запросто приезжать туда ереванцы — покататься на лодке, подышать высотой. И если придет кому-нибудь в голову гуманная мысль — соорудить на берегу Карагеля туристскую базу с водной и лыжной станциями и поднебесным ресторанчиком с армянской форелью, но без армянского коньяка (это запретная вещь на такой высоте), может быть, физикам предоставят право выбрать для нее название. И, может быть, они решат окрестить ее звучным, но только им одним понятным словом — «Мезон»? (Не французским «мезон», или «дом», а физическим термином того же звучания, но совсем другого смысла и происхождения.)

Об утрате первоначальной романтики лишений и опасностей исследователи вряд ли будут жалеть: дело лучше делать в такой обстановке, где минимум усилий тратится на вынужденный героизм. Но в слове «мезон» будет всегда оживать для них вдохновляющий пионерский дух Арагаца.

Меня мучит одно сомнение: надо ли говорить о таких вещах, так же как вообще о работе ученых, в возвышенных выражениях? За нарядными словосочетаниями незаметно ускользает реальная жизнь. Она превращается в легенду. А участники любого дела вовсе не творят свои биографии, но просто работают. Так и люди на Арагаце — они просто работают. Работают, устают, клянут непогоду, томятся надеждами и раздражаются, когда что-нибудь не выходит, не любят придирчивости начальства, привередничают из-за однообразия борщей и баранины, пишут письма и жаждут свиданий, радуются случаю спуститься вниз, к вечерним огням Еревана, и снова работают, работают, работают. И не предаются мыслям о своей исключительности и не видят в своей жизни ничего легендарного, разве что за вычетом тех редких эпизодов, о которых с жадностью расспрашивают их заезжие журналисты, нечаянно заставляя обитателей горы возвыситься на минуту над самими собой и над трудной арагацкой повседневностью. И когда подумаешь вдруг о неизбежной улыбочке, с какою читают эти люди заученно возвышенные, хотя и совершенно искренние слова об их романтической работе и жизни, язык прирастает к нёбу и на полуслове обрывается полуправдивое красноречие.

…Сверху, с горы, я увез на память выпрошенный подарок — кусочек кинопленки, всего четыре кадра. Не портрет и не пейзажи, кадры без людей и без природы. Но, честное слово, лучшей памяти об Арагаце и невозможно было бы с собой увезти. Когда смотришь на них против света через увеличительное стекло, теряешься в бездне маленьких, но поразительных событий, запечатленных на этих кадрах.

Правда, они умалчивают об арагацких буранах и многолетнем терпенье упрямых людей; зато они рассказывают об удивительных — снова удивительных! — приключениях ищущей человеческой мысли, которые привели ученых на Арагац.

Четыре кадра… Много это или мало? Для нас, любопытствующих, довольно и одного. Того, что рассказывает любой из них, хватило бы с избытком на полнометражный остросюжетный фильм — столько там отражено разнообразных происшествий и неожиданных скрещений многих судеб, наконец, рождений и смертей.

Действующие лица в этих событиях — элементарные частицы.

Когда мы поднимались на Арагац, чтобы увидеть, как незримое и неслышное становится явным, я уже знал, что на таких-то кадрах и заснято то, что, казалось бы, вообще невозможно заснять. И среди прочего — рожденье и гибель мезонов, тех самых мезонов, в которых оживает пионерский дух Арагаца.

2

Кадры выглядят так. Похоже, будто кто-то собрался записывать музыку на черной школьной доске и аккуратно разлиновал ее темную плоскость мелом, как нотную бумагу. Но раз уж перед нами настоящая кинопленка и нам померещились настоящие фильмы, останемся в кругу театральных сравнений. К тому же есть в них привлекательная наглядность.

Декорации в каждом кадре, сколько их ни просматривай, всегда одни и те же: темное прямоугольное пространство сцены расслоено на горизонтальные полосы светлыми линиями. Похоже, что действие разыгрывается на нескольких этажах современного каркасного дома и сцена изображает макет начатого конструктивистского здания в разрезе.

Эта сцена — внутренность камеры Вильсона. Ее темное пространство расслоено на полосы-этажи тонкими свинцовыми или медными пластинками. Чтобы сыграть свою роль, космические частицы появляются в камере по доброй воле, в одиночку, без сговора друг с другом, без предварительных репетиций и, наконец, не спрашивая, где вход.

