ше не знали. Небесные объекты излучали радиоволны, включая нашу галактику Млечный Путь. Астроном Джесси Гринштейн позже говорил в интервью The New York Times, что заря радиоастрономии «привела к появлению информации, которая перевернула идею рационально развивающейся Вселенной… и заменила ее релятивистским космосом сверхвысоких энергий, полным страшных, жестоких, неконтролируемых сил, таких как черные дыры и квазары. Это была революция»[156].
Радиоастрономия привела ко многим открытиям. Например, в 1945 году геолог и физик Фрэнсис Элизабет Александер установила, что радиосигналы исходят от Солнца. В 1967 году Джоселин Белл Бернелл обнаружила объекты, излучающие интенсивные регулярные импульсы радиоволн, напоминающие внеземной маяк, за что они получили прозвище «маленькие зеленые человечки». Пульсары, как мы называем их сегодня, – это чрезвычайно компактные вращающиеся звезды, испускающие излучение со своих полюсов, из которых астрономы многое узнали о процессах в конце жизни звезды. Открытие пульсаров было настолько важным, что за него удостоили Нобелевской премией, но не Белл Бернелл – очевидно, из-за ее статуса аспирантки в то время: вместо нее награду получил ее научный руководитель Энтони Хьюиш[157].
Сегодня многое из того, что мы знаем о космологии, черных дырах, сверхновых и других впечатляющих объектах во Вселенной, – результат десятилетий работы в области радиоастрономии, но еще в 1940-х годах ученые искали ответ на важный вопрос: как эти объекты, от пульсаров до Млечного Пути, излучают радиоволны? Ответ был найден здесь, на Земле, физиками, строящими ускорители, чтобы проникнуть в атом.
В начале 1940-х годов на сцену вышел новый тип ускорителя частиц, который стал известен как бетатрон[158]. Часть «трон» означает «инструмент», а «бета» – излучение, которое состоит из высокоэнергетических электронов, именно то, чего так хотели ученые от новой машины.
Почему бы просто не использовать циклотрон? Оказывается, он отлично подходит для протонов и дейтронов, но плохо ускоряет электроны. Циклотрон, как мы видели в предыдущей главе, представляет собой машину, которая использует магнитное поле для изгиба заряженных частиц по кругу и колеблющееся электрическое поле, которое придает частицам большую скорость. Будучи самыми легкими представителями мира частиц, электроны очень легко достигают скорости, близкой к скорости света, и, согласно теории относительности, хотя частицы могут получать больше энергии на этих скоростях, они уже не становятся быстрее. Это означает, что колеблющееся электрическое поле теряет синхронность с электронами и начинает их замедлять. Физики, стремящиеся заполучить высокоэнергетические электроны для генерации рентгеновских лучей или проведения экспериментов по рассеянию, оказались в тупике. Но бетатрон доказал, что на циклотроне свет клином не сошелся, как любил говорить Лоуренс.
Бетатроны работают по несколько иному принципу. Они используют принцип магнитной индукции, то есть идею о том, что изменяющееся магнитное поле индуцирует ток в замкнутом проводящем контуре, точно так же, как индукционная плита генерирует ток, чтобы нагреть сковороду. Пучок электронов, движущийся по кругу, может действовать так, будто он находится в проволоке или сковороде. Таким образом, помещение электронов в изменяющееся магнитное поле может придать пучку энергию, одновременно удерживая и фокусируя его, но при этом не надо беспокоиться о синхронизации колебаний напряжения. Эта идея фактически схожа с мыслью, которую молодой Эрнест Уолтон предложил Резерфорду в конце 1920-х годов. Попытки Уолтона разработать такой аппарат тогда не увенчались успехом, что стало одной из причин, по которой он в конечном итоге создал ускоритель с Джоном Кокрофтом[159]. Хотя его первые эксперименты потерпели неудачу, Уолтон внес ключевой вклад в теорию такой машины, и в том числе выяснил, как заставить частицы оставаться на желаемой орбите. На самом деле добиться этого куда сложнее, чем вы думаете.
