Текст книги "Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц"

Мы проследили, как несколько экспериментов развенчали классическую физику, опровергли идею атома как мельчайшей частицы материи и привели к совершенно новому взгляду на физику, в котором атомы, состоящие в основном из пустого пространства, могут изменяться со временем, свет может вести себя как частица, а частицы могут вести себя как волны. Рентгеновское излучение и электрон, радиоактивность и атомное ядро, а теперь и квантовая механика навсегда изменили наш мир. Но в запасе остались и другие неожиданности. Последние несколько глав мы изучали глубины материи, но пришло время поднять глаза. Обратим внимание на сюрпризы природы, которые буквально посыпались на ученых сверху.

Часть II
Материя за пределами атомов

Пока жажда познания остается неутолимой благодаря безмерности непознанного, деятельность сама оставляет после себя растущее сокровище знания, которое каждая цивилизация удерживает и накапливает как неотъемлемую часть своего мира[89]89
  Пер. с англ. А. В. Говорунова. – Прим. пер.


[Закрыть].

Ханна Арендт. Жизнь ума, 1973

Глава 4
Облачные камеры: космические лучи и ливни новых частиц

На горе Голливуд, за известным знаком, возвышается величественное белокаменное здание, из которого открывается вид на Лос-Анджелес. Это не особняк, а общественный музей: обсерватория Гриффита. Здесь посетители смотрят шоу в планетарии и рассматривают ночное небо в телескопы, исследуя свое место в космосе. Внутри, среди прохладного темного мрамора, находится серия экспонатов, один из которых – расположенный в квадратной коробке из плексигласа – содержит ключ к следующему шагу в нашем путешествии. Он неприметен, несколько затенен кусками метеорита, лунными камнями и огромным изображением ночного неба. Но любопытные посетители вознаграждаются завораживающим зрелищем: на черном фоне время от времени образуются крошечные следы конденсата, их около 20 каждую секунду. Они появляются внезапно, грациозно опускаются на полсекунды, а затем исчезают.

Устройство представляет собой облачную камеру[90]90
  В русском языке ее также называют «Камерой Вильсона». – Прим. пер.


[Закрыть], один из первых детекторов частиц, который позволяет людям видеть частицы, пролетающие мимо за стомиллионную долю секунды. Внутри остаются видимые следы, короткие треки, толщиной с карандаш, образованные альфа-частицами (ядрами гелия), и тонкие, легкие, похожие на паутину дорожки – в основном электроны (бета-лучи) или гамма-лучи. Они меньше атомов, объекты, которые мы не можем увидеть, потрогать или иным образом обнаружить нашими органами чувств. Но вот устройство, которое позволяет нам их видеть. Хотя мы не можем воспринимать эти частицы непосредственно – они слишком малы для этого, – благодаря облачным камерам мы можем увидеть эффект, который они оставляют после себя.

Эта версия камеры в обсерватории Гриффита называется диффузионной камерой, она была разработана в 1936 году американским физиком Александром Лангсдорфом – усовершенствованная облачная камера на основе оригинального изобретения начала 1900-х годов. Ее идея проста, но она изменила наше понимание фундаментальных составляющих природы. Вверху герметичной камеры собираются пары спирта, а затем опускаются на холодную металлическую пластину внизу. Падая и охлаждаясь, пар переходит в состояние, называемое перенасыщением, при котором любое малейшее возмущение приведет к образованию капель. Проносясь сквозь пар, заряженные частицы ионизируют его, оставляя достаточно энергии, чтобы образовать крошечную полоску облака, похожую на белый инверсионный след, который оставляет за собой реактивный самолет.

В этой главе мы проследим за историей облачной камеры – от ее скромного начала до расцвета в начале 1930-х годов, когда она способствовала ряду замечательных открытий, включая совершенно неожиданные новые частицы, которые изменили наш взгляд на материю. Новые частицы, которые даже не входят в атомы. Мы увидим, как этот новый детектор вывел экспериментаторов за пределы их подвалов и повел в горы открывать новые перспективы, подгоняя теоретиков и заставляя их мчаться наверстывать упущенное. Мы также увидим, как эти новые знания о материи позволили совершенно иным способом заглянуть внутрь пирамид и вулканов.

