Ударными темпами. Первые ускорители

Нам нужен прибор, который давал бы разность потенциалов в 10 миллионов вольт, потребляя при этом несколько киловатт мощности, и который бы без угрозы безопасности можно было поставить в помещении умеренных размеров. Нам, кроме того, нужна труба с откачанным воздухом, выдерживающая такое напряжение… Я не вижу препятствий, могущих помешать построить систему с перечисленными параметрами.

Эрнест Резерфорд. Речь на открытии Лаборатории высоких напряжений фирмы «Метрополитен-Виккерс».

Манчестер, Англия, 1930 г.

Народный комиссариат просвещения РСФСР дает Георгию Гамову (1904-1968), одному из лучших советских физиков, долгожданное одобрение на годичную командировку в Кавендишскую лабораторию. Из-за досадной врачебной ошибки оно чуть не обернулось отказом. Во время решающего медобследования врач нечаянно перепутал цифры в кровяном давлении и констатировал у Гамова заболевание сердца. Но недоразумение разрешилось, и путь был открыт. Затраты на дорогу и пребывание Гамову великодушно предложил оплатить Фонд Рокфеллера. Стипендия из средств, вырученных от продажи нефти, не совсем вписывалась в революционную идеологию Ленина, однако тогда Советы воспринимали готовность лучшей в мире лаборатории ядерных исследований принять к себе одного из достойных сынов родины как победу советской системы образования.

История ускорителей только выиграла от того, что Гамов приехал в Англию. Благодаря его теоретическим находкам стало намного понятней, как разломить ядро, а Кавендишская лаборатория в погоне за мощными атомными дробилками выбилась в первые ряды. Исследования Гамова и безупречные экспериментальные работы его коллег на некоторое время превратили Кавендиш в ведущий мировой центр ядерной физики.

Гамов, получивший образование в Ленинграде, прибыл в Кембридж в сентябре 1928 г. и сразу же поселился в пансионе. Навестивший его в скором времени приятель не смог сдержать удивления: «Гамов! Как тебя угораздило сюда поселиться?» - после чего указал озадаченному Гамову на надпись на здании. По чистой случайности дом назывался Кремлем.

Через несколько недель после приезда Гамов ощутил на себе всю силу темперамента, которым славился директор лаборатории. Как-то раз Резерфорд, ничего не объясняя, вызвал Гамова к себе в кабинет. С побагровевшим лицом он стал кричать что-то насчет письма, которое только что получил из Советского Союза. «Какого черта они пишут?» - взревел он и бросил письмо Гамову.

Гамов пробежал его глазами. Составленное на ломаном английском, в русском переводе оно звучало бы примерно так:

Дорогой профессор Резерфорд!

Студенты университетского физического клуба, мы выбираем вас почетным президентом, потому что вы доказали_} что у атомов есть причиндалы. [15]

После того как Гамов растолковал, что по-русски «nucleus»[16]и «cannonball»[17]обозначаются одним и тем же словом и, скорее всего, письмо просто-напросто неправильно перевели, Резерфорд успокоился и от души посмеялся.²⁵

Первое, чем Гамов обзавелся в Кембридже, были инструменты, идеально подходящие для того, чтобы, ударяя по сферическим телам, посылать их к далекой мишени. Проще говоря, набором клюшек для гольфа - неизменными спутниками чуть ли не любого сотрудника тамошней лаборатории ядерной физики. Наставником Гамова в этом спорте стал Джон Дуглас Кокрофт, молодой кавендишский физик и заядлый гольфист.

Кокрофт, родившийся 27 мая 1897 г. в Тодмордене, Англия, шел к занятиям физикой извилистыми путями. У его отца было собственное дело по переработке хлопка, но Кокрофт, как и Резерфорд с Марсденом, текстилю предпочел науку. Он пошел в Манчестерский университет изучать математику, но разразилась Первая мировая война. Кокрофт поступил на военную службу. Вернувшись после демобилизации в Манчестер, ушел в электротехнику и работал по этой специальности. Но по душе она ему не пришлась, поэтому Кокрофт сдал экзамены в колледж Св. Иоанна в Кембридже и так попал в лабораторию к Резерфорду.

Не самая приятная ситуация в гольфе, когда на пути между тобой и лункой появляется откуда ни возьмись холм. Если стремишься, чтобы этот барьер пал, без известной доли размышлений здесь не обойтись: какую клюшку взять, насколько сильно замахнуться… Стоит неуверенно стукнуть по мячу - и недолет гарантирован.

В ядерной физике перед Кокрофтом стояла похожая задача. Ему хотелось так швырнуть частицы в ядро-мишень, чтобы то перешло на более высокий энергетический уровень или, может быть, развалилось на части. Если бы от столкновений оно рассыпалось, по осколкам Кокрофт и его коллеги смогли бы сделать заключение о том, что сидит внутри атома. По-другому это никак не узнаешь. Но между положительно заряженным ядром и частицами с, опять же, положительным зарядом встревал «холм» - электростатическое отталкивание. Природа их так устроила, что они стремятся держаться друг от друга подальше - как северные полюса двух магнитов. Но если между последними стоит холм, то между ядром и положительно заряженной частицей вздымается Эверест.

Как преодолеть это препятствие, Гамову подсказали уравнения. Подставив параметры протонов и альфа-частиц (напомним, это частицы, испускаемые радиоактивными атомами вроде урана) в свою формулу «квантового туннельного эффекта», он обнаружил, что первым нужно в шестнадцать раз меньше энергии, чтобы с тем же успехом проникнуть в ядро. Ответ был очевиден: протоны являются более выгодным снарядом. Если бы их удалось хорошенько разогнать, некоторые из них смогли бы пройти через силовой барьер вокруг атома и попасть прямо в ядро. К чему это приведет, никто не знал, но Резерфорд прислушался к Гамову и заключил, что стоит дать протонам шанс. Это было, пожалуй, единственное серьезное решение, которое Резерфорд принял под влиянием теоретических предсказаний.