Их появление совершенно случайно! Им не стоит особых усилий, кроме некоторых затрат энергии, ворваться в камеру через ее стенки: проникающая способность этих частиц — их талант, дающий им право на участие в фильме. Но и у физиков Арагацкой киностудии-лаборатории есть свои неотъемлемые права: они постановщики и операторы фильма и вовсе не обязаны снимать на пленку каждого, у кого обнаружились способности.

Это очень напоминает актерские пробы в настоящем кино: режиссер подвергает испытаниям множество кандидатов на роль, прежде чем выберет наиболее подходящего исполнителя. Правда, потом выбор может оказаться все-таки неудачным, но это уж другое дело: истинные таланты редки, нетрудно и ошибиться.

Вот так и физики на Арагаце: они долгие годы ищут новые элементарные частицы в космическом излучении и снимают только тех кандидатов в истинные новаторы, которым удается по крайней мере правильно сыграть предполагаемую роль. Это первое и обязательное требование. Ему удовлетворяют немногие или сравнительно немногие частицы, приходящие в камеру. Но какие из них действительно окажутся еще неизвестными «первоосновами», это решается не во время съемки, а позже — после придирчивого изучения заснятого фильма.

Непонятно, однако, как же убеждаются физики в том, что роль сыграна частицей хотя бы правильно, что ее стоит снимать для дальнейшего изучения? Ведь об удаче можно судить не раньше, чем частица сделала на сцене свое дело, но если она его уже сделала, то что "же, собственно, снимать? Нельзя же в самом деле вернуть случайную гостью на сцену и попросить повторить все сызнова?

Пора сказать, в каком фильме играют частицы. Тогда нам все станет ясно. Его название для нас не ново — «Ионизация».

Камеру Вильсона называют туманной. В ней и вправду может легко образовываться туман, так что это вовсе не образ — «туманная камера», а вполне техническое название. Она насыщена парами спирта в смеси с каким-нибудь газом. Стоит быстро расширить ее объем — пары немножко охладятся, сделаются пересыщенными, готовыми обратиться в капельки влаги. Так в часы холодных утренников во влажных низинах, где воздух пересыщен водяными парами, образуется туманная пелена. В камере Вильсона всегда готов опуститься туман спиртовой. Не хватает только одного — мельчайших пылинок, на которых оседали бы капельки влаги, или «центров конденсации», говоря языком ученых. Вот если бы появились в камере заряженные ионы каких-нибудь атомов, они прекрасно сослужили бы эту службу.

Фильм «Ионизация» начинается с того момента, когда врываются на затемненную сцену космические гостьи. Частицы высоких энергий, они сразу же принимаются растрачивать свое достояние на столкновения с атомами газа. Срывая с них наружные электроны, они усеивают свой путь заряженными обломками атомов — ионами, странниками Фарадея, Пьер Оже, написавший книгу о космических лучах в год окончания второй мировой войны, уподобил частицы высоких энергий вражеским мотоциклистам: врезаясь в мирную толпу, они калечат встречных, их дорога — дорога смерти, В дни мира можно обойтись без кровавых метафор. Не стоит называть ионы не только покалеченными трупами, но даже обломками: как-то не очень похоже. Заряженные ионы жизнедеятельней нейтральных атомов — с них точно сорвана маска безразличия, точно открылись вдруг привлекательные, энергичные лица: молекулы пересыщенного пара льнут к ионам, образуют вокруг них капельки, белеющие во тьме еще не освещенной сцены.

Узкий гуманный след тянется за космической частицей, обозначая череду ионов, созданных ею на своем пути. Теперь нужно на долю секунды включить юпитеры и заснять происшедшее — фильм будет готов. Незримое и неслышное станет явным.

Только нельзя снимать преждевременно — надо дать образоваться туманному следу, и нельзя запаздывать — иначе туман рассеется, и след расползется. Словом, почти синхронно происходят четыре события: появление частицы в камере Вильсона, расширение объема камеры для создания пересыщенности в парах, включение света, срабатывание затвора съемочного аппарата. Так организована съемка в физической киностудии на Арагаце. И, конечно, все происходит автоматически: частица не предупреждает о своем появлении. Она летит со скоростью, близкой к световой, и уследить за нею немыслимо. Она должна сама командовать съемкой! Физики все устроили так, что она действительно подает команду, которая беспрекословно исполняется.