Новая эра открытий началась с, казалось бы, простого вопроса – того самого, который часто задают посетители обсерватории Гриффита, если находят время понаблюдать за непрекращающимся потоком треков частиц, проходящих через облачную камеру: откуда берутся все эти частицы?

В начале 1900-х годов ученые задавались почти таким же вопросом, пытаясь выяснить, откуда исходит дополнительное излучение, которое они наблюдают в своих приборах. Исследования радиации проводились в лабораториях Берлина, Вены и Кембриджа с использованием простого и довольно грубого устройства, называемого электроскопом. Одним из свойств, которое было легко предсказать, был так называемый закон обратных квадратов, согласно которому, если экспериментатор находится в два раза дальше от источника излучения, обнаруженный уровень снизится в четыре раза. По крайней мере, так предполагалось, но некоторые проницательные ученые заметили, что их приборы, по-видимому, улавливают некоторое дополнительное излучение. Почему радиации было больше, чем они ожидали? Без ответа на этот вопрос исследователи едва ли могли надеяться понять, что происходит в их экспериментах в лаборатории.

Ответ казался простым: излучение исходит из минералов в Земле. В своей работе по открытию радия и полония, которые использовались в качестве лабораторных источников, Мария Кюри, как известно, провела годы, работая в старом сарае, где измельчала и перерабатывала тонны минерала, называемого смоляной обманкой. Эти два новых элемента были ценным предметом для ученых, изучающих свойства излучения, и они происходили из самой Земли. Таким образом, по логике, именно эти минералы должны были создавать тревожный радиационный фон. Ответ казался ясным, как и способ его проверки. Если радиация исходила от Земли, ее должно быть меньше в атмосфере. Ученые подозревали, что примерно на высоте 300 метров излишняя радиация должна полностью исчезнуть.

Для молодого предприимчивого физика это стало бы прекрасным приключением. Все, что нужно, – это прибор для обнаружения радиации и высота. В начале 1900-х годов был только один способ достичь больших высот, если вы не альпинист: полет на воздушном шаре. По крайней мере, три разных исследователя быстро поднялись в небо в поисках фонового излучения, взяв с собой простые электроскопы[91]91
  Франц Линц совершил 12 полетов на воздушном шаре во время работы над своей докторской диссертацией. Альфред Гокель и Карл Бергвиц тоже поднимались на воздушных шарах до Виктора Гесса.


[Закрыть], но все три эксперимента провалились. Движение шара сотрясало электроскопы, а изменение давления приводило к проникновению воздуха в устройство и проблемам с электрической изоляцией.

Электроскопы были популярны, потому что их мог дешево изготовить практически любой желающий. Все, что для этого требовалось, – это металлический стержень, установленный внутри герметичного контейнера, например банки, так, чтобы он был электрически изолирован. На конце стержня подвешивались два тонких кусочка золотой фольги. Когда заряженный предмет – например стеклянный стержень, натертый мехом, – касался электрода, заряд передавался вниз на золотые листья, которые разводились в стороны под действием сил электрического отталкивания, образуя перевернутую форму буквы V. Если бы устройство было идеально герметичным, листья навсегда остались бы в таком положении. Чтобы измерить излучение, вы просто заряжаете электроскоп, затем подносите к нему радиоактивный образец, который ионизирует часть воздуха внутри и заставляет листья терять свой заряд и медленно опускаться обратно навстречу друг другу. Скорость, с которой падают листья, преобразуется в количество радиации, воздействию которой подверглось устройство. Электроскопы явно предназначались для устойчивого лабораторного стенда, а не для того, чтобы использовать их на воздушном шаре.

