Для Уилера настало время заняться новыми теоретическими проблемами, и Фейнман оказался в этом деле отличным соратником.
Все рассеивается
Еще до того, как заняться изучением ядерного распада, Уилер активно интересовался таким феноменом как «рассеяние частиц». Рассеяние происходит, когда частицы взаимодействуют друг с другом и отклоняются, подобно тому, как мячик, по которому ударили ракеткой, отскакивает в случайном на первый взгляд направлении.
Это происходит, на классическом (повседневном) и субатомном (квантовом) уровнях реальности.
Физикам нравится делать предсказания, а в случае теннисных упражнений подготовленный теоретик, имеющий данные о том, как именно соприкоснулись мячик и ракетка, сможет рассчитать, как произойдет отскок. Это классическая задача, с которой можно справиться, используя законы механики Ньютона.
Уилер больше интересовался эффектом Комптона, квантовым процессом на субатомным уровне, который не так легко объяснить с точки зрения физики Ньютона. Впервые его обнаружил американский физик Артур Комптон, получивший Нобелевскую премию за это открытие.
Эффект Комптона связан с тем, как ведет себя свет, рассеянный электроном.
Свет падает на электрон, и электрон приобретает энергию и импульс (масса, умноженная на скорость), которые тащат его в определенном направлении как брошенное метательное копье. В процессе он сам излучает свет с большей длиной волны (расстояние между пиками), чем была у исходного, и тот распространяется под углом, отличным от движения электрона.
Для видимого света длина волны соотносится с цветом, так что вторичный свет будет иметь иной оттенок, чем оригинальный, сдвигаясь к красному концу спектра. Обычно эффект Комптона возникает при работе с невидимыми рентгеновскими лучами, и при этом получаются те же рентгеновские лучи, только с большей длиной волны.
Важность эффекта Комптона в том, что квантовая теория точно предсказывает разницу между начальной и конечной длиной волны, и угол рассеяния между электроном и испущенным светом тоже. Это достижение раскрывает сущность квантовой гипотезы, впервые предложенной Максом Планком в 1900 году и доработанной Эйнштейном в 1905-м, которая носит название «фотоэлектрический эффект».
Термин «квант» сам по себе обозначает «порция», и возник он потому, что свет выделяется небольшими порциями, или квантами, энергии. Мельчайшие единицы света – волна делится на частицы, словно засунутая в коробку пружина – именуются фотонами. Поскольку большая часть светового спектра невидима, за исключением участка от красного до фиолетового, то большинство существующих фотонов точно так же невидимы.
Фотоны служат частицами обмена в электромагнитном взаимодействии, всякий раз, когда заряженная частица, такая как электрон, притягивает или отталкивает другую заряженную частицу с помощью электричества или магнетизма, фотон прыгает между ними. Без такого обмена заряды будут просто игнорировать друг друга, и не будет ни притяжения, ни отталкивания.
Так что если ваш магнитик со щелчком прилипает к холодильнику, то благодарите фотоны (скорее невидимые, чем оптические) за их роль переносчиков электромагнитной энергии.
Как предполагали Планк и Эйнштейн, количество энергии, приходящееся на фотон, зависит от частоты (количество повторений некоего процесса в единицу времени) света, которой тот характеризуется. Частота, в свою очередь, обратно пропорциональна длине волны (чем больше длина волны, тем ниже частота и наоборот). Следовательно, длинные волны, например радиоволны, соотносятся с низкими частотами и низкими энергиями; короткие, как рентгеновские лучи, наоборот, с высокими частотами и высокими энергиями.
В случае эффекта Комптона электрон поглощает энергию и импульс ударившего по нему фотона и выплевывает более слабый фотон с большей длиной волны. Исследователи замерили сдвиг Комптона бесчисленное множество раз, и он всегда соответствовал тому, что они ожидали.
Признав, что Фейнман является искусным математиком – взять хоть его сверхъестественную сноровку брать сложные интегралы – и обладает хорошей интуицией физика, Уилер предложил, чтобы они совместно занялись изучением квантового рассеяния. «Все рассеивается!» – провозгласил он, и это стало для двух физиков чем-то вроде лозунга.
Проблема, которой Уилер хотел озадачить Фейнмана, брала начало на конференции по физике в Кембридже, которую Джон посетил в октябре 1934 года, где исследователи обсуждали, как гамма-лучи (самый высокоэнергетичный вид фотонов), если ими бомбардировать кусок свинца, производят мини-душ из рассеянных частиц. Анализ побочных продуктов рассеяния, думал он, помог бы отточить инструментарий для квантовых исследований.
Уилер оказался первым, кто еще в 1937 году предложил численный метод, позволяющий оформлять результаты рассеяния в форме таблицы, и позже этот метод назвали «матрицей рассеяния». Его можно сравнить с подсчетом очков во время игры в дартс, когда нужно записать, сколько именно дротиков попало в тот или иной круг мишени, а также в ее центр, в «бычий глаз». В дартс собранные данные используются, чтобы определить силу и место игроков, а в физике «матрица рассеяния» дает возможность реконструировать то, какие именно взаимодействия обнаружены.