Тут снова работает ионизация.

Космическая частица летит сверху — падает с неба. Выше туманной камеры она встречает барьер из металлических трубочек. Они тоже наполнены газом. Трубочки тонкостенные. Внутри каждой протянута тонкая проволочка. Это столь же знаменитые, как и камера Вильсона, счетчики Гейгера-Мюллера. Проскочить на сцену, минуя барьер, частица не может: счетчики образуют плотную крышу над камерой. Но эта крыша для космической гостьи отнюдь не преграда — она без труда пронизывает попавшуюся ей на пути трубочку. Нейтральные атомы газа внутри счетчика постигает та же участь, что в туманной камере: частица срывает с них электроны, и атомы становятся ионами. Но в камере Вильсона они никуда не спешат — их ничто не притягивает, наоборот, привлекательные незнакомцы, они сами служат притягательными центрами для молекул пара. А в счетчиках ионы — настоящие странники. Их притягивает проволочка, натянутая внутри: дело в том, что она находится под напряжением.

Ионы тотчас устремляются к ней. Возникает Давка и даже драка: торопящиеся ионы газа уже сами действуют как первоначальная космическая частица, По дороге к проволочке они срывают электроны с наружных оболочек своих недавних близнецов — других нейтральных атомов газа. Конечно, энергия ионов ничтожна по сравнению с энергией космической частицы, но зато их много. И хотя каждый порождает сравнительно мало новых ионов, заряженная лавина быстро нарастает. За какую-нибудь миллионную долю секунды раздается короткий, но довольно сильный удар электрического тока — электрический импульс. Ну, а дальше дело чистой техники заставить его работать.

Тут кончаются заботы физиков и начинаются хлопоты инженеров. Усилив этот импульс тока, они могут делать с ним все что угодно, хоть включать с его помощью световую рекламу над будущей туристской базой «Мезон». Сейчас эти импульсы включают съемочную установку на Арагаце.

…В лаборатории тихо. Только негромко перебрасываются словами лаборанты. «У тебя когда отпуск?» — «Да неизвестно. А в Ереване сейчас ве-есело…» — «Говорят, Сароян приезжает, слышал?» — «Бро-ось!» И вдруг раздается что-то вроде удара бича и глубокий вздох. Это пролетела и снялась на пленку талантливая частица: вздохнула, расширив свой объем, камера Вильсона, вспыхнули и осветили сцену мощные лампы, и потонули в этом шуме быстрые щелчки сработавших затворов съемочных аппаратов. Порожденный частицей импульс тока сделал свое дело!

И снова в лаборатории тихо. Лаборанты склоняются над приборами. В журнале наблюдений появляются записи показаний вздрогнувших стрелок на пульте установки. Сколько продлится тишина — никто не знает: нужные частицы приходят без расписания, и они редки.

Своим умением самофотографироваться в полете космические частицы в конце концов обязаны инженерам нашего времени.

3

Кинокадры, что держу я сейчас против света, отнюдь не самые удачные (оттого-то мне их и подарили). Приходит на память, как Артемий Исаакович Алиханян, согнувшись над стереоскопом в Арагацкой лаборатории и просматривая очередную заснятую пленку, говорил: «Надо было уменьшить запаздывание — следы недостаточно четкие». Лаборанты молча соглашались. Я подыскивал сравнение для будущего очерка. В голову пришло самое простое, банальное, но точное: «Ах, значит, из-за опоздания туман успевал чуть расползтись, как белый шлейф самолета в безоблачном небе!»

Но существенней было другое.

Приглядываясь к пленке и сверяясь с бухгалтерским гроссбухом лаборатории, Алиханян негромко повторял: «Нет, это, конечно, протон». Или: «Тут вероятней всего мю-мезон». Шуршание перематываемой под стереоскопом пленки, и снова тот же голос без энтузиазма: «И здесь типичный протон». Или: «Легкий мезон, это ясно».

Физик узнавал частицы по следу, как искушенный охотник лесное зверье. Попадались все старые знакомые. Как раз это-то и не пробуждало в ученом никакого воодушевления. На пленке были засняты частицы, сумевшие безупречно пройти актерскую пробу, однако и без специального исследования физику бросалось в глаза, что перед ним не те следы, которые он жаждал увидеть.