После этих провалов и растущего замешательства немецкий священник-иезуит и физик Теодор Вульф понял, что решение заключается в создании более надежного электроскопа. В 1909 году Вульф изменил прибор, использовав вместо золотой фольги две тонкие проволоки с платиновым покрытием. Это оказалось гораздо более надежным решением. Вульф отправился в Париж, чтобы протестировать свой инструмент на двух разных высотах. Сначала он встал у основания Эйфелевой башни и измерил уровень радиации. Затем он поднялся на башню и на высоте 300 метров – как раз там, где, как ожидалось, излучения не будет, – обнаружил, что радиация сохраняется. Другие переняли его метод, но их результаты были столь же ошеломляющими. Итальянский физик Доменико Пачини решил для начала исследовать уровень радиации как можно глубже и взял электроскоп Вульфа под воду, где он ожидал обнаружить больше излучения, ведь его окружат минералы Земли. Он обнаружил обратное. Усовершенствованный электроскоп работал, но результаты оказались не такими, как предполагали ученые. Несколько физиков начали склоняться к мысли, что излучение исходит вовсе не от минералов в Земле.

Среди них был двадцатидевятилетний австрийский физик Виктор Гесс, который понял, что это его шанс. Он нанял пилота воздушного шара, завернулся в шерстяное пальто и поднялся в небо с поля у Вены. Воздушный шар взлетел более чем на 5300 м, что значительно выше базового лагеря Эвереста. К своему воздушному шару Гесс прикрепил два новых электроскопа Вульфа, специально приспособленных для работы с перепадами температуры и давления. Несмотря на разреженный воздух и температуру около –20 градусов по Цельсию, ему удалось получить точные измерения и в конце концов спуститься.

Гесс был не первым, кто поднимался на такие высоты или пытался измерить уровень радиации в атмосфере, но он был первым человеком, который смог получить надежный результат. Вернувшись на землю, Гесс просмотрел то, что записал. По мере того как он поднимался, количество радиации сначала немного уменьшилось, но затем начало расти и расти, пока не стало ясно, что на больших высотах радиации гораздо больше, чем на малых. Излучение не могло исходить с Земли – оно должно было исходить из-за пределов атмосферы. Но откуда? Гесс совершил еще один подъем на воздушном шаре во время солнечного затмения, чтобы исключить Солнце как возможный источник. Он измерял совершенно новый источник радиации. Теперь Гесс, Вульф, Пачини и другие физики поняли, что излучение можно обнаружить не только в минералах или в лаборатории. Излучение шло прямо из космоса.

Обнаруженная Гессом радиация, названная космическими лучами[92]92
  Не следует путать с космическим сверхвысокочастотным фоновым (также его называют реликтовым) излучением, обнаруженным Пензиасом и Уилсоном в 1965 году, которое представляет собой слабое электромагнитное излучение, оставшееся от ранней стадии формирования Вселенной.


[Закрыть], разрешила загадку излишнего излучения, которая мучила физиков более 15 лет, но при этом полностью изменила их представление о том, где можно это излучение найти. Когда я говорю «излучение» в этом контексте, я имею в виду ионизирующее излучение, обладающее достаточной энергией для высвобождения электронов из атомов. Это включает в себя три типа излучения, известных ученым на данный момент: альфа-излучение (ядра гелия), бета-излучение (электроны) и гамма-излучение (высокоэнергетический свет). Где-то в космосе в результате бурных и сильных взаимодействий испускается излучение, достаточно мощное, чтобы преодолеть огромные расстояния, пройти через атмосферу и опуститься на Землю. Но где именно? Как образуется это излучение? Это новый или уже знакомый нам тип радиации? Взаимодействует ли она с атмосферой или проходит прямо сквозь нее? Гесс обнаружил космические лучи, но он мало что мог сказать об их природе. Был необходим инструмент, позволяющий больше узнать о радиации – как от космических лучей, так и в лабораториях на Земле.

Чего Гесс и его коллеги действительно хотели, так это какого-то способа увидеть излучение, что было особенно сложно, потому что оно, по большей части, невидимо. И все же они знали, что физика сделала видимыми другие части природы с помощью хитроумных инструментов. Например, глубины космоса нельзя было увидеть до того, как телескоп позволил собирать слабый свет, расширяя представление о Вселенной и нашем месте в ней. Биологические процессы также были невидимы, пока не появились первые микроскопы, открывшие взору мир микроорганизмов, что привело к невероятным открытиям и пониманию передачи болезней и формирования самой жизни. Теперь, в начале 1900-х годов, физики оказались на аналогичной грани, нуждаясь в прорыве в своей способности визуализировать излучение.