Над деталями атомной дробилки тогда уже в полную силу работал талантливый молодой экспериментатор Эрнест Томас Синтон Уолтон. Он родился з октября 1903 г. в ирландском городке Дангарван в семье методистского священника, постоянно переезжающего с места на место. С 1915 г. Уолтон учился в методистской школе-интернате, где у него особенно хорошо шли естественные науки. Закончив ее в 1922 г., он стал студентом колледжа Св. Троицы в Дублине, откуда в 1927 г. вышел уже магистром. Ему присудили «стипендию 1851 г.» для работы в Кембриджском университете, и Уолтон присоединился к кавендишской группе исследователей и вскоре стал одним из незаменимых помощников Резерфорда.

В 1928 г. Уолтон натолкнулся на оригинальную статью норвежского инженера Рольфа Видероэ (1902-1996), в которой тот рассказывал о своих попытках ускорить частицы с помощью прибора под названием лучевой трансформатор. Идея Видероэ базировалась на фундаментальных понятиях электромагнитной теории. Основу конструкции прибора составляла электромагнитная катушка - свернутый спиралью провод с током, который создает в своих окрестностях магнитное поле. Если менять ток в проводе, то и поле вокруг будет непостоянным. Стало быть, если поднести к катушке другой провод, согласно фарадеевскому закону индукции, переменное магнитное поле возбудит ток и в нем. Но на месте этого провода может быть и вторая катушка. Вместе они образуют трансформатор - знакомое нам устройство для перекачки энергии из одного контура в другой. Чем-то оно напоминает велосипед: вращая педали, мы заставляем крутиться колеса, связывающая их цепь - аналог переменного магнитного поля.

Находка Видероэ состояла в том, чтобы заменить второй контур электронами, разгоняемыми в вакуумном кольце. Чтобы их оторвать от атомов и ускорить, надо было прибегнуть к так называемой электродвижущей силе, порождаемой переменным магнитным полем. А предусмотренный Видероэ центральный магнит должен был заставить электроны бегать по кругу, как автомобили на гоночном треке. К несчастью, испытания нового прибора в университете Аахена в Германии провалились. Ученый обнаружил, что в трубе электроны сбиваются в «островки», оттягивающие на себя энергию с еще бегающих по кругу электронов. Магнит был почему-то не способен поддерживать бесперебойный поток электронов, и Видероэ не мог понять почему. В лучшем случае электроны у Видероэ совершали полтора оборота, а потом прекращали свой бег.

Разочаровавшись в кольцевом ускорителе, Видероэ бросил попытки заставить его функционировать и переключился на другую схему. В 1924 г. из статьи шведского физика Густава Изинга он почерпнул идею линейного ускорителя и даже собрал небольшую, около метра в длину, рабочую модель. Место кольца в ней заняли две «дрейфовые трубки» - прямые, изолированные друг от друга полые цилиндры, из которых откачан воздух. Входя и выходя из них, частицы ускоряются «ударами хлыстом» со стороны электрического поля. Эти толчки идут со строго определенными интервалами, чтобы одной и той же разностью потенциалов дважды сообщить электронам дополнительную скорость: при влете в трубку и при вылете из нее. Электроны словно идут вверх по лестнице, какой ее себе представлял нидерландский художник Мауриц Эшер: только им кажется, что они взобрались наверх, как перед ним вырастают еще ступеньки.

Напряжение - это потенциальная энергия электрического поля, приходящаяся на единицу заряда. Оно показывает, насколько легко частице той или иной массы и заряда ускориться, пройдя путь от одной заданной точки к другой. При прочих равных чем выше напряжение, тем ускорение больше. Другими словами, напряжение показывает, с насколько крутой лестницы скатывается заряд и какую скорость наберет при подлете к нижней площадке.

В установке Видероэ частицы запускались в первую дрейфовую трубку, находящуюся под напряжением в 25 000 вольт. Эта разница потенциалов и заставляла их ускоряться. Пока частицы совершали свой путь внутри трубки, Видероэ выполнял ловкий трюк - обращал разность потенциалов, то есть низкое и высокое напряжение на соседних трубках менял местами. Будучи внутри первой трубки, частицы этого не чувствовали, но едва выскочив в зазор, снова попадали под действие большой разности потенциалов (с высоким начальным и низким конечным напряжением) и ускорялись еще сильнее. В методе Видероэ одно и то же напряжение использовалось дважды, позволяя в два раза повысить эффективность заданного электрического поля, а значит, можно было обойтись сравнительно низковольтной батареей.

На выходе второй трубки Видероэ поставил фотографическую пластинку, которая запечатлевала следы от ударов ускоренных частиц. В первую очередь он пропустил через свою установку - и успешно - ионы калия и натрия. (Чтобы их получить, достаточно было «счистить» с атомов внешние электроны.) Разность потенциалов ускоряла положительно заряженные ионы, и они попадали в фотопластинку. Набрав нужное количество данных, Видероэ описал свои исследования в диссертации, которую защитил в университете Аахена. Диссертацию он опубликовал в журнале, где редактором был его научный руководитель.

Вдохновленный результатами Видероэ, Уолтон в декабре 1928 г. предложил Резерфорду построить в Кавендишской лаборатории линейный ускоритель. Резерфорд давно ждал подходящей возможности соорудить прибор, который помог бы заглянуть внутрь одного из легких элементов, например лития. (Литий занимает третье место в таблице Менделеева, и его ядро, как сейчас известно, содержит три протона и четыре нейтрона.) На следующий месяц перед исследовательской группой с докладом выступил Гамов, представив свою формулу подбарьерного перехода. Кокрофту не терпелось применить ее к случаю бомбардировки протонами ядер лития. Оценки показывали, что понадобится энергия порядка сотни тысяч электронвольт. По человеческим меркам даже 1 МэВ (один миллион электронвольт) безумно маленькая энергия: примерно одна миллиардная от миллиардной доли килокалории. Элементарным частицам уж точно не грозит избыточный вес, но такая порция энергии как минимум устроит им серьезную встряску!

Узнав про эти оценки, Резерфорд вызвал Кокрофта и Уолтона к себе в кабинет. «Постройте мне ускоритель на один миллион электронвольт, - было распоряжение. - Мы расколем атом лития в два счета»²⁶.

