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»