нтом для наблюдения заряженных частиц.
В 1911 году, через 15 лет после изобретения облачной камеры, Вильсон стал первым человеком, который увидел и запечатлел движение отдельных альфа– и бета-частиц. Он усовершенствовал устройство таким образом, что теперь заряженные частицы создавали белые следы, которые можно было подсветить и сфотографировать. Он описал эти следы, оставляемые электронами, как «маленькие пучки и нити облаков»[97]. Вильсон показал фотографию следов альфа-частиц австралийско-британскому физику У. Г. Брэггу, который первым предсказал, что альфа-частица должна сначала постепенно замедляться, а затем резко остановиться, взаимодействуя с наибольшей силой в конце своего пути, создавая облачный след, все более заметный и плотный по мере окончания движения частицы. Вильсон и Брэгг обнаружили, что «сходство между фотографией и идеальной картиной Брэгга было поразительным»[98].
Исследователи по всему миру медленно, но неуклонно внедряли в свои лаборатории облачные камеры, внося в них изменения, чтобы они стали еще более полезными. К концу 1920-х годов большинство облачных камер размещались между полюсами большого магнита, заставляющего изгибаться следы от заряженных частиц. Положительная частица изгибалась в одном направлении, отрицательная – в противоположном, и высокоэнергетическая частица изгибалась меньше, чем низкоэнергетическая. С помощью тщательных измерений исследователи смогли определить электрический заряд и энергию частиц. В лаборатории они узнали, как выглядят различные частицы в облачной камере, и смогли определить их свойства.
Идеи о взаимодействии частиц, родившиеся в ходе мучительных долгих экспериментов, теперь можно было увидеть воочию. Настало время применить эту новую технику для понимания природы космических лучей.
В Калифорнийском технологическом институте (Калтех) в Пасадене Роберт Милликен, переехавший туда из Чикаго в 1921 году после своих экспериментов по фотоэлектрическому эффекту (глава 3), призвал своего бывшего аспиранта Карла Андерсона использовать облачную камеру для проведения новых исследований по космическим лучам. В 1929 году советский ученый Дмитрий Скобельцын обнаружил в облачной камере несколько треков, которые вообще почти не изгибались[99], что указывало на то, что они обладали огромной энергией – более 5000 МэВ, что в 1000 раз превышало лабораторные радиоактивные источники. Они были не просто энергичны: они появлялись в неожиданных группах по два, три или более лучей и, казалось, исходили из точки за пределами камеры. Результаты работы Скобельцына показали, что облачная камера поможет узнать что-то новое и захватывающее о космических лучах.
Андерсон, сын шведских иммигрантов, еще будучи школьником в Лос-Анджелесе, решил, что хочет стать инженером-электриком, несмотря на то что в его семье ни у кого не было опыта работы в технических областях. Учитель посоветовал ему поступить в Калифорнийский технологический институт, где Андерсон понял, что физика – это гораздо больше, чем просто шкивы и рычаги. Он решил сменить специальность и никогда не оглядывался назад[100]. Он уже использовал облачную камеру при подготовке своей дипломной работы с Милликеном и обнаружил, что использование паров спирта вместо водяного пара делает следы намного ярче и их легче фотографировать. Он начал строить новую облачную камеру.
Андерсон нашел мотор-генератор в отделе аэронавтики и сконструировал весь аппарат вокруг него. Не было денег на сложные инженерные разработки – только-только началась Великая депрессия, – так что его эксперимент выглядел устрашающе, но все же работал. Облачная камера была в сердце устройства, окруженная медными трубами, по которым проводилось электричество для создания большого электромагнита. Трубы были полыми, по ним текла вода, чтобы магнит не расплавился. Вместе с железными полюсами, необходимыми для направления магнитного поля, устройство было размером с небольшой автомобиль и весило около 2 тонн. Сама камера была видна через отверстие в одном конце магнита, через которое она могла фотографировать облачные следы. Чтобы управлять устройством, Андерсону приходилось неоднократно создавать очень быстрое расширение паров спирта, что он и делал с помощью подвижного поршня, в результате чего при каждом срабатывании устройства раздавался громкий хлопок. Остальная часть кампуса Калтеха содрогалась от грохота, доносящегося с крыши здания, где был собран аппарат. К счастью для остальных жильцов, Андерсон проводил эксперимент только в ночное время, потому что для него требовалось 425 кВт электроэнергии – значительная часть энергопотребления всего кампуса.
Просматривая полученные фотографии, Андерсон обнаружил, что примерно на 15 из 1300 фотографий были видны следы, соответствующие положительно заряженным частицам. Но следы были слишком длинными для самой легкой из известных положительно заряженных частиц – протона. Что это за, казалось бы, новая частица?