«Те следы» редки. Так редки, что физики до сих пор не уверены в их происхождении, — может быть, это «ошибки опыта», может быть, «маскировка» уже известных частиц, а может быть, тут и впрямь замешаны какие-то новые, еще неведомые, неизученные элементарные частицы! «Нет» сказать легче, чем «да». После Алиханяна и его сотрудников другие исследователи лишь в трех-четырех лабораториях мира наблюдали нескольких представителей этого возможного, пока безыменного, племени «первооснов». А многим вовсе не удалось их наблюдать. Сомнения серьезны и все углубляются — вплоть до полного отрицания. Они одолевают и Алиханяна, одолевают и мучат.

Но как же так — либо наблюдали, либо не наблюдали?

Одно из двух. Разве есть третья возможность? Разве охотник, увидев в лесу новый след, усомнится, что на его ухожи появилось незнакомое четвероногое? Не надо спешить — стоит вспомнить про следы «снежного человека» в Гималаях. Их необычность, казалось бы, бесспорна. И все-таки существование сноумена остается открытой проблемой. Легковерие и наука — «две вещи несовместные».

Однако тут есть разница. «Снежного человека» можно будет раньше или позже поймать, если, разумеется, есть что ловить. Тогда все доводы «против» немедленно отпадут. И все доводы «за» — тоже. Они станут ненужными перед лицом генерального факта — вот он, мохнатый человекоподобный, стоит перед нами. А как разрешить спор о существовании новой элементарной частицы? Только доводами «за» и «против».

Кто-то забавно сказал, что в камере Вильсона частица летит внутри своего туманного следа, как муха в тоннеле метро. И это еще слишком щедро сказано, чудовищно щедро:; муху нужно было бы заменить каким-нибудь летающим вирусом, чтобы хоть отчасти соблюсти масштаб. И разве не замечательно, что этот грандиозный тоннель молниеносно прокладывает ничтожно малый строитель? При этом возникший перед нами тоннель уже только воспоминание о строителе, его самого там, внутри, уже нет: сделав свое дело, породив ионы, которые, в свой черед, дали начало ниточке тумана, частица вновь превратилась в невидимку — покинула камеру, или распалась, или поглотилась в веществе. По типу возведенного тоннеля — по его массивности, размерам, кривизне — ученые судят о могуществе строителя и его характере.

Так работа физиков становится похожей на изыскания археологов: тех, кто возводил пирамиды Египта или циклопические стены Фив, давно уже нет ни в Египте, ни в Фивах, бессмысленна надежда их увидеть, но по итогам их труда можно многое умозаключить о них безошибочно, а о многом можно спорить. К слову сказать, фиванские стены были построены в такие незапамятные времена, что уже древние эллины искали ответ на Вопрос: кто строил эти стены? Возникла легенда о заморских великанах — одноглазых циклопах. Ну что ж, разве она плохо Объясняла баснословную затрату энергии на кладку гигантских камней? Хорошо объясняла — просто и смело. Одна беда — такая «теория» противоречила всему опыту человеческой жизни, всем представлениям о роде людском. Великаны? Одноглазые? Нет-нет, это, как любят говорить физики, «не проходит». Надо поискать другие возможности.

Незримые строители тоннелей из тумана творят в камере Вильсона поистине легендарные дела. Кто же они, эти строители?

Одно очевидное умозаключение можно сделать немедленно: это частицы, обладающие электрическим зарядом, ибо нейтральные частицы не умеют ионизировать атомы и молекулы. Кстати, на каждом кадре множество туманных следов, кроме того главного, который оставила гостья, командовавшая самой съемкой на Арагаце, И следы эти разнообразны — есть очень тонкие и потолще, есть прямые и закругленные, есть короткие и длинные… Непрошеные частицы, что так бесцеремонно наследили на сцене, где их вовсе не собирались снимать, могли проникнуть в камеру извне — сверху, снизу, сбоку, а могли зародиться в ней самой. Эта нам сейчас решительно все равно. Зато совсем не все равно, что различия в следах наверняка должны отражать какие-то важные различия в свойствах самих частиц.

Да, но какие различия?