Чарльз Вильсон был застенчивым шотландским физиком, который начал свою научную карьеру примерно в то время, когда было открыто излучение. Его наследие сыграло важную роль в развитии его идей, прежде всего потому, что Шотландия оказалась почти идеальным местом для изучения облаков. В 1894 году, в возрасте 25 лет, Вильсон отправился в Форт-Уильям к самой высокой горе на Британских островах – Бен-Невис.

355 дней в году четко очерченная вершина Бен-Невиса окутана предательским туманом, но Вильсон узрел нечто вроде чуда: беспрецедентный период хорошей погоды. Он успешно поднялся на Бен-Невис и пробыл там две недели, работая волонтером на метеорологической станции. Несмотря на то что он работал в Кавендишской лаборатории в Кембридже, его первой любовью была не физика, а метеорология. С вершины облака были в основном под ним, и с этой выгодной точки он наблюдал за светом, танцующим на облаках, и формированием цветных колец, называемых «глориями», образующихся в тени горы, на которой он стоял. Он был очарован этими эффектами и хотел воспроизвести и изучить их в лаборатории. Поэтому его первой задачей было выяснить, как создать облака.

Вернувшись в Кембридж, Вильсон начал свой эксперимент. Для этого он использовал перевернутый стакан внутри большой стеклянной банки, наполненной водой, и ряд стеклянных трубок и клапанов, соединенных со второй банкой, находящейся в вакууме. Чтобы управлять камерой, Вильсон тянул за проволоку, выталкивая маленькую пробку, которая позволяла воздуху в стакане расширяться, опуская давление и снижая температуру[93]93
  Чарльз Вильсон. XI. Condensation of water vapour in the presence of dust-free air and other gases. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Серия А, том 189, 1897, стр. 265–307. https://doi.org/10.1098/rsta.1897.0011.


[Закрыть]. Любой, кто открывал бутылку с газировкой и видел, как на крышке образуется туман с шипящим звуком, может представить, что наблюдал Вильсон. Поскольку воздух расширяется при падении давления, он становится перенасыщенным. При благоприятных условиях влага в воздухе конденсируется на частицах пыли и образует мелкие капли, создавая облако. Вильсон успешно воспроизвел это в лаборатории и собирался перейти к воссозданию световых эффектов, которые он наблюдал с вершины Бен-Невиса, но обнаружил то, чего не предполагал: даже в обеспыленном воздухе продолжали образовываться облачные капельки.

Как такое возможно? Чтобы образовались облака, необходимо какое-то возмущение, инициирующее образование капель; технически говоря, должны были быть какие-то ядра конденсации. До сих пор это была пыль. Но что было причиной образования капель в воздухе, свободном от пыли? Из своих более ранних экспериментов Вильсон смог определить, что возмущение вызывало что-то небольшое, возможно, размером с молекулу или атом, что натолкнуло его на идею о том, что капли образуются на ионах внутри камеры. Если это действительно так, он мог бы найти способ сделать атомы или молекулы видимыми и подсчитать их.

Вильсона не интересовали наблюдения за радиацией: она была очень новым и не совсем понятным явлением.

Он выдвинул свою гипотезу: ионы в воздухе ответственны за образование облаков. Он перестроил свой эксперимент с помощью более сложной установки, предназначенной для еще более быстрого расширения. Подготовив новый эксперимент, Вильсон схватил примитивную рентгеновскую трубку и направил ее на камеру. Он обнаружил, что при правильных условиях рентгеновские лучи создают большое количество капель, усиливая эффект, который он видел ранее. Наличие электрических зарядов вызвало образование облаков. Его догадка подтвердилась: рентгеновские лучи создавали ионы в воздухе, и эти ионы создавали ядра конденсации.

Вильсон работал над своей гипотезой, пока другие физики поднимали электроскопы на воздушных шарах и пытались разгадать тайну космического излучения. Он не был в неведении относительно достижений в области радиации – в конце концов, он, должно быть, ежедневно видел Эрнеста Резерфорда и Дж. Дж. Томсона. В какой-то момент в 1901 году он настолько заинтересовался новыми веяниями в физике, что тоже решил поискать фоновое излучение с помощью электроскопа, который установил ночью в тоннеле Каледонской железной дороги. Как и другие, он искал излишнюю радиацию от минералов Земли, но не увидел заметной разницы между радиацией в тоннеле и в своей лаборатории[94]94
  Чарльз Вильсон. On the ionization of atmospheric air. Proceedings of the Royal Society, V. 68, 1901. https://doi.org/10.1098/rspl.1901.0032.