Кокрофт и Уолтон тут же принялись собирать линейный ускоритель, который затем поместили в переоборудованную под него лекционную аудиторию. Вдобавок к прямой трубке экспериментаторы смастерили особый резервуар высокого напряжения, сегодня известный как генератор Кокрофта-Уолтона. Он представлял собой так называемый умножитель напряжения, состоящий из четырех последовательных высоковольтных генераторов, которые образовывали лесенку высотой около 3, 5 м.

Благодаря подключенным к контуру конденсаторам (накопителям заряда) довольно умеренное входное напряжение обращалось в итоге почти 70 100 000 вольт. Подстегиваемые этой громадной разностью потенциалов, протоны в вакуумной трубке ускорялись электрическим полем и сталкивались на выходе с ядрами-мишенями, а многочисленные осколки проявляли себя как искры на флуоресцентном экране, который также окружался вакуумом.

Один из первых ускорителей - генератор Кокрофта-Уолтона, Этот экземпляр списан и теперь стоит в саду «Микрокосм» научного музея ЦЕРН.

В 1931 г. Уолтон получил в Кембридже степень доктора философии, Ускоритель в Кавендише вот-вот должен был быть готов, и в планы Резерфорда никак не входило потерять одного из главных своих «архитекторов». Поэтому Уолтону была присуждена стипендия им. Клерка Максвелла, которая давала право еще три года остаться в лаборатории, то есть продолжать сотрудничать с Кокрофтом и Резерфордом.

Кембридж, однако, был далеко не единственным местом, где пытались расщепить атом. Физики из других университетов отлично знали, чем занимается Резерфорд, и надеялись соорудить собственные атомные ножницы и разрезать ядро сами. Их интерес подогревался не только научными соображениями. Со временем пришло осознание того, что внутри атомного ядра должна быть заключена колоссальная энергия. Знаменитое соотношение Эйнштейна между энергией и массой намекало, что если при расщеплении ядра будет наблюдаться убыль массы, ей некуда деваться, кроме как перейти в энергию - и какую энергию! В 1904 г., еще до прозрения Эйнштейна, Резерфорд написал: «Если бы мы могли задавать интенсивность радиоактивного распада по собственному усмотрению, небольшое количество вещества представляло бы огромный резервуар энергии»²⁷. (В 1933 г. он поправился и сделал - редкий случай - неверное предсказание о том, что атомная энергия, как ни подчиняй ее, никогда не будет рентабельной.)

Ключевой фигурой в покорении энергии атома суждено было стать венгерскому физику Лео Сциларду со свойственным ему оригинальным стилем мышления. В декабре 1928 г. Сцилард запатентовал свою собственную конструкцию линейного ускорителя. Подобно Изингу и Видероэ, на роль хлыста, подгоняющего заряды, Сцилард поставил осциллирующее (меняющее свое направление) электрическое поле. В своей заявке на патент, озаглавленной «Ускорение корпускул», он описал способ так выровнять заряженные ионы, чтобы они оседлали бегущую волну, которая их и разгонит: «В нашей схеме электрическое поле можно представить как сумму двух компонент: одна ускоряется слева направо, а вторая замедляется справа налево. Прибор так устроен, что скорость разгоняемых ионов в каждой точке равна локальной скорости той компоненты, что движется слева направо»²⁸.

Отметим, что до реального воплощения этой идеи Сцилард так и не дошел. Он, кроме того, хотел запатентовать еще две конструкции помимо этой, но они также не были претворены в жизнь. О судьбе этих патентных заявок ничего не известно. Вероятно, служащие патентного бюро были осведомлены о работах Изинга и Видероэ.

Примерно в то же время, когда Кокрофт и Уолтон работали над своим детищем, американский физик Роберт Джеймисон Ван де Грааф додумался до простой, но мощной модели ускорителя, которая благодаря своим небольшим размерам и портативности быстро пришлась в физике к месту. Ван де Грааф, появившийся на свет 20 декабря 1901 г. в Таскалузе, штат Алабама, начал свою карьеру на прикладном поприще. Получив в Алабамском университете степень сначала бакалавра, а потом магистра, он устроился в местную электроэнергетическую компанию, где провел один год. Он, может, и остался бы там, но его влекла Европа. В 1924 г. он поступил в парижскую Сорбонну. О радиоактивности и тайнах ядерного распада ему рассказывала сама Мария Склодовская-Кюри. Благодаря своим способностям Ван де Грааф выиграл стипендию Родса и поехал продолжать образование в Оксфорд. Именно там он узнал об экспериментах Резерфорда по бомбардировке атомных ядер и задаче ускорения частиц до высоких энергий. В 1928 г. в Оксфорде ему присудили степень доктора философии.

Через год Ван де Граафу предложили место научного сотрудника Пальмеровской физической лаборатории, экспериментального центра Принстонского университета. Там он разработал и построил прототип совершенно нового типа электростатического генератора, способного аккумулировать гигантскую энергию и давать мощный разряд. Идея Ван де Граафа состояла в том, чтобы обеспечить непрерывный поток заряда от источника тока к металлической сфере, использовав для этого быстро движущийся изолированный ремень. Для своего первого генератора Ван де Грааф взял шелковую ленту и жестяную банку (в более поздних моделях на смену им пришли другие материалы). Острая щетка, расположенная у основания ремня и подсоединенная к источнику питания, ионизует свое ближайшее окружение, таким образом сообщая конвейерной ленте заряд. Прилипнув к ремню, заряд, в свою очередь, доезжает до верха, где его соскабливает вторая щетка, и оседает на сфере. Весь генератор погружается в газовую среду под давлением, которая изолирует его от внешнего мира и позволяет накопить на сфере ощутимый заряд.

Если внутрь сферы внести источник частиц (радиоактивное вещество или источник ионов), а возле него поместить один из концов полой трубки, то генератор Ван де Граафа превратится в простейший ускоритель. Благодаря разности потенциалов между сферой и землей частицы в трубке приобретают высокие скорости. Если предусмотреть на другом конце мишень, разогнавшиеся снаряды будут попадать прямо в нее.

