Выбирать было очень сложно. Узколабораторных изобретений, оказавших тем не менее значительное влияние на науку и технику, в СССР сделали достаточно много. А я решил ограничиться тремя. Так что не судите меня строго за такой выбор (если он кажется вам неправильным) – просто эти три открытия показались мне наиболее важными и интересными.
История первая: черенковский детектор
Многие слышали словосочетание «черенковский детектор» – о нём нередко говорят, например, по телевизору в самых разных передачах. Я попытаюсь кратко рассказать, кто такой Черенков и почему детектор, названный его именем, так важен для мировой науки.
Собственно, с Павла Черенкова всё началось. В 1934 году он, 30-летний физик, работал в лаборатории Сергея Вавилова, исследуя люминесценцию жидкостей под воздействием гамма-излучения. В процессе он обнаружил необъяснимое голубое свечение; последующие опыты показали, что излучение присутствует у всех прозрачных жидкостей и не является люминесценцией. Явление получило название эффекта Вавилова – Черенкова, а спустя три года, в 1937-м, Игорь Тамм и Илья Франк дали эффекту теоретическое объяснение.
Есть такое понятие – фазовая скорость, то есть скорость перемещения поверхности постоянной фазы электромагнитной волны вдоль направления её распространения. Посмотрите на иллюстрацию:
Теперь представьте себе волну – электромагнитную или, если так вам будет проще, океанскую. Высшая её точка на иллюстрации – А, и эта точка движется со скоростью V. Собственно, V и есть фазовая скорость.
Так вот, фазовая скорость света в какой-либо среде зависит от показателя преломления этой среды, и равна она скорости света в вакууме, делённой на показатель преломления. Иначе говоря, фазовая скорость света в среде может быть существенно ниже скорости света в вакууме. И если в среду попадает заряженная частица (скажем, электрон или позитрон), движущаяся со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, получается, что она движется быстрее света! Представьте себе самолёт, который летит на сверхзвуковой скорости и создаёт перед собой ударную волну, или катер, оставляющий на поверхности воды расходящиеся в стороны волны. Так же ведёт себя и заряженная частица: двигаясь через среду, она «расталкивает»[9] свет и вызывает вынужденное излучение, которое распространяется в виде конуса, где вершина – сама частица (катер или самолёт), а ось – направление её движения. Это и есть эффект Вавилова – Черенкова, то самое знаменитое свечение в бассейнах, которое любят показывать во время экскурсий на АЭС: гамма-излучение отработанного ядерного топлива выбивает электроны из атомов молекул воды, а эти электроны, двигаясь в воде с околосветовой скоростью, порождают зелёно-голубое черенковское излучение.
Направление черенковского излучения (то есть угол при вершине конуса) зависит от скорости и, следовательно, энергии частицы. Это свойство позволило построить черенковский детектор – устройство, фиксирующее количество, скорость, энергию и другие показатели высокоэнергетических частиц, движущихся быстрее фазовой скорости света в среде. Такие детекторы стали важными исследовательскими приборами, позволяющими получить качественную и количественную информацию о различных частицах. В частности, все детекторы нейтрино используют черенковское излучение, возникающее при выбивании этими частицами электронов из атомов. Малая вероятность такого взаимодействия компенсируется гигантскими размерами детекторов (нейтринные телескопы занимают объём в несколько кубических километров льда или воды).
В 1958 году Черенков, Франк и Тамм удостоились Нобелевской премии по физике за открытие и исследование черенковского излучения. Но почему-то у меня в памяти осел другой факт. В то время как Павел Черенков учился, работал, защищал кандидатскую (1935) и докторскую (1940), его отца, крестьянина Алексея Черенкова, сперва раскулачили, а потом, в 1938-м, осудили и расстреляли по сфабрикованному делу за «контрреволюционную деятельность». Такие дела.
История вторая: электронное охлаждение ионов
Я уже немало рассказал об ускорителях электронных частиц в главе 13. Но, конечно, не всё – тема эта большая и сложная. Сам процесс ускорения не завязан на одном только ускорителе – для проведения опытов со сталкивающимися пучками нужны целые лаборатории со значительным количеством оборудования. Такие лаборатории – средоточие современных технологий, сложнейшие комплексы, в создание которых вложены знания и труд тысяч специалистов. Охлаждение ионов – лишь одна из многих проблем, которые требовалось решить, чтобы построить ускоритель.
Как несложно догадаться, для эффективного столкновения ионов в ускорителе нужно добиться максимальной плотности пучка частиц. Если они слишком разрежены, столкновений будет мало и произошедших реакций не хватит для фиксации результатов. Так что фокусировка пучков ионов была проблемой с самого начала.
В 1965 году советский физик Андрей Михайлович (на самом деле Герш Ицкович) Будкер предложил новый и, как показала практика, очень эффективный способ фокусировки пучка. На тот момент Будкер возглавлял созданный в 1958 году Институт ядерной физики в Академгородке Новосибирска и руководил разработкой ВЭПП-2 – одного из ранних электрон-позитронных коллайдеров. В институте уже был электрон-электронный коллайдер ВЭП-1, запущенный в 1962-м и до сих пор остающийся единственным за всю историю вертикальным устройством такого типа.
Когда пучок заряженных частиц движется в ускорителе, у частиц есть не только продольная скорость, но и поперечная, вызванная тепловым движением. Чем выше температура частиц, тем выше поперечная скорость, и в результате пучок постепенно расплывается в поперечном направлении. Чтобы сфокусировать пучок, нужно его в буквальном смысле охладить, то есть заставить частицы отдать тепловую энергию.