4

Сначала кажется, что возможности туманной камеры очень скромны: она позволяет узнать, заряжены микрочастицы или нет. Но не забывайте — она делает видимыми их пути. Ради одного этого кембриджскому физику Чарлзу Вильсону стоило отдать годы жизни на изучение туманов, чтобы в конце концов прийти к своему тонкому изобретению Он пришел к нему на редкость вовремя — в 1912 году. Всего годом раньше Эрнест Резерфорд доказал существование атомного ядра, и началось стремительное развитие ядерной физики — А двумя годами раньше австриец Гесс доказал, что на Землю приходит «высотное излучение», и началось столь же бурное развитие физики космических частиц, В эту-то пору исследователи микромира и обрели инструмент, который стал для них тем же, чем был микроскоп для биологов и телескоп для астрономов.

Когда-нибудь человечество поставит памятники выдающимся изобретениям — инструментам, машинам, приборам, конструкциям. Памятник первому спутнику — воплощение этой надежды. То будут монументы в честь коллективного разума. Он достоин бронзы, мрамора и стали! Освоение и совершенствование любого изобретения — дело многих голов и рук. Только «доведенное до ума» последующими, часто неведомыми соавторами первооткрывателя изобретение обнаруживает все заключенные в нем возможности.

Так было и с камерой Вильсона, для которой со временем найдется постамент на площади одного из университетских центров мира.

Тридцать с лишним лет назад молодой и еще неизвестный ученый догадался поместить туманную камеру в Магнитное поле. В ту пору работа с магнитными полями была страстью этого талантливейшего экспериментатора. Однажды он вел опыты с альфа-частицами — ядрами гелия. Они прокладывали в камере отчетливые прекрасные трассы — прямые белые нити тумана. Ученый подумал: магнитное поле должно эти трассы искривить — оно ведь отклоняет заряженные частицы от прямого пути. (Так, в дубенском ускорителе магнитное поле заставляет двигаться по кругу быстролетящие протоны.)

Но чем кривые пути могли быть лучше прямых? Очень просто: искривление туманных следов сулило приобретение новых сведений о частице.

Движущийся заряд противится отклоняющейся силе магнитного поля с тем большим успехом, чем больше масса заряженного тельца и чем выше его скорость. Тяжелую частицу труднее свернуть с ее прямого пути, чем легкую. Быструю — труднее, чем медленную. Это заведомо ясно. У всех ядер гелия одна и та же масса, если пренебречь малыми различиями, зависящими от их не совсем одинаковых скоростей. Значит, при скоростях, далеких от световой, когда такое пренебрежение допустимо, по кривизне туманных шлейфов альфа-частиц можно судить о быстроте их движения: у неторопливых кривизна следа будет сильнее, у более стремительных — слабее.

Ученый получил искривленные следы, и частицы сразу стали рассказывать о себе со сцены туманной камеры гораздо больше, чем прежде. Этим ученым был Петр Леонидович Капица, чье имя ныне так хорошо известно всем.

А затем в те же 20-е годы тоже молодой исследователь и тоже совсем еще неизвестный впервые предложил космическим лучам сниматься в пронизанной магнитным полем камере Вильсона. Космические частицы начали выбалтывать с туманной сцены важные новые сведения о своих свойствах. Ныне имя физика, который заставил их сделать это, тоже знакомо всем — Дмитрий Владимирович Скобельцын.

Самый простой секрет заряженных частиц — знак заряда. Плюс или минус? Под действием магнитных сил они сворачивают в одну сторону, когда заряжены положительно, и в другую, когда заряжены отрицательно. Так, на арагацких кадрах многие следы изогнуты в противоположных направлениях, хотя летели частицы вместе: сверху вниз. Значит, заряды у них были разного знака. Это очевидно.

Другие сведения не так просты. Прочитать их на вильсоновских фотографиях с такою легкостью уже нельзя. Даже о скорости частиц нельзя судить по одной только кривизне следов: у частиц ведь могут быть самые различные массы.

Вот два одинаково искривленных следа. Кто их оставил — тяжелая частица, но медленная или легкая, но быстрая? Малость массы могла быть вознаграждена громадностью скорости. Медленность движения могла быть скомпенсирована огромностью массы. Наверняка можно умозаключить лишь одно: произведение массы на скорость имело в обоих случаях одинаковую величину. «У частиц были равные импульсы, они обладали одним и тем же количеством движения», — так сказали бы физики на своем профессиональном языке.

Это второй секрет, который сразу выведало у частиц магнитное поле: величина их импульса! Но зачем ставить тут восклицательный знак?.. Физик улыбнулся бы, услышав такой вопрос. Ну что ж, это его право. А нам не стоит стесняться своей наивности. Самые простые вопросы — самые естественные для нас.