В Принстоне, а потом и Массачусетском технологическом институте Ван де Грааф постепенно повышал максимальное напряжение своих генераторов. Первые экземпляры давали до 80 000 вольт, а усовершенствованная модель, которую изобретатель представил в 1931 г. на торжественном ужине в честь открытия Американского физического института, поразила сидевших за трапезой одним миллионом вольт (к счастью, не в прямом смысле). Еще более серьезной заявкой стала конструкция, которую Ван де Грааф собрал в самолетном ангаре в Южном Дартмуте, Массачусетс. Она состояла из двух идентичных колон более 7, 5 м в высоту, стоявших на вагоне-платформе. Сверху их венчали эмалированные алюминиевые сферы диаметром около 4, 5 м каждая. Невероятная мощь этого сооружения попала даже на полосы газет. «Человек мечет молнии в 7 000 000 вольт», - говорилось в заголовке в «Нью-Йорк Таймс» от 29 ноября 1933 г.²⁹

Греческая мифология повествует, что Прометей украл у богов огонь и наделил человечество священным знанием, как высечь искру, запалить костер, зажечь факел и т. д. Но, несмотря на это вероломное проникновение, право метать гром и молнии в своих врагов, сотрясая небеса ужасающей силой, оставалось за всемогущим Зевсом. Пока не появился генератор Ван де Граафа. Даже такое впечатляющее явление, как молния, люди смогли - пусть в меньшем масштабе, но смогли - воспроизвести в научной лаборатории, положив начало новой прометеевской эпохе, в которой человечеству стали подвластны колоссальные энергии. Радость от осознания новых возможностей, вероятно, нашла свое выражение во многих фильмах ужасов того времени (приведем в пример «Франкенштейна» 1931 г. и «Невесту Франкенштейна» 1935 г.), изображающих жутковатые лаборатории исполинских размеров, где мощнейшие генераторы оживляют одного монстра за другим.

С другой стороны, почему бы вместо дорогих генераторов искусственных молний не поставить себе на службу небесную машину, работающую бесплатно? Природную молнию, конечно, трудно предсказать, и обращаться с ней надо очень осторожно, но были физики, пытавшиеся ускорить частицы и с ее помощью. Летом 1927 и 1928 гт. сотрудники Берлинского университета Арно Браш, Фриц Ланге и Курт Урбан соорудили между двумя соседними горными вершинами в швейцарских Альпах на границе с Италией антенну длинной около полукилометра. К ней исследователи подвесили металлическую сферу, а вторую сферу заземлили, чтобы иметь возможность во время грозы измерить разность потенциалов между двумя проводниками. За один удар молнии напряжение в этой конструкции достигало, по оценке ученых, 15 миллионов вольт. К несчастью, во время экспериментов погиб Урбан. Его коллеги вернулись в Берлин и занялись проверкой того, могут ли разрядные трубки выдерживать высокое напряжение. Общие результаты были опубликованы Брашем и Ланге в 1931 г.³⁰

Удары молний, даже искусственных, - это обычно единичные события. Когда накапливается большой заряд, создается высокое напряжение, которое существует до тех пор, пока аккумулированному заряду некуда деваться (например, если прибор заизолирован). Подобно прьпунам с отвесных скал, частицы под действием ускоряющей силы устремляются вниз по крутому потенциалу. Но как только они достигли его основания, лететь больше некуда, и точка!

Однако, как подчеркивал Видероэ в описании своего «лучевого трансформатора», частицы, если они бегают по кругу, а не летят по прямой, можно подгонять на каждом цикле, добиваясь все больших и больших энергий. После неудач с испытаниями реальной установки Видероэ забросил идею кругового ускорителя, но его статью прочел блестящий американский физик Эрнест Орландо Лоуренс, которого эта плодотворная идея очень вдохновила.

Лоуренс родился 8 августа 1901 г. в приютившемся среди прерий Кантоне, Южная Дакота. Его родители Карл и Гунда были эмигрантами из Норвегии и оба работали школьными учителями. Карл занимал должность управляющего школ и, кроме того, преподавал историю, Гунда учила математике. Эрнест рос жизнерадостным ребенком. Глядя на него, семья Туве, жившая по соседству, не могла удержаться от сравнения Эрнеста с их собственным сыном Мерле, из-за колик в животе то и дело заливавшимся плачем.

С самого детства у Эрнеста и Мерле, бывшего на полтора месяца старше, завязалась дружба. Они вместе устраивали всевозможные проказы. Например, вроде той, когда однажды вывалили на веранду к соседке гору мусора. Та оказалась дома и схватила Мерле прежде, чем он успел убежать через дыру в заборе. А Эрнесту удалось улизнуть. Оба друга придерживались своего рода кодекса чести и старались никого не обманывать, даже если на уме у них была очередная проделка.

Когда ребятам было по восемь лет, они увлеклись электрическими приборами. Практически все свободное от школы и домашних обязанностей время они проводили, подключая в цепь самодельные батареи и подсоединяя к ним звонки, гудки и моторчики, чтобы посмотреть, какая конструкция лучше работает.

Высокому и нескладному Лоуренсу сверстники дали кличку Скинни («кожа да кости»), но ему не было до этого дела. Его интересы, как и тело, не отличались полнотой. Если не считать тенниса, спорт его мало привлекал, и Лоуренс занимался физическими упражнениями из-под палки, когда отец заставит. В старших классах не проявлял он интереса и к свиданиям и вообще не находил удовольствия в общении. Наоборот, он с головой ушел в учебу и закончил школу на год раньше, а свободное время по-прежнему проводил, собирая вместе с Туве разные механические и электрические устройства. Чтобы достать денег на включатели, трубки и другие радиодетали, Лоуренс на одно лето устроился на ферму. Как же он ненавидел свою работу! Фермер, который его взял, был низкого мнения о его способностях и часто жаловался: «От него толку ни на цент»³¹.

Несмотря на отсутствие успеха в других областях, одержимость Лоуренса наукой в конце концов сыграла ему на руку.

