рождение пар. Это было первое наблюдение превращения фотонов (гамма-лучей) в материю (электроны и позитроны) – процесс, предсказанный сочетанием квантовой механики и теории относительности Эйнштейна. Существование этих взаимодействий выявило второе ослепительное следствие уравнения Дирака, которое в то время только начинало осознаваться теоретиками: антивещество и вещество могут аннигилировать друг с другом при соприкосновении, превращая свою массу в энергию, излучаемую в виде света. Другими словами, масса может быть преобразована в энергию – и наоборот. Они собрали так много фотографий позитронов и рождения пар, что научный мир больше не мог сопротивляться выводам из теории Дирака. Как ни странно, антивещество реально.
Вместо того чтобы переписать историю и приписать себе какое-то озарение, Андерсон прямо заявлял, что «открытие позитрона произошло совершенно случайно»[106]. Это было одно из тех открытий, которые и так уже созрели и вскоре бы произошли в другом месте, если бы он не сделал его первым. Вместе с Виктором Гессом Андерсон получил Нобелевскую премию в 1936 году в возрасте 31 года, став самым молодым ученым, когда-либо получившим Нобелевскую премию по физике. Чарльз Вильсон получил премию в 1927 году за изобретение облачной камеры, а Дирак – в 1933 году[107].
С первой попытки Андерсон добился значительного прогресса в работе с облачной камерой и исследовании космических лучей. Но это было только начало пути. Открытие позитрона намекало на то, что исследование космических лучей приведет к новым знаниям: космические лучи могут быть использованы для обнаружения доселе неизвестных частиц, и природа богаче и изобильнее, чем мы могли подумать.
Позитронный эксперимент показал, что можно обнаружить на уровне земли, но о самих космических лучах все еще мало что было известно. В 1935 году Андерсон отправился в новое приключение с облачной камерой, на этот раз уже со своим студентом-дипломником Сетом Неддермейером. Чтобы изучить космические лучи на большой высоте, Андерсон и Неддермейер решили подняться на гору Пайкс-Пик в Колорадо. Их план предусматривал работу на высоте 4300 метров, где уровень кислорода составляет всего 60 % от уровня моря, что подвергало ученых риску высотной болезни. Климат на Пайкс-Пик тоже негостеприимный: снег падает почти весь год, а когда дует ветер, что случается довольно часто, он может достигать скорости до 160 км/ч. И – в довершение всех бед – у Андерсона и Неддермейера по-прежнему почти не было средств.
Им удалось наскрести денег, чтобы купить бортовой грузовик за 400 долларов, установить на него свое устройство и отправиться через всю страну к Пайкс-Пик. Все шло гладко, пока они не начали подъем. Из-за большого веса и низкого уровня кислорода старый грузовик не смог подняться в гору. Их спасли и отбуксировали. Когда они в конце концов добрались до вершины, то поняли, что им не хватает электричества для питания приборов, поэтому они купили другую машину и использовали ее двигатель в качестве генератора.
Когда все, наконец, было запущено, два физика делали снимки в течение шести долгих недель. Затем они проявляли фотографии, чтобы получить хоть какой-то намек на то, что же они снимали. На холодной и темной горе они изучали изображения в поисках электронов, позитронов, протонов и альфа-частиц. В то же время они продолжали находить следы частиц, которые выглядели очень похожими на электроны, но казались примерно в 400 раз тяжелее и имели как положительные, так и отрицательно заряженные версии. Эти частицы не были протонами – они были слишком легкими, – и они также не были недавно открытыми позитронами. Оставалось сделать только один вывод: они открыли еще один новый тип частиц.
Теперь мы называем эти частицы мюонами. Они обладают точно такими же свойствами, что и электроны (или позитроны в случае антимюонов), но тяжелее по массе. Время их жизни очень мало: мюоны распадаются за 2,2 миллионных доли секунды, превращаясь в электроны[108]. Когда высокоэнергетические космические лучи попадают в атмосферу, их столкновения создают ливни новых частиц, огромное количество которых – это мюоны. Каждую минуту каждого дня около 10 000 мюонов бомбардируют каждый квадратный метр поверхности Земли (каждую минуту несколько из них проходят через вашу голову), и все же мы не можем увидеть, почувствовать или иным образом обнаружить их без специального оборудования. На высоте их даже больше, чем внизу, на уровне моря.
В отличие от электронов, протонов и других частиц, у существования мюонов, казалось, не было очевидной практической причины. Мюоны – фундаментальные частицы, то есть они не состоят из других частиц, но они и не составляют никакую часть обычной материи вокруг нас. Узнав о мюоне, один физик того времени спросил: «Кто это заказывал?»[109]. Причина их существования была и остается полной загадкой. Глубина и сложность субатомного мира только начала представать перед физиками во всей своей красе.