[Закрыть]. Вильсон снова переключил внимание на свою более многообещающую работу, предоставив другим разбираться с таинственным излучением.

Кажущееся отсутствие интереса Вильсона к радиации и его странный эксперимент по созданию облаков придавали ему некий ореол загадочности в Кавендишской лаборатории. Он проводил дни, занимаясь тщательной и сложной выдувкой стекла, которое очень часто ломалось. Студенты и сотрудники сопереживали ему, поскольку все они когда-то обучались стеклодувному делу в так называемой «детской лаборатории» – специальной лаборатории, где студенты-исследователи изучали замысловатые принципы создания устройств, таких как электрометры, прежде чем приступить к воспроизведению известных экспериментов. Многие из них позже с нежностью вспоминали фоновый звук выдувания стекла Вильсоном, который стал почти саундтреком к их работе в Кавендише.

Научная стеклодувная мастерская сегодня большая редкость, поэтому нам трудно оценить, как много навыков требовало проведение эксперимента, подобного облачной камере, до появления автоматизированного проектирования и фрезерных станков, которые мы используем для проведения современных опытов. Требовались годы, чтобы освоить необходимые методы, но характерные для Вильсона терпение и мягкость позволили ему создать то, что Резерфорд назвал «самым оригинальным и замечательным инструментом в истории науки»[95]95
  Сью Боулер. C. T. R. Wilson, A great Scottish physicist: His life, work and legacy. Материал конференции. Королевское общество Эдинбурга, 2012.


[Закрыть].

Кустарное изготовление стеклянного компонента требовало нагрева стекла до нужной температуры. В одной руке Вильсон держал паяльную лампу: для создания достаточного количества тепла, чтобы стекло расплавилось именно так, как ему было нужно, он немного открывал газ, заставляя горелку издавать безошибочно узнаваемый свист – звук, который позже многие с ним ассоциировали. Точно в нужный момент он выдувал ртом воздух через трубу, расширяя стеклянный сосуд с нужной силой, обрабатывая расплавленное стекло ножами и другими инструментами[96]96
  В современной стеклодувной лаборатории используется стекло Pyrex – то же самое, что и у вас на кухне, – которое широко доступно и изготавливается по стандартному рецепту, поэтому современные стеклодувы-аппаратурщики, люди с редкими техническими навыками, могут без проблем собирать изделия по кусочкам из Японии, США или Европы. Но Вильсон использовал содовое стекло, которое было гораздо более хрупким и сложным в изготовлении.


[Закрыть].

Это был жаркий и физически трудоемкий процесс, но всего за пару минут Вильсон мог искусно придать стеклу форму сферической колбы или спирали. Основными элементами его облачных камер были цилиндры, которые должны были идеально подходить друг другу, что часто требовало часов кропотливой шлифовки стекла после его охлаждения. Безусловно, самым коварным процессом было соединение всех частей вместе, когда каждый компонент мог разрушить всю конструкцию. Чаще всего весь эксперимент заканчивался тем, что стекло разбивалось. Вильсон, в отличие от Резерфорда, избегал ругательств в адрес своего аппарата. Он только тихо приговаривал: «Боже, боже», – и начинал сначала.

Сегодня ранние облачные камеры Вильсона хранятся в музее в Новой Кавендишской лаборатории в Кембридже, и на первый взгляд они выглядят довольно примитивно. Их простота создает впечатление, что это были легкие дни открытий, когда любой мало-мальски приличный физик мог сделать революционное открытие о Вселенной. Но как только мы поймем, какой уровень мастерства и терпения требуется, чтобы создать что-то полезное из стекла в начале 1900-х годов, Вильсон и его коллеги-экспериментаторы начинают казаться совершенно исключительными людьми. С помощью этого нового мощного инструмента были сделаны открытия, которые навсегда изменили наш взгляд на материю.

