Обнаруженная Гессом радиация, названная космическими лучами[92], разрешила загадку излишнего излучения, которая мучила физиков более 15 лет, но при этом полностью изменила их представление о том, где можно это излучение найти. Когда я говорю «излучение» в этом контексте, я имею в виду ионизирующее излучение, обладающее достаточной энергией для высвобождения электронов из атомов. Это включает в себя три типа излучения, известных ученым на данный момент: альфа-излучение (ядра гелия), бета-излучение (электроны) и гамма-излучение (высокоэнергетический свет). Где-то в космосе в результате бурных и сильных взаимодействий испускается излучение, достаточно мощное, чтобы преодолеть огромные расстояния, пройти через атмосферу и опуститься на Землю. Но где именно? Как образуется это излучение? Это новый или уже знакомый нам тип радиации? Взаимодействует ли она с атмосферой или проходит прямо сквозь нее? Гесс обнаружил космические лучи, но он мало что мог сказать об их природе. Был необходим инструмент, позволяющий больше узнать о радиации – как от космических лучей, так и в лабораториях на Земле.
Чего Гесс и его коллеги действительно хотели, так это какого-то способа увидеть излучение, что было особенно сложно, потому что оно, по большей части, невидимо. И все же они знали, что физика сделала видимыми другие части природы с помощью хитроумных инструментов. Например, глубины космоса нельзя было увидеть до того, как телескоп позволил собирать слабый свет, расширяя представление о Вселенной и нашем месте в ней. Биологические процессы также были невидимы, пока не появились первые микроскопы, открывшие взору мир микроорганизмов, что привело к невероятным открытиям и пониманию передачи болезней и формирования самой жизни. Теперь, в начале 1900-х годов, физики оказались на аналогичной грани, нуждаясь в прорыве в своей способности визуализировать излучение.
Чарльз Вильсон был застенчивым шотландским физиком, который начал свою научную карьеру примерно в то время, когда было открыто излучение. Его наследие сыграло важную роль в развитии его идей, прежде всего потому, что Шотландия оказалась почти идеальным местом для изучения облаков. В 1894 году, в возрасте 25 лет, Вильсон отправился в Форт-Уильям к самой высокой горе на Британских островах – Бен-Невис.
355 дней в году четко очерченная вершина Бен-Невиса окутана предательским туманом, но Вильсон узрел нечто вроде чуда: беспрецедентный период хорошей погоды. Он успешно поднялся на Бен-Невис и пробыл там две недели, работая волонтером на метеорологической станции. Несмотря на то что он работал в Кавендишской лаборатории в Кембридже, его первой любовью была не физика, а метеорология. С вершины облака были в основном под ним, и с этой выгодной точки он наблюдал за светом, танцующим на облаках, и формированием цветных колец, называемых «глориями», образующихся в тени горы, на которой он стоял. Он был очарован этими эффектами и хотел воспроизвести и изучить их в лаборатории. Поэтому его первой задачей было выяснить, как создать облака.
Вернувшись в Кембридж, Вильсон начал свой эксперимент. Для этого он использовал перевернутый стакан внутри большой стеклянной банки, наполненной водой, и ряд стеклянных трубок и клапанов, соединенных со второй банкой, находящейся в вакууме. Чтобы управлять камерой, Вильсон тянул за проволоку, выталкивая маленькую пробку, которая позволяла воздуху в стакане расширяться, опуская давление и снижая температуру[93]. Любой, кто открывал бутылку с газировкой и видел, как на крышке образуется туман с шипящим звуком, может представить, что наблюдал Вильсон. Поскольку воздух расширяется при падении давления, он становится перенасыщенным. При благоприятных условиях влага в воздухе конденсируется на частицах пыли и образует мелкие капли, создавая облако. Вильсон успешно воспроизвел это в лаборатории и собирался перейти к воссозданию световых эффектов, которые он наблюдал с вершины Бен-Невиса, но обнаружил то, чего не предполагал: даже в обеспыленном воздухе продолжали образовываться облачные капельки.
Как такое возможно? Чтобы образовались облака, необходимо какое-то возмущение, инициирующее образование капель; технически говоря, должны были быть какие-то ядра конденсации. До сих пор это была пыль. Но что было причиной образования капель в воздухе, свободном от пыли? Из своих более ранних экспериментов Вильсон смог определить, что возмущение вызывало что-то небольшое, возможно, размером с молекулу или атом, что натолкнуло его на идею о том, что капли образуются на ионах внутри камеры. Если это действительно так, он мог бы найти способ сделать атомы или молекулы видимыми и подсчитать их.
Вильсона не интересовали наблюдения за радиацией: она была очень новым и не совсем понятным явлением.