На какую бы задачу он ни обращал свои чистые голубые глаза, они, как увеличительное стекло, фокусирующее свет солнца на сухом дереве, узким пучком направляли на нее бьющую через край энергию и тонкую проницательность их обладателя. Одним из первых талант Лоуренса оценил Льюис Эйкли, декан электротехнического факультета Университета Северной Дакоты, где будущий ученый заканчивал бакалавриат. Туда Лоуренс перевелся в 1919 г. из колледжа Св. Олафа в Миннесоте, собираясь учиться на врача, но Эйкли убедил его заняться физикой. Эйкли был настолько поражен доскональным знанием Лоуренса беспроводной связи, что решил провести с ним педагогический эксперимент. Эйкли попросил Лоуренса, единственного старшекурсника, специализирующегося на физике, к следующему занятию самому подготовить и прочитать лекцию. В то время как Лоуренс вел свой рассказ, его единственный слушатель Эйкли тешил себя надеждой, что он сейчас, возможно, внимает второму Майклу Фарадею.

Туве, постигавший науки в Университете Миннесоты, уговорил Лоуренса продолжить свое физическое образование в этом учебном заведении. Там Лоуренс нашел нового руководителя, физика британского происхождения У.В.Г. Суонна, от которого узнал о насущных проблемах квантовой механики. Суонн, в общем-то, не любил сидеть на месте. Будучи помимо ученого одаренным виолончелистом, он терпеть не мог однообразие и ценил творческое мышление. Не обретя счастья в Миннесоте, он переехал в Чикаго, а потом в Йель, убедив Лоуренса последовать за ним. Как раз в Йеле Лоуренс в 1925 г. получил степень доктора философии и еще на три года остался там научным сотрудником: искал новые методы определения постоянной Планка и отношения заряда к массе у электрона. Вместе со своим коллегой Джесси Бимсом он придумал получивший широкое признание способ измерения коротких промежутков времени в атомных процессах. Они показали, что фотоэффект (когда свет выбивает из металла электроны) по продолжительности не превосходит трех миллиардных долей секунды, тем самым обеспечив подоплеку представлению о мгновенности квантовых событий³².

С докторской степенью на руках Лоуренс наконец пошел на контакт с людьми, хотя и выбрал для этого немного необычный для уже начинающего ученого вариант. Дочери декана медицинской школы Мэри Кимберли Блумер, или просто Молли, которой тогда было только 16 лет, на ее выпускной бал понадобилась пара. Слово за слово - и Лоуренс согласился ее сопровождать. Она очаровала его своей тихой задумчивостью, и после бала он ее спросил, могут ли они встретиться вновь. Она вежливо ответила, что будет не против, если он как-нибудь зайдет, но в то же время ей по понятным причинам было неудобно принимать ухаживания от человека на девять лет старше ее. Всякий раз, как он приходил, она изобретала любые ходы, лишь бы не остаться с ним наедине, и неизменно встречала его вместе с сестрами. Бывало, она даже убегала и пряталась в принадлежавшем их семье рыболовецком судне у берега пролива Лонг-Айленд и отказывалась сходить на сушу. Но настойчивость Лоуренса в конце концов одержала верх, и они поженились.

Совсем по-другому Лоуренса принимали в набиравшем популярность в академических кругах Калифорнийском университете в Беркли. Там ему предложили место доцента с возможностью продления. Когда Лоуренс отказался и решил выбрать Йель, руководство Калифорнийского университета выдвинуло более выгодные условия - предложило полноценную должность доцента. Для столь молодого преподавателя редкая удача! И Лоуренс остановил свой выбор на Беркли, полагая, что там его ждет более быстрое продвижение по служебной лестнице, и, кроме того, можно приняться за научное руководство аспирантами. Некоторые его заносчивые коллеги из Йеля не могли взять в толк, как у него вообще возникла мысль о работе в заведении, не входящем в Лигу плюща[18]. «Йельское самомнение порой доходит до смешного, - писал Лоуренс другу. - Считается само собой разумеющимся, что это Йель оказывает человеку честь, а человек Йелю своим присутствием честь оказать не может»³³.

Как-то в августе 1928 г. Лоуренс завел свой «REO Флаинг Клауд» и отправился вступать в новую должность. Наконец, центральная часть Америки была позади и уже показались холмы Беркли. Лоуренс остановился, чтобы насладиться красотой залива и замечательной культурной суматохой Сан-Франциско. В университетском же городке, над которым возвышалась колокольня в венецианском стиле, царил совсем другой дух. Хотя во всех зданиях сквозили европейские мотивы, все выглядело свежо и современно, а помпезности восточного побережья не было и в помине.

Обеспеченный всеми условиями для плодотворной работы, Лоуренс возобновил свои исследования точного хронометрирования атомных процессов. Но через какие-то семь месяцев дело приняло неожиданный оборот. Незадолго до апрельского Дня смеха в год, когда мечтам биржевиков суждено было рухнуть, а мечтам физиков в области высоких энергий - воплотиться, Лоуренс сидел в библиотеке Беркли и просматривал журналы. Ему в глаза бросилась статья Видероэ. Будто кто-то специально ему ее подбросил! В первую очередь обращали на себя внимание не слова, а диаграммы - эскизы электродов и трубок, предназначенных для ускорения частиц.

Из двух ускорителей Видероэ - линейной установки с двумя трубками и кольцевого «лучевого трансформатора» - Лоуренсу больше приглянулся второй. Ученый мгновенно понял, что у прямолинейного прибора потолок очень низок: максимум несколько фаз разгона до того, как частицы ударят по мишени. Но если трубки согнуть в полуокружности, в зазорах включить электрическое поле, а частицы удерживать на круге центральным магнитом, можно будет подхлестывать их снова и снова. Лоуренс заметил: по удачному свойству магнетизма, когда частица бегает по кругу в постоянном магнитном поле, отношение ее скорости к радиусу орбиты (угловая скорость) остается неизменным, даже если частица ускоряется. Поскольку угловая скорость показывает, сколько оборотов тело совершает за единицу времени, ее неизменное значение говорит нам, что тело будет проходить мимо данной точки через равные промежутки времени. К примеру, когда смотришь на ипподроме скачки, лошадь пробегает мимо ровно раз в минуту. Благодаря этой периодичности, догадался Лоуренс, достаточно регулярно (в ритме орбитального движения) подвергать частицы перепадам напряжения, чтобы они постепенно ускорились до такой энергии, когда они уже могут пробить ядро-мишень. Лоуренс нашел изъян в конструкции Видероэ: электроны, оказалось, сбивались в кучу из-за неточного хронометража ускоряющих импульсов.