Когда Вильсон впервые разработал камеру, было далеко не ясно, можно ли использовать это устройство для сколько-нибудь серьезного количественного исследования излучения, даже если оно, по-видимому, реагирует на рентгеновские лучи. Только после того как Резерфорд определил природу альфа– и бета-излучения, Вильсон вернулся к облачной камере в 1910 году, на этот раз с новой энергией и амбициозной целью. Он планировал сделать камеру полезным инструментом для наблюдения заряженных частиц.

В 1911 году, через 15 лет после изобретения облачной камеры, Вильсон стал первым человеком, который увидел и запечатлел движение отдельных альфа– и бета-частиц. Он усовершенствовал устройство таким образом, что теперь заряженные частицы создавали белые следы, которые можно было подсветить и сфотографировать. Он описал эти следы, оставляемые электронами, как «маленькие пучки и нити облаков»[97]97
  Чарльз Вильсон, Нобелевская лекция, 12 декабря 1927 года.


[Закрыть]. Вильсон показал фотографию следов альфа-частиц австралийско-британскому физику У. Г. Брэггу, который первым предсказал, что альфа-частица должна сначала постепенно замедляться, а затем резко остановиться, взаимодействуя с наибольшей силой в конце своего пути, создавая облачный след, все более заметный и плотный по мере окончания движения частицы. Вильсон и Брэгг обнаружили, что «сходство между фотографией и идеальной картиной Брэгга было поразительным»[98]98
  Там же.


[Закрыть].

Исследователи по всему миру медленно, но неуклонно внедряли в свои лаборатории облачные камеры, внося в них изменения, чтобы они стали еще более полезными. К концу 1920-х годов большинство облачных камер размещались между полюсами большого магнита, заставляющего изгибаться следы от заряженных частиц. Положительная частица изгибалась в одном направлении, отрицательная – в противоположном, и высокоэнергетическая частица изгибалась меньше, чем низкоэнергетическая. С помощью тщательных измерений исследователи смогли определить электрический заряд и энергию частиц. В лаборатории они узнали, как выглядят различные частицы в облачной камере, и смогли определить их свойства.

Идеи о взаимодействии частиц, родившиеся в ходе мучительных долгих экспериментов, теперь можно было увидеть воочию. Настало время применить эту новую технику для понимания природы космических лучей.

В Калифорнийском технологическом институте (Калтех) в Пасадене Роберт Милликен, переехавший туда из Чикаго в 1921 году после своих экспериментов по фотоэлектрическому эффекту (глава 3), призвал своего бывшего аспиранта Карла Андерсона использовать облачную камеру для проведения новых исследований по космическим лучам. В 1929 году советский ученый Дмитрий Скобельцын обнаружил в облачной камере несколько треков, которые вообще почти не изгибались[99]99
  Г. Зацепин и Г. Христиансен. Дмитрий В. Скобельцын. Physics Today, V. 45 (5), 1992. https://doi.org/10.1063/1.2809672.


[Закрыть], что указывало на то, что они обладали огромной энергией – более 5000 МэВ, что в 1000 раз превышало лабораторные радиоактивные источники. Они были не просто энергичны: они появлялись в неожиданных группах по два, три или более лучей и, казалось, исходили из точки за пределами камеры. Результаты работы Скобельцына показали, что облачная камера поможет узнать что-то новое и захватывающее о космических лучах.

Андерсон, сын шведских иммигрантов, еще будучи школьником в Лос-Анджелесе, решил, что хочет стать инженером-электриком, несмотря на то что в его семье ни у кого не было опыта работы в технических областях. Учитель посоветовал ему поступить в Калифорнийский технологический институт, где Андерсон понял, что физика – это гораздо больше, чем просто шкивы и рычаги. Он решил сменить специальность и никогда не оглядывался назад[100]100
  Харриет Лайл, интервью с Карлом Андерсоном, январь 1979 года. Доступно по адресу https://resolver.caltech.edu/CaltechOH: OH_ Anderson_C. Дата обращения: 6 апреля 2021 года.


[Закрыть]. Он уже использовал облачную камеру при подготовке своей дипломной работы с Милликеном и обнаружил, что использование паров спирта вместо водяного пара делает следы намного ярче и их легче фотографировать. Он начал строить новую облачную камеру.