Частицы на его фотографиях имели одну единицу положительного заряда и массу, подобную массе электрона. Сначала он просто назвал их «легко отклоняемыми положительными частицами», но к моменту написания статьи пришел к удивительно смелому выводу. Андерсон полагал, что обнаружил совершенно новый тип фундаментальной частицы, которую он назвал позитроном[101].
Чего Андерсон не знал, так это того, что за пару лет до этого, в 1928 году, британский физик Поль Дирак предсказал существование позитронов, исходя из одной математической интуиции. В надежде получить представление об атоме для описания объектов, которые движутся очень быстро, Дирак объединил две самые обсуждаемые новые теории в физике: теорию квантовой механики для описания очень малых объектов со специальной теорией относительности Эйнштейна. Полученное им уравнение, известное просто как уравнение Дирака, многие считают самым красивым в физике. Помимо прочего, оно сумело предсказать и открытие Андерсона. Точно так же, как квадратный корень из четырех может иметь решение +2 или –2, уравнение Дирака предполагало, что должны существовать частицы, идентичные электрону, то есть имеющие ту же массу, но с противоположным электрическим зарядом. Дирак не был уверен в физических проявлениях своей теории, но она предсказывала, что у каждого известного типа частиц должна быть ее противоположная версия, которая стала известна как антиматерия (или антивещество)[102].
Так случилось, что Дирак дружил с одним из физиков-экспериментаторов из Кавендишской лаборатории – Патриком Блэкеттом, который затем вместе с физиком итальянского происхождения Джузеппе Оккиалини продолжал совершенствовать технику облачной камеры. Когда Дирак выдвинул свою новую теорию, он поделился ею с Блэкеттом, и вместе они выяснили, что если бы позитрон появился в магнитном поле облачной камеры, то он оставил бы след, который выглядел бы идентично следу электрона, но изгибался в противоположном направлении. Почти за три года до работы Андерсона они просмотрели снимки облачной камеры Блэкетта из экспериментов с радиоактивными источниками. Дирак полагал, что есть множество доказательств существования позитронов, но Блэкетт считал эти доказательства слишком неопределенными, чтобы их публиковать. Он утверждал, что это могут быть электроны, пришедшие извне, которые случайно столкнулись таким образом, что стали похожи на позитроны. У них не было возможности определить разницу между этими своенравными электронами и реальными позитронами, не проводя повторных экспериментов[103].
Блэкетт, возможно, насторожился еще и потому, что идея Дирака была не совсем хорошо воспринята. Некоторые из великих ученых того времени, мягко говоря, не доверяли идее о том, что наша Вселенная состоит из двух типов материи: «обычной» и зеркальной ей, из антивещества. Австрийский физик Вольфганг Паули, один из пионеров квантовой теории, назвал эту идею «бессмыслицей», а Нильс Бор (глава 2) был «крайне скептичен»[104]. Вернер Гейзенберг, немецкий физик-теоретик, создавший большую часть квантовой механики, включая принцип неопределенности, заявил в 1928 году, что «самой печальной главой современной физики была и остается теория Дирака»[105]. Блэкетт вернулся к вычислениям, чтобы определить, действительно ли у них есть доказательства экстраординарной теории Дирака, но пока он размышлял над проблемой, до них дошла новость о том, что Андерсон открыл позитрон.
Андерсон был слишком занят своим экспериментом, чтобы читать статьи Дирака. Возможно, внимание к нему было вполне обоснованным, учитывая, что ему удалось опередить Блэкетта и Оккиалини в открытии позитрона. Однако его результаты горячо обсуждались сообществом физиков, поскольку несколько отдельных фотографий казались скудными доказательствами для столь экстраординарной теории. Кембриджская команда ухватилась за эту мысль и поняла, что у них есть преимущество. Вместо того чтобы собирать тысячи фотографий в надежде, что на нескольких из них может быть что-то интересное, как это сделал Андерсон, Блэкетт и Оккиалини разработали метод, как добиться примерно 80%успеха в захвате интересных частиц, проносящихся через камеру. Для этого они разработали электрический метод «запуска» камеры, поместив счетчик Гейгера над и под устройством так, что если оба счетчика обнаружат частицу примерно в одно и то же время, то камера будет сфотографирована. К 1932 году у них были и метод, и необходимость продолжить работу Андерсона в своих лабораториях.
Блэкетт и Оккиалини быстро подтвердили существование позитронов, и благодаря своим богатым данными наблюдениям они смогли глубже вникнуть в детали. Они наблюдали множество случаев, когда электроны и позитроны обнаруживались на фотографиях вместе. На самом деле, на фотографиях, казалось, было одинаковое количество электронов и позитронов: обычная материя и антивещество создавались в равных количествах. Блэкетт и Оккиалини наблюдали этот процесс в действии, когда высокоэнергетические гамма-лучи (присутствующие в космических лучах) проникали в камеру, одновременно создавая электрон и позитрон в процессе, известном как