Лоуренс показал свои чертежи Дональду Шейну, математику из Беркли, и тот подтвердил верность расчетов. Когда Шейн полюбопытствовал: «Зачем вам это?» - Лоуренс радостно ответил: «Я собираюсь обстрелять атомы и разломать их!»

На следующий день его воодушевление еще больше возросло, когда из новых вычислений он увидел, что в его проектируемом ускорителе частицы будут продолжать двигаться все быстрее и быстрее, и неважно, насколько сильно от центра они при этом удалились. Жена коллеги даже слышала, как вышагивающий по университетскому городку павлином Лоуренс воскликнул: «Я стану знаменитым!»³⁴

По привычке детства ему не терпелось поделиться своими изысканиями с Туве, работавшим тогда в Институте Карнеги в Вашингтоне. Но Туве встретил эту конструкцию без особого восторга. По иронии судьбы лучшие друзья превратились в соперников и в вопросе расщепления ядра не разделяли взглядов друг друга. Туве совместно с Грегори Брейтом и Лоуренсом Хафстадом сделали ставку на трансформатор Теслы. Низкое напряжение в одной из двух катушек этого устройства возбуждает высокое напряжение в своей соседке, причем перепад потенциала может быть огромным. Катушки Теслы, однако, было трудно заизолировать, а потери энергии оставляли желать лучшего. Едва появились высоковольтные генераторы Ван де Граафа, Туве осознал их эффективность и стал собирать собственные модели.

Из-за скептических отзывов Туве и его коллег Лоуренс поначалу сомневался в своей правоте. (Свой прибор он назвал магнитно-резонансным ускорителем, мы теперь его знаем как циклотрон.) И только подбадривающие слова уважаемого ученого помогли Лоуренсу поверить в свой проект. В 1929 г. на рождественских праздниках он за бутылкой подпольного вина (действовал сухой закон) показал свои наброски гостившему в США немецкому физику Отто Штерну. Тот пришел в восхищение и настоятельно посоветовал воплотить эту идею в жизнь. «Эрнест, ни слова больше, - убеждал Штерн. - Немедленно… принимайтесь за работу»³⁵.

Кокрофт, Уолтон, Ван де Грааф, Туве и другие ученые-ядерщики наступали Лоуренсу на пятки, и ему некогда было сидеть сложа руки, надо было срочно строить и запускать ускоритель. Он отвел в сторонку Нильса Эдлефсена, своего первого аспиранта, и задал вопрос: «Помните, мы обсуждали мою безумную идею? Там все так просто, что не пойму, почему никто до нее не додумался. Вы не видите никакой ошибки?»

Эдлефсен ответил, что идея вполне разумная. «Отлично! - сказал Лоуренс. - Тогда за работу. Приготовьте все, что нам может понадобиться».

И под руководством Лоуренса Эдлефсен из груды подручных материалов, отыскавшихся в лаборатории, принялся собирать опытный образец. Круглая медная цистерна, разрезанная пополам, превратилась в два электрода, которые подсоединили к радиочастотному генератору, выдающему регулярные импульсы напряжения. Эдлефсен упаковал весь прибор в стеклянный корпус, поместил его между 10-сантиментровыми полюсами направляющего магнита и - последний шаг - залил все стыки липким воском. Этот ускоритель, появившийся в начале 1930-х гг., элегантностью не отличался. Но зато после некоторой настройки исправно удерживал протоны на орбите - к вящему удовольствию Лоуренса.

Один из первых циклотронов - 94-сантиметровый экземпляр Радиационной лаборатории (ныне Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли)

Но чтобы пробиться в ядерную крепость, нужны были более высокие энергии, а значит, как Лоуренс быстро понял, более серьезный ускоритель с магнитом помощнее. К счастью, один промышленник, также читавший в университете лекции, предложил Лоуренсу взять 8-тонный магнит, пылившийся на складе в Пало Альто, в пятидесяти милях от Беркли. Когда-то он был частью радиопередатчика, но прогресс оставил его далеко за бортом.

Щедрый подарок требовал много места, и Лоуренс стал искать, где можно построить более крупный ускоритель. И снова удача! В 1931 г. ученому разрешили взять одно из старых университетских зданий, идущих под снос. Там свое первое пристанище (потом были и другие) нашла Радиационная лаборатория (или, как звали ее ученые, «Рэд Лаб»), в которой Лоуренс десятки лет вел свои исследования. Потом ее переименовали в Национальную лабораторию им. Лоуренса в Беркли, отдав тем самым дань уважения ее основателю.

Следующей на повестке стояла непростая задача довезти гигантский магнит до лаборатории. С помощью еще одного мецената Лоуренс и в третий раз вытянул счастливый билет - и это в Великую депрессию, когда банкирам пришлось потуже затянуть пояса. Необходимое оборудование, место в избытке - у ученого теперь было все, чтобы соорудить мощную машину.

1932 г. стал для ядерной физики знаковым годом. Многие замечательные эксперименты, как прожектором, выхватили из темноты хитросплетения атомного мира. В Колумбийском университете химик Харольд Юри открыл дейтерий, водородный изотоп, который примерно в два раза тяжелее обычного водорода. Нейтрон, обнаруженный Джеймсом Чэдвиком в Кавендишской лаборатории после обработки кропотливых наблюдений, навел на мысль, почему дейтерий по массе в два раза превосходит своего собрата с тем же зарядом. Более тяжелый изотоп обременен лишними нейтронами. Возникли разговоры о том, можно ли, собственно, считать нейтрон отдельной частицей, или же протон и электрон как-то соединяются и дают электрически нейтральный объект.