Есть давно открытый фундаментальный закон природы:, закон сохранения импульса, закон сохранения количества движения. Тот; кто стрелял из охотничьего ружья, ощущал действие этого закона на собственном плече. Перед выстрелом ружье и пуля покоились. Их скорости — и порознь и вместе — были равны нулю. Совместный импульс — тоже. После выстрела он должен был сохраниться — остаться нулем. Но как же это возможно: у пули теперь большая скорость и импульс большой? Несомненно. Но есть еще ружье-Оно тоже могло приобрести импульс, и при этом столь же большой, да только направленный в противоположную сторону. Если бы это случилось, сумма импульсов пули и ружья по-прежнему осталась бы равной нулю. Так оно и происходит — ружье отдает нам в плечо: оно «летит» назад, потому что пуля летит вперед. Но оно летит в кавычках — чтобы сравняться по импульсу с пулей, ему не. нужна большая скорость — у. него масса большая.

Распад ядра урана подобен выстрелу из ружья. Вылетает пуля — альфа-частица. Оставшееся тяжелое ядро должно отпрянуть назад. Это можно проверить. Можно в камере Вильсона наблюдать туманные следы ядер отдачи. Да, физики так их и называют — «ядра отдачи», подражая языку охотников и артиллеристов.

Теперь мы можем сполна оценить, как важно знание импульса элементарных частиц. Восклицательный знак был оправдан.

5

На арагацких кадрах встречаются изломанные туманные следы. Не изогнутые, а изломанные, точно летела-летела частица и вдруг круто свернула в сторону. Внимание! С ней случилось в полете что-то очень серьезное. Можно заметить, что в точке излома изменился сам след — стал он тоньше, слабее или наоборот. В этой точке прежняя частица, вероятно, исчезла, а возникла и отлетела в сторону новая.

Распад частицы на лету? Что ж, в микромире это событие заурядное. Однако новая частица полетела от точки распада под углом, доказывая воочию, что скорость у нее иная, чем у первой, по крайней мере по направлению. Значит, и импульс другой — у импульса всегда направление скорости. Но как же закон сохранения? Надо понять происшедшее.

Сам закон указывает физикам выход из затруднения. Для баланса кто-то еще в точке распада должен был унаследовать часть импульса первой частицы. Очевидно, в месте излома родилась не одна частица, а по меньшей мере пара новых микрокентавров, и второй из них тоже отлетел под углом, но в другом направлении.

Однако если частица распалась на две, то почему же след от точки распада идет только один? Где же второй? Этот естественный вопрос кажется роковым. Но стоит только задать его по-другому, и ответ найдется немедленно. Надо спросить: почему не виден второй след? Да потому, что за второй из родившихся частиц не потянулся лучик тумана — она не смогла создать ионов на своем пути, она оказалась нейтральной.

Иначе и быть не могло. Распавшаяся частица должна была завещать своим наследницам не только импульс, но и заряд. А раз уж одна наследница сумела прочертить туманный след, то на долю второй заряда не осталось.

Это маленький пример могущественного союза опыта и теории. Даже отсутствие следа в туманной камере полно значения! Там, где мы не видим решительно ничего, физик видит мысленным взором улетающую частицу. У физиков есть забавы, соль которых понятна только им одним. Рассказывают, что однажды в 1960 году на теоретическом семинаре в Копенгагене у Нильса Бора известный теоретик Ганс Бёте в шутку продемонстрировал совершенно черный снимок — без единого туманного следа! — и сказал: «Ясно, что здесь летела нейтральная частица, которая распалась затем на две новые нейтральные… Экспериментаторам тут, конечно, нечего сказать, но мы, теоретики, должны подумать над этим замечательным снимком…» Все засмеялись хотя, наверное, все вспомнили, что ведь нечто похожее лет тридцать назад и впрямь случилось в истории открытия «первооснов».

Так элементарная частичка нейтрино стала жить в воображении физиков на четверть века раньше, чем удалось окончательно убедиться, что она живет еще и в природе, то есть действительно существует, А сначала ученые попросту выдумали ее как третье тельце для баланса по законам сохранения. Вот как это было.