Физики называют такой анализ, основанный на собранных данных, феноменологическим, чтобы отличать его от более абстрактных теоретических размышлений.
Уилер и Фейнман потратили много времени, ломая голову над целой галактикой вопросов, связанных с разными типами рассеяния. Под руководством наставника Ричард очень хорошо научился пользоваться «матрицей рассеяния», а также стал экспертом в рисовании диаграмм, объясняющих, как взаимодействуют частицы.
Ненадолго задержавшись на гамма-лучах и свинце, они решили сосредоточиться на том, как электроны и протоны стремительно движутся, словно шарики в пинболе, внутри материалов со сложной структурой. Это совместное исследование не принесло результата, выраженного в публикации, но стало приквелом к погружению в еще более глубокие тайны взаимодействия электронов.
Водяная юла
В те дни экспериментальная физика частиц оказалась на распутье меж двух методов. Один состоял в том, чтобы наблюдать за продуктами естественного ядерного распада, такими частицами, которые производят радиоактивные материалы или из каких состоят космические лучи, незримым дождем льющиеся на нас сверху. Например, позитрон – подобный электрону, но заряженный положительно – был впервые найден именно в космическом излучении.
Альтернатива естественному методу, только что появившаяся, опиралась на искусственное ускорение частиц, разбивание их о специально выбранные цели, и изучение того, что останется. Прадедушкой экспериментов такого рода стал известный опыт новозеландского физика Эрнеста Резерфорда, который бомбардировал золотую фольгу альфа-частицами (ядрами гелия, как стало ясно позже).
Альфа-частицы по большей части проходили сквозь фольгу, но совсем немногие отскакивали. Рассеиваясь под острыми углами, они позволяли предположить, что в атомах золота есть компактное, положительно заряженное ядро, и вокруг него – обширное пустое пространство.
А ведь до этого опыта физики предполагали, что атомы однородны изнутри, словно вишенки, покрытые шоколадом. Эксперимент с золотой фольгой продемонстрировал, что все обстоит иначе, что большую часть атома занимает как раз пустота, а ядро составляет крошечную часть от целого.
Вместо ягоды, обмазанной шоколадом, вообразите оболочку шоколадной конфеты размером с аэростат, внутри которой нет ничего, кроме крохотной вишенки в центре. Подобная картина даст вам представление о сравнительных размерах ядра и атома в целом.
Удивительные результаты Резерфорда показали, насколько важно понимать, как именно происходит рассеяние. Ничего удивительного, что Уилер поставил задачу разобраться с этим перед Фейнманом.
В 1932 году британские исследователи Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, работавшие под руководством Резерфорда в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Англия), построили первый линейный ускоритель, устройство, которое использовало электрическое поле, чтобы разгонять заряженные элементарные частицы, словно метательные снаряды, до желаемого уровня энергии, чтобы потом направить их в желаемую цель. Несколько таких устройств, поставленных в ряд, формировали составной, еще более мощный ускоритель.
Ускоритель использовали, чтобы разрушать атомные ядра и изучать их свойства. Подобная экспериментальная работа опиралась на теоретическую, которой занимались Бор и Уилер.
Другим большим прорывом на экспериментальном поле стал циклотрон американца Эрнеста Лоуренса, построенный примерно в то же время, когда и машина Кокрофта – Уолтона. В нем частицы разгонялись по кругу, причем один и тот же разгоняющий элемент использовался не один раз, а несколько.
Магниты двигали субатомные «снаряды» снова и снова по кольцевой траектории, до тех пор, пока они не набирали достаточное количество энергии. Затем эти «снаряды» швыряли в цель, разбивали на части и собирали ценные данные, анализируя то, что осталось после столкновения.
Циклотроны были более компактными, чем линейные ускорители, и к концу тридцатых они завоевали популярность. Многие университеты высшего класса, включая МТИ и Принстон, обзавелись такими устройствами.
Только появившись в лаборатории Палмера, Фейнман тут же попросил показать ему циклотрон. Сотрудники с физического факультета отправили любопытного магистранта в подвал, он прошел через захламленный склад и очутился возле столь желанной цели.
Фейнман ожидал, что циклотрон Принстона больше и совершеннее, чем сходное устройство в МТИ. Он знал, что тот показал себя более эффективным, если судить по опубликованным результатам. Но, к его удивлению, все обстояло совсем иначе. Местный ускоритель частиц пребывал в полном беспорядке.
Как позже писал сам Ричард:
«Циклотрон стоял посреди комнаты. Всюду были провода, они висели в воздухе, словно протянутые наугад. Были некие водяные устройства, полагаю, что части автоматической системы охлаждения, и маленькие