3

3

Предметом научного сообщения, послужившего поводом для его прихода сюда, в кирпичное здание Файн-холла, был удивительный поворот, заставивший еще раз вспомнить о частной теории относительности. Уравнения новой механики, как знает читатель, охватывают область сверхбыстрых (соизмеримых со скоростью света) движений тел» Уравнениям этим, как полагали некоторые, суждено было поэтому навсегда остаться занятной игрой ума, лишенной какого-либо практического значения. История посмеялась над этими пророками.

Начало тридцатых годов вызвало к жизни новый вид машин: лабораторные физические установки, в которых потоки атомных телец: электронов, протонов, альфа-частиц — разгонялись до скоростей и кинетических энергий, исчисляемых миллионами — пока еще только миллионами — электроновольт. Не было ясно — мы говорим об эпохе тридцатых годов, — не было ясно еще, до каких пределов дойдет эта гонка энергий и скоростей и куда приведет физику эта новая область лабораторной техники. Одно лишь было очевидно: изучение глубоких недр вещества немыслимо без этих мощных и тонких механизмов, и любая страна, озабоченная будущим своей науки, не могла остаться в стороне от них. Важной вехой — весной 1930 года — явилось изобретение калифорнийца Эрнеста Лоуренса. Протоны или другие ядерные заряженные частицы, введенные в циклотрон, — так была названа установка, придуманная Лоуренсом, — подхватываются совместным действием магнитного и электрического полей. Магнитное поле заворачивает пучок частиц по кругу. Переменное электрическое поле подстегивает их короткими толчками всякий раз, когда частицы минуют полуокружность. После каждого толчка скорость увеличивается, что заставляет ускоряемый пучок переходить на окружность все большего и большего радиуса (чем быстрее частица, тем труднее магнитному полю искривить ее путь). Совершив таким способом сотни оборотов по раскручивающейся постепенно спирали, приблизившись, наконец, вплотную к стенке камеры[62], протоны вылетают сквозь окошко наружу, к поджидающей их мишени.

Начав со сравнительно небольшой установки, умещавшейся на лабораторном столе, Лоуренс к 1939 году превратил свой циклотрон в довольно внушительное сооружение. Вес одного лишь электромагнита в нем достигал 200 тонн, а диаметр полюсных наконечников магнита — полутора метров. Описав около 300 полных оборотов и набрав до 8 миллионов электроновольт энергии, протоны, выброшенные этой огромной пращой, оказывались в распоряжении экспериментатора… Можно ли было рассматривать эту машину как предел достигнутых возможностей? Конструкторы-практики отклоняли подобную мысль. Предполагалось строить новые установки того же типа, все больших и больших размеров.

Новое и давно учитываемое теоретиками обстоятельство опрокинуло эти надежды! Рост скорости частиц и постепенное ее приближение к скорости света обещали неминуемо привести к известному результату: расчеты обычной, ньютоновской механики должны были перестать служить, и циклотроны, построенные по этим расчетам, выйти из строя. Что следовало ожидать конкретно? Механика теории относительности предсказывает, как известно, резкое возрастание массы любого тела по мере приближения его скорости к быстроте света. Масса протона, ускорившегося, например, до такой степени, что его энергия движения становится равной 10 миллионам электроновольт, должна увеличиться на 1 процент против «массы покоя». Отяжелевший протон начнет ощутимо замедляться, запаздывать в своем движении, что немедленно же нарушит настройку циклотрона. Эта настройка основана как раз на точном равенстве времен обращения частиц по виткам спирали. При нескольких миллионах электроновольт прирост массы может быть еще нечувствительным, и циклотрон будет работать нормально. Начиная с 10–12 миллионов, как предсказывала теория, надо ждать нарушения режима и прекращения работы машины.

Это предсказание оправдалось!

Теория относительности Эйнштейна вторгалась, в первый раз в своей истории, в работу конструкторов и инженеров, вторгалась пока еще отрицательным, лимитирующим образом. Но то был лишь первый этап. Следующим шагом должна была стать реконструкция техники ускорителей частиц на основе теории относительности. Тот же самый закон природы, который в одних условиях создает преграду для человека, может быть обращен, может быть повернут, как бывало уже не раз, на преодоление преграды! Это было сделано без промедления. Первые варианты новых идей, вынесенные на заседание принстонского семинара, были доложены и обсуждены в присутствии Альберта Эйнштейна.

Проект установки, получившей позже название «бетатрона», предусматривал, в частности, возможность огромного убыстрения легчайших атомных телец-электронов, для которых «релятивистский»[63] рост массы практически сказывается уже на самых ранних этапах разгона. (Электроны почти в 2 тысячи раз легче протонов, и вследствие этого они набирают скорость, при прочих равных условиях, в 2 тысячи раз более быстрым темпом, чем протоны.) Уже при кинетической энергии в 2 миллиона электроновольт электроны мчатся с быстротой, равной 98 процентам скорости света, и масса, их увеличивается вдесятеро по сравнению с массой в состоянии покоя! Весь расчет работы электронных ускорителей, от начала и до конца, должен, таким образом, вестись на основе механики теории относительности. Наиболее полный и точный расчет такого рода — Эйнштейн прочитал об этом с нескрываемым любопытством в одном из научных журналов — был произведен вскоре русским физиком Яковом Терлецким из Московского университета Ломоносова, и русские же ученые Иваненко и Померанчук выяснили в дальнейшем теоретический предел для увеличения энергии частиц в бетатроне.