Андерсон нашел мотор-генератор в отделе аэронавтики и сконструировал весь аппарат вокруг него. Не было денег на сложные инженерные разработки – только-только началась Великая депрессия, – так что его эксперимент выглядел устрашающе, но все же работал. Облачная камера была в сердце устройства, окруженная медными трубами, по которым проводилось электричество для создания большого электромагнита. Трубы были полыми, по ним текла вода, чтобы магнит не расплавился. Вместе с железными полюсами, необходимыми для направления магнитного поля, устройство было размером с небольшой автомобиль и весило около 2 тонн. Сама камера была видна через отверстие в одном конце магнита, через которое она могла фотографировать облачные следы. Чтобы управлять устройством, Андерсону приходилось неоднократно создавать очень быстрое расширение паров спирта, что он и делал с помощью подвижного поршня, в результате чего при каждом срабатывании устройства раздавался громкий хлопок. Остальная часть кампуса Калтеха содрогалась от грохота, доносящегося с крыши здания, где был собран аппарат. К счастью для остальных жильцов, Андерсон проводил эксперимент только в ночное время, потому что для него требовалось 425 кВт электроэнергии – значительная часть энергопотребления всего кампуса.

Просматривая полученные фотографии, Андерсон обнаружил, что примерно на 15 из 1300 фотографий были видны следы, соответствующие положительно заряженным частицам. Но следы были слишком длинными для самой легкой из известных положительно заряженных частиц – протона. Что это за, казалось бы, новая частица?

Частицы на его фотографиях имели одну единицу положительного заряда и массу, подобную массе электрона. Сначала он просто назвал их «легко отклоняемыми положительными частицами», но к моменту написания статьи пришел к удивительно смелому выводу. Андерсон полагал, что обнаружил совершенно новый тип фундаментальной частицы, которую он назвал позитроном[101]101
  К. Д. Андерсон. The Positive Electron. Physical Review, V. 43, 1933, p. 491. https://doi.org/10.1103/PhysRev.43.491.


[Закрыть].

Чего Андерсон не знал, так это того, что за пару лет до этого, в 1928 году, британский физик Поль Дирак предсказал существование позитронов, исходя из одной математической интуиции. В надежде получить представление об атоме для описания объектов, которые движутся очень быстро, Дирак объединил две самые обсуждаемые новые теории в физике: теорию квантовой механики для описания очень малых объектов со специальной теорией относительности Эйнштейна. Полученное им уравнение, известное просто как уравнение Дирака, многие считают самым красивым в физике. Помимо прочего, оно сумело предсказать и открытие Андерсона. Точно так же, как квадратный корень из четырех может иметь решение +2 или –2, уравнение Дирака предполагало, что должны существовать частицы, идентичные электрону, то есть имеющие ту же массу, но с противоположным электрическим зарядом. Дирак не был уверен в физических проявлениях своей теории, но она предсказывала, что у каждого известного типа частиц должна быть ее противоположная версия, которая стала известна как антиматерия (или антивещество)[102]102
  Не Дирак придумал термин «антивещество» – его ввел Артур Шустер в 1898 году (А. Шустер. Potential matter: A holiday dream. Nature, V. 58, 1898). Однако его идея была чисто умозрительной и ссылалась на антигравитацию, тогда как современная идея антивещества обходится без этого.


[Закрыть].

Так случилось, что Дирак дружил с одним из физиков-экспериментаторов из Кавендишской лаборатории – Патриком Блэкеттом, который затем вместе с физиком итальянского происхождения Джузеппе Оккиалини продолжал совершенствовать технику облачной камеры. Когда Дирак выдвинул свою новую теорию, он поделился ею с Блэкеттом, и вместе они выяснили, что если бы позитрон появился в магнитном поле облачной камеры, то он оставил бы след, который выглядел бы идентично следу электрона, но изгибался в противоположном направлении. Почти за три года до работы Андерсона они просмотрели снимки облачной камеры Блэкетта из экспериментов с радиоактивными источниками. Дирак полагал, что есть множество доказательств существования позитронов, но Блэкетт считал эти доказательства слишком неопределенными, чтобы их публиковать. Он утверждал, что это могут быть электроны, пришедшие извне, которые случайно столкнулись таким образом, что стали похожи на позитроны. У них не было возможности определить разницу между этими своенравными электронами и реальными позитронами, не проводя повторных экспериментов[103]103
  Джон Хендри. Cambridge Physics in the Thirties. Adam Hilger, Лондон, 1984.


