Лоуренс и Ливингстон корректировали устройство, улучшая его методом проб и ошибок. Они изменили форму электродов и размер зазора между ними, а также слегка отрегулировали магнит с целью фокусировки, значительно увеличив ток пучка. Несколько недель спустя они построили циклотрон диаметром всего 30 см, для которого был изготовлен магнит еще большего размера. Настроив его, Ливингстон обнаружил, что они смогли разогнать протоны до скорости чуть менее миллиона эВ, приложив всего 3000 В. Лоуренс буквально прыгал по лаборатории: наконец-то его изобретение может разбивать атомы!
Лоуренс снова отправился в путешествие, и, пока он рассказывал о достоинствах своего нового изобретения, которое почти – но не совсем – достигло волшебной отметки в миллион вольт, Ливингстон продолжал работать. 3 августа 1931 года Лоуренс получил телеграмму, в которой сообщалось, что рекорд наконец достигнут: «Доктор Ливингстон попросил меня сообщить вам, что ему удалось получить протоны с напряжением в 1 миллион 100 тысяч вольт. Он также сказал мне добавить “Ого!”».
Лоуренс был у своей девушки Молли Блюмер, когда пришли новости. Он зачитал телеграмму ее семье. Пока все поздравляли его, он вывел Молли на улицу и сделал ей предложение. Она согласилась – при условии, что сначала закончит учебу в Гарварде. Затем Лоуренс поспешил обратно в лабораторию и провел последующие дни с Ливингстоном, демонстрируя изобретение всем желающим коллегам и друзьям. Относительно крошечная и недорогая машина смогла превзойти результаты, которые Кокрофт и Уолтон достигли с помощью генератора размером с комнату.
Если бы в тот момент они действительно сошлись на том, что достигли желаемого – разрушать атомы, – тогда история ядерной физики выглядела бы несколько иначе. Но команда Лоуренса из десятка физиков и инженеров была полна решимости достичь более высоких энергий. Воодушевленные заразительным энтузиазмом Лоуренса, они построили циклотроны большего размера, сначала 69 см циклотрон, для которого Федеральная телеграфная компания пожертвовала большой магнит, а затем его 94 см версию. Вскоре энергия протонов достигла 2 млн эВ.
Почему они не использовали циклотроны в научных целях? Почему они так увлеклись созданием все больших и больших устройств? Преуспев в создании циклотрона, они фактически изобрели совершенно новую область физики, в которой работаю и я, – физику ускорителей. Они поняли, что управление пучками заряженных частиц и манипулирование ими само по себе является увлекательной областью исследований и что прогресс в этой области обеспечит будущий прогресс в физике, как и предсказывал Лоуренс. Успешно ускоряя пучки с помощью циклотрона, команда Лоуренса уже опровергла заявления многочисленных недоброжелателей, которые говорили, что это невозможно. Теперь им предстояло поработать над тем, чтобы точно понять, как работают ускорители и как их улучшить, что требовало детального знания физики и поведения заряженных частиц. Они вышли так далеко за пределы технологии, что приобрели совершенно новые знания в физике и технике: знания о том, как пучки субатомных частиц создаются и взаимодействуют с электрическими и магнитными полями, как создавать электромагниты с точными свойствами и как фокусировать, транспортировать и измерять пучки субатомных частиц, невидимых глазу.
Энтузиазм Лоуренса и Ливингстона привел к тому, что команда пропустила ряд важных открытий. В 1932 году, как раз когда циклотрон побеждал в гонке высоких энергий, они были – с научной точки зрения – оставлены далеко позади теми, кто проводил более простые эксперименты. Чедвик открыл нейтрон и измерил его массу, которая оказалась очень похожей на массу протона. В Колумбийском университете Гарольд Юри открыл новый изотоп водорода с одним зарядом, но вдвое большей массой, называемый дейтерием. В том же году Андерсон с помощью облачной камеры открыл позитрон. А в апреле пришли важные вести: Кокрофту и Уолтону впервые удалось успешно расщепить атом. Команда Лоуренса быстро настроила циклотрон с литиевой мишенью, чтобы воспроизвести те же результаты. Всего за пару недель они легко увеличили энергию протонов до 1,5 МэВ, что почти в два раза превышает энергию, которой добились в Кавендише. В соответствии с теорией квантового туннелирования Гамова они обнаружили, что более высокие энергии еще больше увеличивают скорость реакции. Пускай они не были первыми, но, по крайней мере, они были правы, полагая, что высокие энергии позволят более эффективно разбивать атомы. Теперь, имея на руках самую высокую энергию, они были на взводе и мчались наперегонки. Циклотронщики, как их стали называть, решили провести эксперимент, который никому другому не удался бы. Они заставили химический факультет университета произвести немного дейтерия, или «тяжелого водорода». Они поместили его в свой ионный источник, чтобы отделить электрон и произвести дейтроны (ядра дейтерия) в качестве снарядов в циклотроне. С одним протоном и одним нейтроном, как предположила команда, более тяжелые дейтроны будут проникать в ядро мощнее, чем протоны. К 1933 году они добились совершенно ошеломительных результатов: все элементы, бомбардированные дейтронами, казалось, запускали реакции, скорости которых намного превышали те, которых можно было бы достичь с помощью протонов. В результате этих реакций всегда образуются нейтроны и протоны с удивительным количеством энергии. Единственным выводом, по словам Лоуренса, было то, что дейтрон распадался. Если это правда, то, как он подсчитал, нейтрон должен быть намного легче, чем измерил Чедвик.