Дело в том, что, в отличие от циклотрона, частицы «прокручиваются» тут не по спирали, а по стабильной окружности, совершая не сотни, а сотни тысяч оборотов, прежде чем обрушиться на мишень. Это позволило сильно поднять потолок энергий, достигаемых в бетатроне. Однако, как показали Иваненко и Померанчук, более 200–300 миллионов электроновольт здесь выжать все же трудно, потому что при очень больших круговых скоростях электроны начинают излучать энергию в форме света, начинают светиться прямо на глаз сперва красноватым, а потом голубовато-синим сиянием! К этому надо было добавить, что бетатрон не может быть использован для разгона самых важных атомных снарядов — протонов и других заряженных ядерных телец. Все это требовало в дальнейшем новых идей и новых технических усилий, и основой для этих усилий продолжала оставаться механика теории относительности, механика Альберта Эйнштейна.

Эйнштейн был удовлетворен этим ходом событий. Он был доволен, узнав и о двух других новинках, подтвердивших, что теория относительности пустила глубокие корни в физике. Одно известие шло из соседнего Нью-Йорка, другое — опять из далекой Москвы. В лабораториях телефонной компании Белла физики Айве и Стилуэлл поставили опыт, позволивший впервые непосредственно измерить эффект «замедления часов», требуемый частной теорией относительности. Брался пучок излучавших свет водородных атомов и разгонялся до больших скоростей в электрическом поле. При рассматривании удаляющегося пучка через спектроскоп надо было ожидать, как всегда, сдвига частот световых волн (и соответственных спектральных линий) в красную сторону. Речь шла о так называемом «эффекте Доплера», наблюдаемом всякий раз, когда источник и приемник света сближаются либо удаляются друг от друга. При сближении число гребней, доходящих до приемника в секунду, растет, при удалении — уменьшается. Это и приводит к сдвигу частоты в фиолетовую либо в красную сторону. При очень быстрых движениях эйнштейновская механика предсказывает, однако, дополнительное изменение частоты, обязанное замедлению течения времени. «Растяжение» интервалов времени у движущихся атомов (по отношению к ходу часов в лаборатории) должно, в частности, увеличивать число световых колебаний в секунду, то есть смещать частоту в фиолетовую сторону. Это дополнительное — «релятивистское» смещение примерно в 500—1000 раз меньше основного доплеровского, но Айвсу и Стилуэллу удалось подметить и смерить релятивистский эффект с образцовой точностью!

В Москве молодой советский физик Павел Черенков обнаружил нечто еще более удивительное и не поддававшееся объяснению, пока к замку не подошел ключ теории. Двигавшиеся у Черенкова в сосуде с жидкостью чрезвычайно быстрые электроны от радиоактивного источника вызывали внутри жидкости световую волну, шедшую узким конусом вдоль трассы электрона. Ничего подобного не наблюдалось никогда с той поры, как физики научились следить за ходом волн света в материи! Положение разъяснилось, когда московские теоретики Игорь Тамм и Илья Франк рассмотрели математически движение так называемого «сверхсветового электрона», то есть электрона, летящего быстрее, чем распространяется свет в толще жидкости. Электромагнитная теория света Максвелла, неотделимая от частной теории относительности Эйнштейна, помогла установить, что впереди такого электрона должен образовываться как раз световой конус, напоминающий «ударную» (воздушную) волну сверхзвукового реактивного самолета. Скоро, очень скоро русское открытие было положено в основу новых физических приборов — «черенковских счетчиков», ставших наряду с ускорителями могущественным оружием атаки микромира…

Да, все это вселяло чувство законного удовлетворения и гордости, но к этому чувству примешивалось ощущение неясной тревоги. Гул пушек Мадрида и Барселоны заставлял вспомнить о тех днях, когда шла работа над теорией тяготения и все было омрачено гнетущим призраком Соммы и Вердена. Мысль уносилась еще на десятилетие назад, к началу века, к 1905 году, — году русского кровавого воскресенья, Цусимы и теории Альберта Эйнштейна. Тридцать пять лет подряд зловещая тень войны, не отставая, шла по пятам за ним и за прогрессом физики! Случайным ли было это сближение во времени, эта синхронность двух потоков событий? И куда ведет, где остановится гигантская раскручивающаяся спираль, чьей исходной точкой были его собственные, эйнштейновские, вычисления массы и размеров атомов? Последние дни года, последнего предвоенного года, застали его погруженным в раздумье, еще более тяжелое и гнетущее, чем то, с которым он писал свое «Письмо к потомкам».