[Закрыть].

Блэкетт, возможно, насторожился еще и потому, что идея Дирака была не совсем хорошо воспринята. Некоторые из великих ученых того времени, мягко говоря, не доверяли идее о том, что наша Вселенная состоит из двух типов материи: «обычной» и зеркальной ей, из антивещества. Австрийский физик Вольфганг Паули, один из пионеров квантовой теории, назвал эту идею «бессмыслицей», а Нильс Бор (глава 2) был «крайне скептичен»[104]104
  Э. Коуэн. The picture that was not reversed. Engineering and Science, V. 46 (2), 1982, pp. 6–28. Доступно по адресу: https:// resolver.caltech.edu/CaltechES:46.2.Cowan. Последнее обращение: 18 января 2022 года.


[Закрыть]. Вернер Гейзенберг, немецкий физик-теоретик, создавший большую часть квантовой механики, включая принцип неопределенности, заявил в 1928 году, что «самой печальной главой современной физики была и остается теория Дирака»[105]105
  Вернер Гейзенберг, письмо Вольфгангу Паули от 31 июля 1928 года. Из «Научной переписки» В. Паули, том 1, Springer Verlag, Берлин, 1979.


[Закрыть]. Блэкетт вернулся к вычислениям, чтобы определить, действительно ли у них есть доказательства экстраординарной теории Дирака, но пока он размышлял над проблемой, до них дошла новость о том, что Андерсон открыл позитрон.

Андерсон был слишком занят своим экспериментом, чтобы читать статьи Дирака. Возможно, внимание к нему было вполне обоснованным, учитывая, что ему удалось опередить Блэкетта и Оккиалини в открытии позитрона. Однако его результаты горячо обсуждались сообществом физиков, поскольку несколько отдельных фотографий казались скудными доказательствами для столь экстраординарной теории. Кембриджская команда ухватилась за эту мысль и поняла, что у них есть преимущество. Вместо того чтобы собирать тысячи фотографий в надежде, что на нескольких из них может быть что-то интересное, как это сделал Андерсон, Блэкетт и Оккиалини разработали метод, как добиться примерно 80%успеха в захвате интересных частиц, проносящихся через камеру. Для этого они разработали электрический метод «запуска» камеры, поместив счетчик Гейгера над и под устройством так, что если оба счетчика обнаружат частицу примерно в одно и то же время, то камера будет сфотографирована. К 1932 году у них были и метод, и необходимость продолжить работу Андерсона в своих лабораториях.

Блэкетт и Оккиалини быстро подтвердили существование позитронов, и благодаря своим богатым данными наблюдениям они смогли глубже вникнуть в детали. Они наблюдали множество случаев, когда электроны и позитроны обнаруживались на фотографиях вместе. На самом деле, на фотографиях, казалось, было одинаковое количество электронов и позитронов: обычная материя и антивещество создавались в равных количествах. Блэкетт и Оккиалини наблюдали этот процесс в действии, когда высокоэнергетические гамма-лучи (присутствующие в космических лучах) проникали в камеру, одновременно создавая электрон и позитрон в процессе, известном как рождение пар. Это было первое наблюдение превращения фотонов (гамма-лучей) в материю (электроны и позитроны) – процесс, предсказанный сочетанием квантовой механики и теории относительности Эйнштейна. Существование этих взаимодействий выявило второе ослепительное следствие уравнения Дирака, которое в то время только начинало осознаваться теоретиками: антивещество и вещество могут аннигилировать друг с другом при соприкосновении, превращая свою массу в энергию, излучаемую в виде света. Другими словами, масса может быть преобразована в энергию – и наоборот. Они собрали так много фотографий позитронов и рождения пар, что научный мир больше не мог сопротивляться выводам из теории Дирака. Как ни странно, антивещество реально.