В научном мире ходило несколько альтернативных гипотез, и только эксперимент мог выбрать какую-либо одну из них. Есть, скажем, бета-распад, когда радиоактивный образец испускает электроны. Этим электронам, думали некоторые, больше неоткуда идти, кроме как из нейтронов, разваливающихся на протоны и электроны. (Сегодня мы знаем: эти превращения происходят за счет слабого взаимодействия, вовлекающего кварки внутри протонов и нейтронов, а также вылетающий электрон и нейтрино).

Еще одну теорию о взаимосвязи нейтрона и протона позволял выдвинуть открытый Карлом Андерсоном позитрон. На фотографиях, отображавших треки в камере Вильсона, ученый из Калтеха[19]обнаружил положительно заряженную компоненту космических лучей (космические частицы, прошедшие через земную атмосферу), причем масса частиц в ней была как у электрона. Сейчас нам известно, что позитрон - это античастица электрона, но в свое время Андерсон задавался вопросом, элементарен ли нейтрон, и если да, то, может быть, протон - это слившиеся воедино нейтрон и позитрон? Чтобы докопаться до истины, требовались точные измерения масс протона и нейтрона. Тогда можно было бы судить, покрывает ли разница в массах массу электрона или позитрона. (Как мы сейчас знаем, нейтрон действительно тяжелее протона, но состоит из кварков, а не из протонов и электронов.)

Пока Лоуренс с аспирантом Мильтоном Стэнли Ливингстоном, приехавшим из Висконсина, в поте лица трудился над укрупнением циклотрона, пальма первенства в погоне за расщеплением литиевого ядра обрела хозяина. Первыми финишную черту на Кавендишском линейном ускорителе преодолели Кокрофт и Уолтон. Второй потом вспоминал, как произошло открытие, как они обстреливали литиевую мишень и, наконец, получили потрясающие результаты. «Утром 14 апреля 1932 г. я проводил обычный осмотр и подготовку аппаратуры. Когда напряжение достигло 400 000 вольт, я решил взглянуть в микроскоп, нацеленный на флуоресцентный экран. Пробираясь ползком на руках и коленях, чтобы избежать удара током, я в конце концов дотянулся до дна ускорительной трубки. Меня обуяла радость, когда я увидел мелкие вспышки света вроде тех сцинтилляций, что дают альфа-частицы. Я читал о них в книгах, но своими глазами никогда раньше не видел»³⁶.

Обнаружив явление, которое очень походило на распад лития, Уолтон позвал в лабораторию Кокрофта, который подтвердил эти подозрения. Потом они сходили за Резерфордом, чтобы тот слазил в камеру и сам посмотрел на сцинтилляции. Они отключили напряжение, и Резерфорд, пригнувшись, протиснулся внутрь. Выйдя оттуда, он сказал: «Эти сцинтилляции сильно напоминают вспышки от альфа-частиц. Я вряд ли их спутаю с чем-либо еще. Они вошли в науку на моей памяти, и с тех пор я такие вспышки наблюдал не раз»³⁷.

На этот раз Резерфорд вдруг попросил Кокрофта и Уолтона держать рот на замке, пока они не проведут новые измерения. В письме своей невесте Фреде Уилсон (на ней он женился в 1934 г) Уолтон писал: «Он [Резерфорд] решил так поступить, потому что боится, что не успеешь и глазом моргнуть, как эта новость облетит все физические лаборатории в мире. Нельзя допустить, чтобы ежедневные газеты запестрели сенсационными заявлениями прежде, чем мы сделаем свое собственное»³⁸.

Кокрофт и Уолтон повторяли эксперимент снова и снова, но уже с камерой Вильсона, регистрирующей следы альфа-частиц. (Камера Вильсона, напомним, - это ящик с пересыщенным паром, проходя сквозь который радиоактивные частицы - альфа и бета - оставляют видимый конденсационный след.) Составив баланс масс до и после удара, физики доказали, что литиевое ядро из трех протонов и четырех нейтронов, сдобренное еще одним протоном, разлеталось на две альфа-частицы, в каждой по паре протонов и нейтронов. Группа из Кембриджа в самом что ни на есть прямом смысле разрезала ядро лития пополам.

Более того, энергия, высвобождаемая в каждом столкновении, в точности равнялась разнице в массах начального и конечного состояния, помноженной на скорость света в квадрате. Эксперимент подтвердил знаменитую формулу Эйнштейна! Убедившись в точности и значимости своих результатов, исследователи опубликовали их в авторитетном журнале «Нэйчур». За свою беспрецедентную работу Кокрофт и Уолтон получили в 1951 г. Нобелевскую премию по физике.

Новости из Кембриджа Лоуренса ни капли не расстроили. Ему тоже было что праздновать. Во-первых, они с Молли только что поженились, и медовый месяц у них был в самом разгаре. Железная настойчивость приносила Лоуренсу плоды, в том числе и в любовной науке. Боязливая девушка постепенно полюбила своего талантливого, хоть и странноватого ухажера. Со временем их семью ждало изрядное пополнение - четыре девочки и два мальчика.

За оптимизмом Лоуренса скрывалась и вторая причина: ничто не могло переубедить его в том, что он стоит на пороге новой эры в науке. Он со всей полнотой осознал, что по энергии циклотронам предстоит перегнать линейные ускорители, а потому в будущих исследованиях ядра именно циклотронам принадлежит решающая роль. Лоуренс не стал терять времени на проверку результатов Кокрофта и Уолтона по расщеплению лития на 28-сантиметровом ускорителе. А модель покрупнее с 8-тонным магнитом в «Рэд Лабе» еще строилась. В марте 1933 г. ее завершили, и Лоуренс обстрелял литий протонами и получил целый ливень высокоэнергетичных альфа-частиц, которые, отскакивая рикошетом, пролетали весьма приличное расстояние. Он также на разных элементах испробовал дейтоны (ядра дейтерия). В результате этих столкновений вылетали протоны с прямо-таки олимпийской выносливостью, совершавшие забеги до почти 40 см. Вот теперь он был готов поделиться своими находками с мировым физическим сообществом.