Прежде чем Лоуренс успел это выяснить, ему пришло приглашение на Сольвеевский конгресс 1933 года в Брюсселе – встречу величайших представителей ядерной физики. Сначала Лоуренс не собирался ехать из-за своей большой преподавательской нагрузки, но приглашение было такой большой честью для его лаборатории и университета, что Лоуренсу позволили пропустить занятия и даже отправили его на корабле первым классом. В процессе подготовки Лоуренс собрал воедино все результаты экспериментов с дейтронами, какие только смог.
В Брюсселе Лоуренс оказался среди самых известных физиков, от Альберта Эйнштейна до Марии и Ирен Кюри и, конечно же, лорда Резерфорда. Когда подошла его очередь выступать, Лоуренс рассказал о больших перспективах циклотрона и представил свои результаты экспериментов с дейтроном. Однако он не произвел того впечатления, на которое рассчитывал: многие были настроены скептически или, в лучшем случае, думали, что он, должно быть, совершил ошибку. Резерфорд, самопровозглашенный дедушка ядерной физики, согласился с ними. Несмотря на это, ему понравился юноша-первопроходец. Он толкнул локтем Чедвика, который, должно быть, не был слишком впечатлен молодым американцем, и сказал: «Он прямо как я, когда я был в его возрасте!»
Вскоре команда Кавендиша, использовавшая ускоритель Кокрофта и Уолтона, показала, что дейтроны образуют слой тяжелого водорода на поверхности мишени. Реакции, которые наблюдала команда Лоуренса, заключались в столкновении дейтронов с другими дейтронами, а не в распаде других элементов. Это объясняет, почему результаты выглядели одинаково для каждой мишени, и в правильной реакции масса нейтрона ровно такая, какой ее описывал Чедвик. Раскритикованный Лоуренс написал всем заинтересованным лицам письма с извинениями за ошибку. Обращаясь к своей команде, он настаивал на том, что «наука может развиваться и через ошибки», но теперь он усвоил урок. В будущем им придется быть гораздо более осторожными.
Одна из причин, по которой Лоуренс и Ливингстон продолжали отставать, – отсутствие у них устройства для обнаружения и подсчета частиц. Вот уж чего определенно было в достатке в Кавендишской лаборатории! Команда Лоуренса пыталась разработать счетчик Гейгера, но отказалась после двух попыток, поскольку счетчики постоянно реагировали на высокий фоновый уровень радиации. У них не было и облачных камер, поэтому их измерения были довольно посредственными, хотя циклотрон мог производить гораздо более высокие энергии, чем другие машины.
После Сольвеевского конгресса и фиаско с дейтроном Лоуренс и Ливингстон вернулись к работе, как и все их конкуренты в лабораториях по всему миру. В 1934 году Лоуренс вбежал в лабораторию, размахивая экземпляром французского журнала. Отдышавшись, он сообщил своей команде новость: Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в Париже индуцировали радиоактивность, бомбардируя естественными альфа-частицами мишени из легких элементов. Им даже не потребовался ускоритель.
Понимая, что перед ними все элементы искусственно созданной версии того же эксперимента, они, как писал Ливингстон «… сменили мишень на углеродную, отрегулировали схемы счетчика, а затем на протяжении 5 минут бомбардировали мишень. <…> Счетчик был включен, “щелк-щелк-щелк-щелк”. Мы наблюдали наведенную радиоактивность спустя менее получаса с тех пор, как узнали о результатах Жолио-Кюри»[148].
Команда Лоуренса была настолько сосредоточена на разработке циклотронов, что они упустили возможность первыми обнаружить искусственную радиоактивность. Но они были такие не одни, так как Кавендиш и любая другая лаборатория с ускорителем тоже остались в стороне. Команда Лоуренса подключила свой счетчик Гейгера к тому же переключателю, что и ускоритель, и как только он выключался, выключался и счетчик. Если бы они оставили его включенным, то с первых же экспериментов поняли бы, что циклотрон производит радиоактивные элементы. По крайней мере, теперь они могли понять причину, почему у них не получалось создать надежный счетчик Гейгера: вся лаборатория была радиоактивна[149].
Благодаря экспериментам Жолио-Кюри Лоуренс понял, что можно получить десятки новых радиоактивных элементов. Используя циклотрон, они могут бомбардировать различные элементы протонами или дейтронами, изменять число нейтронов и протонов и производить радиоактивные изотопы. Теперь они могут выйти за