Одна идея о том, что такое мюон, иллюстрирует теоретическое понимание 1935 года. Молодой японский теоретик Хидэки Юкава за год до открытия мюона предположил, что сила, удерживающая ядро вместе, – сильное ядерное взаимодействие, – обусловлена частицей с массой, примерно в 200 раз превышающей массу электрона. Эту предлагаемую частицу он назвал мезоном – от греческого слова, означающего «промежуточный», потому что он предсказал, что мезон должен иметь массу где-то между электроном и протоном[110].
Сначала некоторые физики думали, что мюон и есть мезон Юкавы, но вскоре они поняли, что этого не может быть, поскольку мезон должен сильно взаимодействовать с материей. Мюон, с другой стороны, проходит прямо сквозь листы свинца и других материалов.
Чтобы получить самую выгодную позицию и самые точные данные, иногда приходилось идти на в высшей степени смелые эксперименты, которые раздвигали границы технологий. Эксперимент Андерсона с облачной камерой позже был еще раз воспроизведен на борту военного самолета B-29 с целью изучения космических лучей на большой высоте[111], но технические проблемы были настолько велики, что эксперимент не дал никаких особых результатов. Со временем стало ясно, что частицы, составляющие материю нашего повседневного существования, – лишь часть скрытого мира. За его пределами есть гораздо, гораздо больше всего.
Сначала открытие излучения изменило наш взгляд на материю, указав на ее постоянное изменение, теперь же космические лучи начали разрушать идею о том, что атомы – единственная форма материи. Мюон был только началом.
Подниматься на большую высоту для обнаружения космических лучей до того, как они вступят во взаимодействие с атмосферой Земли, становилось все более важным по мере накопления новых знаний о космических лучах и новых частицах. Как показали эксперименты с B-29, для высокой точности требовался более надежный тип детектора, чем облачная камера. Многие физики усердно работали над созданием нового детектора. В отличие от сложных поршней и камер, используемых в облачных камерах, ядерные эмульсии были пассивными детекторами без движущихся частей. По сути, это был особый тип фотопластинки с кристаллами галогенида серебра, взвешенными в желатине и чувствительными к прохождению заряженных частиц. Ядерные эмульсии показали себя надежнее облачных камер и гораздо менее обременительными в работе: их можно было оставлять без присмотра, пока они накапливали данные, в течение нескольких месяцев, и даже можно было без проблем запускать высоко в атмосферу.
Метод использования этих эмульсий для изучения космических лучей был разработан австрийским физиком Мариеттой Блау во время ее неоплачиваемой работы в престижном Институте радия в Вене. Она получила докторскую степень в Вене в 1919 году, работая под руководством Франца Экснера и Стефана Мейера – оба были сторонниками женщин-ученых[112]. Свою многообещающую карьеру она начала во Франкфуртском университете, где преподавала радиологию студентам-медикам и публиковала исследования по фотоэмульсиям для рентгеновских лучей и видимого света. Когда в 1923 году она вернулась в Вену, чтобы ухаживать за больной матерью, она взяла на себя неоплачиваемую работу в Институте, поскольку не могла найти ничего другого, живя за счет грантов и преподавания в колледже.
Исследования Блау в Вене объединили то, что она узнала во Франкфурте, с ее знаниями о развивающейся области ядерной науки и показали, что фотографические эмульсии могут быть использованы для изучения космических лучей. Блау сотрудничала с производителем эмульсий Ilford над созданием чрезвычайно толстых версий, которые лучше подходили для регистрации частиц. Со своей бывшей студенткой Гертой Вембахер в течение четырех месяцев она проводила эксперимент на исследовательской станции Хафелекар в Австрийских Альпах. Результаты показали замечательное новое открытие «раскалывающихся звезд», оставшихся после того, как космические лучи столкнулись с тяжелыми ядрами внутри эмульсии и заставили их взорваться в звездообразные массивы треков частиц.
К сожалению, работа Блау очень скоро была прервана. Она была еврейкой и накануне аншлюса 1938 года бежала из Австрии и поселилась у новатора химии Эллен Гладиш в Осло, позже переехала в Мексику и затем с помощью Эйнштейна – в Соединенные Штаты. Тем временем ее коллега Вембахер, член нацистской партии, продолжала публиковать их результаты, но не ссылалась на вклад Блау.
В Азии методику Блау переняла другая женщина, Бибха Чоудхури, индийская исследовательница, получившая степень магистра физики в 1934 году. Это все еще было редким достижением для женщины в любой точке мира, в том числе и в Индии. Когда Чоудхури впервые попробовала присоединиться к исследовательской группе Д. М. Бозе, ей сказали, что у него не было проек