На Седьмом Сольвеевском конгрессе, прошедшем в Брюсселе в последнюю неделю октября 1933 г., обсуждались новейшие успехи ядерной физики. Среди присутствовавших светил науки были пионеры квантовой механики Бор, де Бройль, Паули, Дирак, Гейзенберг и Шрёдингер. Из Парижа приехала Мария Склодовская-Кюри вместе со своей дочерью Ирен Жолио-Кюри и зятем Фредериком Жолио, выдающимися ядерными химиками и будущими нобелевскими лауреатами.

Прибыл из СССР Гамов, и, как потом выяснилось, этот год стал началом его жизни в эмиграции. За пару лет до этого он через Копенгаген все-таки вернулся на родину'. Однако ходить по указке Сталина он и его жена не хотели, поэтому попытались через Черное море переплыть в Турцию, но из-за ненастной погоды все сорвалось. На их счастье благодаря приглашению Бора оба смогли отправиться в Бельгию, где Гамов, к удивлению гостеприимного хозяина, объявил, что возвращаться они не собираются.

Впечатляюще смотрелась и делегация из Кавендиша во главе с Резерфордом: Кокрофт, Уолтон, Чэдвик и Блэкетт. А без Лоуренса, хоть он и был единственным представителем Америки, картина уж точно была бы неполной. Циклотронам предстояло стать незаменимым инструментом ядерных исследований, а США - на десятилетия превратиться для этих устройств в главную экспериментальную площадку.

Первым шел доклад Кокрофта «Расщепление элементов ускоренными протонами». Лоуренс, которому не терпелось продемонстрировать превосходство циклотронов в этой задаче, жадно ловил каждое его слово. Пробегая глазами листовку Кокрофта, Лоуренс натолкнулся на фразу, будто от циклотронов «можно добиться только маленьких токов», и жирно ее перечеркнул. Выражая свое явное несогласие с заявлениями Кокрофта, он на полях написал: «Неправда»³⁹.

Когда подошло время его доклада, Лоуренс за словом в карман не полез. Теперь он уже рассказывал о своем приборе и убеждал, что для исследований ядра ничего лучше этой схемы нет. Он также дал свою собственную оценку массы нейтрона, которая, будучи намного ниже цифры Чэдвика, вступала с последней в противоречие. Эксперименты, проведенные в том же году Туве, указали на ошибку Лоуренса, и он честно ее признал. Нейтрон, получалось, попадал в более высокую весовую категорию, нежели протон.

После Сольвеевского конгресса Лоуренс предпринял небольшое путешествие в Англию и провел пару дней в Кавендишской лаборатории. Резерфорд очень тепло его приветствовал и лично провел для него экскурсию. После жарких дискуссий о результатах бомбардировки лития Резерфорд сказал про Лоуренса: «Заносчивый молодой человек, но это пройдет»¹⁰.

Лоуренс попробовал уговорить Резерфорда построить циклотрон в Кавендише. Чэдвик, Кокрофт и Вильсон тоже в один голос твердили, что циклотрон - это единственный способ для лаборатории остаться на мировом уровне. Но Резерфорд был непреклонен. Он предпочитал все делать сам, и ему не хотелось брать идеи у других научных групп. К тому же циклотрон, он знал, недешевое удовольствие, а Резерфорд не любил клянчить деньги.

Но отсутствие циклотрона обошлось ему еще дороже. В 1935 г. Чэдвик, огорченный отсутствием новых успехов, отбыл в Ливерпульский университет, где начал выбивать средства на циклотрон. Во время его визита в Кембридж летом 1936 г. он и его бывший наставник едва обмолвились парой слов. Примерно в это же время австралийскому ученику Резерфорда Марку Олифанту предложили место в Бирмингемском университете, которое он не замедлил принять. В конце концов, удрученный потерей одних из своих лучших сотрудников, Резерфорд разрешил Кокрофту начать работу над кембриджским циклотроном.

Пока от Резерфорда один за другим уезжали соратники, в Беркли Лоуренс уже собирал средства на еще более мощную машину. Деньги текли к нему рекой, и расширить Радиационную лабораторию не представляло никакого труда. Олифант, однажды навестивший Лоуренса, так объяснил отличие его от Резерфорда: «Кавендишская лаборатория и во времена Резерфорда, и до него всегда была на мели. Резерфорд был не способен, да и не хотел добывать деньги… Лоуренс, наоборот, обладал деловой хваткой и быстро набил руку, добывая деньги для своей лаборатории».

Олифант обратил внимание, что Лоуренс, начинавший в университете с медицины, вовремя предугадал медицинские приложения циклотронов и с этим козырем в руках успешно привлекал средства. В 1935 г. Лоуренс писал Бору: «Как Вы знаете, на медицинские исследования дают деньги гораздо охотнее».

В отличие от Резерфорда, который планировал и лично следил почти за всеми экспериментами в своей лаборатории, Лоуренс предпочитал не взваливать все на себя. Его организационным талантом восхищались люди в правительстве и промышленности, от которых зависело, будет расширяться его лаборатория или нет, и она расширялась. Как отмечал Олифант: «Его прямой подход к делу, уверенность в себе, достижения его опытных сотрудников и целеустремленность исследователей, работавших под его началом, рождали уверенность и в тех, у кого были деньги. Он безошибочно выбирал людей и проекты, за которые стоило взяться. Его отличала редкая способность найти применение всем без исключения навыкам и знаниям, которыми обладали члены его разношерстной группы. Он стал живым примером того, каким должен быть директор большой современной лаборатории. Кстати о лаборатории, ее бюджет вырос до заоблачных высот, а управленческий талант ее руководителя привел к таким скачкам на научном поприще, которые полностью стоили потраченных на них усилий»⁴¹.

19 октября 1937 г. от ущемления грыжи скончался Резерфорд. Как и полагается пэру (за шесть лет до смерти он был удостоен этого титула), «высокочтимого лорда Нельсона» похоронили со всеми почестями. В гербе Резерфорда нашли отражение как его происхождение, так и научные взгляды. Цитата из Лукреция, соседствующая с изображениями птицы киви, символа Новой Зеландии, и воина маори, гласит: «Primordia Quaerare Rerum» («Познать первопринципы сущего»). Могила с прахом Резерфорда заняла подобающее место в Вестминстерском аббатстве рядом с местами последнего упокоения Ньютона и лорда Кельвина.