…Многие радиоактивные элементы испускают альфа-лучи — ядра гелия. А многие — бета-лучи. Это обычные электроны. Что проще рассматривать бета-распад так же, как альфа-распад: ядро расстается с электроном, как ружье с пулей! Но обнаружилось, что пули-электроны, грубо говоря, летят, как им заблагорассудится, и ядра отдачи «отдают в плечо» Н? так, как полагалось бы при обычных выстрелах.

Недавно умерший выдающийся физик нашего времени швейцарец Вольфганг Паули, изучая бета-распад, понял, что тут замешано третье тело! В 1931 году он «выдумал» новую пулю крошечного калибра, которая должна вместе с электроном вылетать из ядра… Через два года великий итальянец Энрико Ферми, создавая теорию бета-распада, назвал эту призрачную пулю Паули ласковым словечком «нейтрино» — маленький нейтрон, нейтрончик: она ведь нейтральна.

Кстати уж стоит сказать (в путевых заметках обычно все кстати), что у Энрико Ферми были особые причины относиться ласково к ядерной элементарной частице — нейтрону, открытому в 1932 году англичанином Джемсом Чэдвиком.

Но прежде надо заметить, что, по общему мнению ученых, Ферми был едва ли не единственным в мире физиком-атомником, в котором гений экспериментатора соединялся с гением теоретика. Он был теоретиком с головы до ног и экспериментатором с ног до головы. В воспоминаниях его жены есть забавный эпизод:

«…Несмотря на теоретические указания Энрико, как нужно поддерживать огонь в топке, температура у нас в комнатах не подымалась выше 8°. Я стала поговаривать о зимних рамах. Энрико… уселся у себя в кабинете и погрузился в длиннейшие вычисления… Результаты получились обескураживающие: проникновение холодного воздуха извне настолько ничтожно, что зимние рамы никакой помощи не окажут. Только спустя несколько месяцев Энрико дал согласие на покупку рам. Он пересмотрел свои вычисления и обнаружил, что не туда поставил запятую в десятичной дроби».

Однако среди физиков он слыл непогрешимым.

Тогда же, когда разрабатывал он теорию бета-распада радиоактивных атомов, его мысль уже занимали многообещающие опыты с нейтронами. Он решил бомбардировать ими все химические элементы подряд и скоро обнаружил, что многие атомные ядра, захватывая нейтроны, теряют свою устойчивость. Они становятся искусственно радиоактивными. Такую радиоактивность открыли незадолго до этого Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, так что, казалось бы, уже нечему было удивляться. По простой и очевидной логике считалось: чем энергичней бомбардирующие частицы, тем вероятней, что они заставят атомы стать неустойчивыми. Но в римской лаборатории Ферми открылось и нечто прямо противоположное: замедленные нейтроны вызывали больший эффект, чем быстрые. Это выглядело чудом.

Первым заметил «чудо» молодой Бруно Понтекорво. Ему было тогда 25 лет. Впрочем, в римской лаборатории в ту пору все были такими же молодыми, как и ядерная физика. Даже самому «папе» — Энрико Ферми — было немногим больше тридцати. И экспериментировали там весело — с молодой нетерпеливостью и находчивостью, очень по-итальянски.

По-итальянски? Нет, вряд ли это был национальный стиль. Теперь, когда Бруно Понтекорво стал для своих коллег Бруно Максимовичем Понтекорво, членом-корреспондентом Академии наук СССР, ученым с мировым именем, он — руководитель тонких экспериментальных (работ в одной из лабораторий Дубны — может видеть вокруг себя те же черты гибкой веселой изобретательности советских молодых ученых-атомников, для которых он уже сам теперь «папа». Это — интернациональные черты молодости в науке, когда исследователи полны сознания, что они делают историю и верят в будущее.

Осенью 1934 года Энрико Ферми вместе с Бруно Понтекорво и другими учениками опускал источник нейтронов и облучаемый ими цилиндрик из серебра в бассейн с золотыми рыбками. Там, у старого фонтана в саду за стенами лаборатории, Ферми убедился, что вода прекрасно замедляет нейтроны. А он уже понял, что медленные нейтроны легче захватываются атомами просто потому, что они медленнее пролетают мимо ядер, то есть дольше соседствуют с ними. Он еще не знал тогда, что при захвате таких нейтронов становятся как бы вдвойне радиоактивными ядра урана. Не знал, что они делятся почти пополам, выпуская на волю огромную энергию внутриядерных связей. Он еще не догадывался, что в этих опытах у римского фонтана закладывает экспериментальную основу будущих атомных реакторов.