Для лёгких частиц, таких как электроны, эта операция относительно проста. Когда электроны движутся в циклическом ускорителе, они испускают синхротронное излучение, быстро теряя энергию и, соответственно, охлаждаясь. При охлаждении их поперечные скорости уменьшаются, пучок перестаёт расплываться и фокусируется. С ионами провернуть такое гораздо сложнее: они в тысячи раз тяжелее электронов и начинают генерировать синхротронное излучение при энергиях в десятки тераэлектронвольт (для сравнения: максимальная энергия одного пучка в Большом адронном коллайдере – 7 ТэВ, а в 1960-х о таком можно было только мечтать). Будкер предложил искусственно охлаждать пучки ионов, в буквальном смысле «смешивая» их с уже охлаждёнными и разогнанными до тех же продольных скоростей электронами на определённом участке траектории. Ионы при этом взаимодействуют с электронами посредством электромагнитных сил, отдавая им энергию и в свою очередь охлаждаясь.
Для проверки идеи к 1971 году в институтских мастерских была построена специальная установка. Всё оказалось не очень просто: команда, работавшая над ускорителем-охладителем, на протяжении ещё трёх лет не могла получить сколько-нибудь приемлемых результатов (и, кстати, над учёными висел дамоклов меч – за эти годы они не сделали ни одной публикации). Но в 1974 году был наконец построен функциональный накопитель НАП-М, на котором получили первый практический результат. Сердцем устройства стала ЭПОХА (установка с электронным пучком для охлаждения антипротонов). Дальше дело пошло лучше: к 1976-му на опытной установке было открыто явление быстрого электронного охлаждения, удалось провести множество исследований, вышло множество статей.
К сожалению, Герш Будкер этого уже не застал – он скончался в 1977 году. Техника электронного охлаждения сегодня используется во многих лабораториях мира. Более того, с её помощью научились не только фокусировать пучок, уменьшая разброс частиц, но с высокой точностью варьировать его профиль. Электронные охладители для многих зарубежных лабораторий (и, кстати, для Большого адронного коллайдера) разрабатывали советские и позже российские учёные – первопроходцы технологии. Например, недавно установленный в исследовательском центре COSY (Юлих, Германия) охладитель строили по немецкому заказу в Институте ядерной физики СО РАН.
Однако в этой истории о нашем первенстве есть и своя ложка дёгтя: в той же Германии сегодня действуют четыре установки электронного охлаждения ионов, а в России – ни одной. Другое дело, что, пока я пишу эти строки, в Дубне строится новый ускорительный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider Facility) и ещё осенью 2015-го в рамках проекта была смонтирована установка электронного охлаждения ионов. Но NICA заработает лишь в 2020-м.
История третья: квантовые точки
В последнее время набирает обороты технология QLED – мониторы и телевизоры на квантовых точках. Многие полагают, что это новинка 2010-х, в то время как квантовые точки были то ли открыты, то ли изобретены – тут точно не скажешь – советскими физиками Алексеем Екимовым и Алексеем Онущенко в далёком 1981 году.
Вообще говоря, квантовая точка – это крошечный фрагмент проводника или полупроводника. Независимо от того, что является в нём носителем заряда – электроны или дырки, они ограничены по всем трём измерениям, то есть, по сути, это крошечный кубик. Размер его должен быть настолько мал, чтобы начали проявляться квантовые эффекты.
Проще всего объяснить на примере. При переходе электрона на более низкий энергетический уровень испускается фотон. Чем меньше кристалл полупроводника (то есть квантовая точка), тем больше расстояние между его энергетическими уровнями, и, варьируя размеры кристалла, мы можем изменять энергию испускаемого фотона, то есть его цвет! Иначе говоря, квантовая точка способна излучать свет любой видимой части спектра в зависимости от своих размеров. Размеры квантовой точки, называемой также искусственным атомом (поскольку она ведёт себя очень похоже), колеблются от нескольких единиц до сотни нанометров.
До начала 2010-х годов квантовые точки оставались сугубо лабораторным явлением. Предполагался ряд вариантов их использования: в полевых транзисторах, фотоэлементах, диодных устройствах, но до практики дело не доходило. В 2011-м произошёл практический прорыв: компания Samsung представила первый в истории дисплей на квантовых точках, то есть технологию QLED, а в 2013-м Sony первой запустила подобное устройство в серию. Сегодня такие дисплеи и телевизоры есть у многих производителей; они отличаются поразительной точностью передачи цвета и минимумом искажений.
В 2010-х было найдено и ещё одно прикладное применение для квантовых точек – солнечные батареи (притом что первые попытки построить энергоэффективную систему такого плана делались в 1990 году). С тех пор было изготовлено много опытных образцов; рекордной эффективности батареи на квантовых точках – 13,4 % – достигли разработчики из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) Министерства энергетики США и Вашингтонского университета. Это всё ещё немного, современные батареи могут достигать рекордных показателей КПД свыше 30 %, но работа продолжается.
На момент открытия квантовых точек Алексей Екимов и Алексей Онущенко работали в Государственном оптическом институте имени Вавилова. Екимов был известным в научных кругах физиком и уже получил в 1976 году Государственную премию СССР за цикл работ «Обнаружение и исследование новых явлений, связанных с оптической ориентацией спинов электронов и ядер в полупроводниках». В США параллельную работу вёл профессор химии Колумбийского университета Луис Брас – он получил квантовые точки независимо на несколько лет позже, в 1985 году.
А в 2006-м Екимов и Брас разделили премию Вуда – награду Оптического общества (OSA) за выдающиеся достижение в области оптики. Екимов стал вторым русским учёным, получившим эту награду. Первым был знаменитый Юрий Денисюк, один из основоположников оптической голографии (глава о нём в этой книге тоже есть).