Он выдвинул свою гипотезу: ионы в воздухе ответственны за образование облаков. Он перестроил свой эксперимент с помощью более сложной установки, предназначенной для еще более быстрого расширения. Подготовив новый эксперимент, Вильсон схватил примитивную рентгеновскую трубку и направил ее на камеру. Он обнаружил, что при правильных условиях рентгеновские лучи создают большое количество капель, усиливая эффект, который он видел ранее. Наличие электрических зарядов вызвало образование облаков. Его догадка подтвердилась: рентгеновские лучи создавали ионы в воздухе, и эти ионы создавали ядра конденсации.
Вильсон работал над своей гипотезой, пока другие физики поднимали электроскопы на воздушных шарах и пытались разгадать тайну космического излучения. Он не был в неведении относительно достижений в области радиации – в конце концов, он, должно быть, ежедневно видел Эрнеста Резерфорда и Дж. Дж. Томсона. В какой-то момент в 1901 году он настолько заинтересовался новыми веяниями в физике, что тоже решил поискать фоновое излучение с помощью электроскопа, который установил ночью в тоннеле Каледонской железной дороги. Как и другие, он искал излишнюю радиацию от минералов Земли, но не увидел заметной разницы между радиацией в тоннеле и в своей лаборатории[94]. Вильсон снова переключил внимание на свою более многообещающую работу, предоставив другим разбираться с таинственным излучением.
Кажущееся отсутствие интереса Вильсона к радиации и его странный эксперимент по созданию облаков придавали ему некий ореол загадочности в Кавендишской лаборатории. Он проводил дни, занимаясь тщательной и сложной выдувкой стекла, которое очень часто ломалось. Студенты и сотрудники сопереживали ему, поскольку все они когда-то обучались стеклодувному делу в так называемой «детской лаборатории» – специальной лаборатории, где студенты-исследователи изучали замысловатые принципы создания устройств, таких как электрометры, прежде чем приступить к воспроизведению известных экспериментов. Многие из них позже с нежностью вспоминали фоновый звук выдувания стекла Вильсоном, который стал почти саундтреком к их работе в Кавендише.
Научная стеклодувная мастерская сегодня большая редкость, поэтому нам трудно оценить, как много навыков требовало проведение эксперимента, подобного облачной камере, до появления автоматизированного проектирования и фрезерных станков, которые мы используем для проведения современных опытов. Требовались годы, чтобы освоить необходимые методы, но характерные для Вильсона терпение и мягкость позволили ему создать то, что Резерфорд назвал «самым оригинальным и замечательным инструментом в истории науки»[95].
Кустарное изготовление стеклянного компонента требовало нагрева стекла до нужной температуры. В одной руке Вильсон держал паяльную лампу: для создания достаточного количества тепла, чтобы стекло расплавилось именно так, как ему было нужно, он немного открывал газ, заставляя горелку издавать безошибочно узнаваемый свист – звук, который позже многие с ним ассоциировали. Точно в нужный момент он выдувал ртом воздух через трубу, расширяя стеклянный сосуд с нужной силой, обрабатывая расплавленное стекло ножами и другими инструментами[96].
Это был жаркий и физически трудоемкий процесс, но всего за пару минут Вильсон мог искусно придать стеклу форму сферической колбы или спирали. Основными элементами его облачных камер были цилиндры, которые должны были идеально подходить друг другу, что часто требовало часов кропотливой шлифовки стекла после его охлаждения. Безусловно, самым коварным процессом было соединение всех частей вместе, когда каждый компонент мог разрушить всю конструкцию. Чаще всего весь эксперимент заканчивался тем, что стекло разбивалось. Вильсон, в отличие от Резерфорда, избегал ругательств в адрес своего аппарата. Он только тихо приговаривал: «Боже, боже», – и начинал сначала.
Сегодня ранние облачные камеры Вильсона хранятся в музее в Новой Кавендишской лаборатории в Кембридже, и на первый взгляд они выглядят довольно примитивно. Их простота создает впечатление, что это были легкие дни открытий, когда любой мало-мальски приличный физик мог сделать революционное открытие о Вселенной. Но как только мы поймем, какой уровень мастерства и терпения требуется, чтобы создать что-то полезное из стекла в начале 1900-х годов, Вильсон и его коллеги-экспериментаторы начинают казаться совершенно исключительными людьми. С помощью этого нового мощного инструмента были сделаны открытия, которые навсегда изменили наш взгляд на материю.
Когда Вильсон впервые разработал камеру, было далеко не ясно, можно ли использовать это устройство для сколько-нибудь серьезного количественного исследования излучения, даже если оно, по-видимому, реагирует на рентгеновские лучи. Только после того как Резерфорд определил природу альфа– и бета-излучения, Вильсон вернулся к облачной камере в 1910 году, на этот раз с новой энергией и амбициозной целью. Он планировал сделать камеру полезным инструме