В циклическом ускорителе цель состоит в том, чтобы частицы идеально вращались по кольцеобразной траектории, проходящей внутри круглой трубки, известной как «пончик»[160]. При работе с реальным пучком частиц мы должны думать о них не по отдельности, а как о совокупности независимых частиц, каждая из которых никогда не находится идеально посередине трубки. Вместо этого каждая частица следует по своей собственной траектории, которая не совсем соответствует идеальной орбите. Уолтон справедливо опасался, что по мере ускорения частиц их нужно будет постоянно отталкивать обратно к центру трубки, чтобы они не отлетали и не терялись. Он произвел подробный расчет того, как это сделать, придав магнитному полю такую форму, чтобы оно уменьшалось с увеличением радиуса и искривлялось у внешнего края кольца. Такая установка, как он выяснил, фокусирует частицы и гарантирует, что они всегда возвращаются на идеальную орбиту[161].
К 1940 году первый работающий бетатрон был, наконец, создан Дональдом Керстом в Соединенных Штатах. Новая машина быстро стала многообещающей технологией для ускорения электронов примерно до 99,99 % скорости света. Теперь, когда электроны можно было ускорять, им быстро нашлось применение не только в науке, но и в реальном мире. В частности, появился рынок ускорителей частиц в медицине и промышленности. В 1944 году физик Херб Поллок возглавил команду исследовательской лаборатории General Electric (далее GE) в Скенектади, штат Нью-Йорк, для создания бетатрона, рассчитанного на энергию в 100 Мэ В. Ребристый железный фасад 130-тонной машины возвышался над головами физиков и был больше похож на линкор, чем на медицинское устройство, поперек него шла надпись General Electric. Зазор примерно на высоте головы создавал пространство для кольцеобразного вакуумного сосуда. Работая, машина издавала оглушительный жужжащий шум, поскольку мощные электрические токи циркулировали в катушках электромагнита, ускоряя пучки от нуля до 100 МэВ 60 раз в секунду.
Физик и инженер Уильям Кулидж, по совместительству директор исследовательской лаборатории GE, намеревался использовать бетатрон для создания высокоэнергетических рентгеновских лучей путем воздействия электронов с энергией 100 МэВ на мишень, что позволило бы ему получить рентгеновскую супертрубку, лучи которой могли бы проходить сквозь тело или промышленные объекты для получения изображений там, где рентгеновские лучи с более низкой энергией останавливались. Он надеялся, что бетатрон станет коммерческим устройством, после чего команда будет создавать все большие и большие машины по мере роста рынка. Но лучше всего было то, что ученые не видели предела энергии электронов, которой они могли достичь с помощью такого устройства.
Как только они привыкли управлять машиной, Джон Блюитт, физик из другой группы GE, узнал о теории, которая, казалось, представляла проблему. Советские ученые Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук указали в письме в журнал Physical Review, что существует проблема с ускорением электронов в циклической машине. Если вы примените принцип сохранения импульса к заряженной частице, движущейся по кругу, то обнаружите, что изгибание ее траектории должно вызывать излучение[162]. Блюитт повторил расчеты и понял, что русские правы.
Для бетатрона с энергией 100 МэВ эффект окажется небольшим. Потеря энергии составила бы всего 10 эВ за оборот, так что конечная энергия их машины составила бы 99, а не 100 Мэ В. Невелика потеря. Но расчеты предсказывали, что при каждом удвоении энергии электрона потери увеличатся в 16 раз. Если бы ученые хотели создать бетатроны большего размера, то по мере того, как частицы достигали бы более высоких энергий, испускалось бы огромное количество излучения. По словам Иваненко и Померанчука, будет потеряно так много энергии, что механизм ускорения просто перестанет справляться. Верхним пределом, по их словам, станет энергия частиц около 500 Мэ В. Если это так, то идея бетатрона вскоре устареет.
Некоторые ученые из команды GE скептически относились к идее существования такого эффекта. В конце концов, электроны все время движутся по проводам и не испускают излучения. Блюитт настоял на проведении теста в GE, чтобы проверить, верны ли прогнозы. В их распоряжении был бетатрон мощностью 100 МэВ, и Блюитт подсчитал, что орбита должна немного сместиться из-за радиационного эффекта.
Когда они включили аппарат и провели измерения, орбита действительно казалась немного отклоненной. Но, опять же, это сложная машина, и сдвиг орбиты мог произойти по целому ряду причин. Бесспорным доказательством может служить только само излучение. Они разместили вокруг машины оборудование для отслеживания радиации в радиочастотном спектре, но так ничего и не нашли.
Этот вопрос все еще оставался нерешенным в конце 1945 года, когда Эрнест Лоуренс нанес один из своих регулярных визитов в Скенектади и переключил внимание здешних исследователей на новую цель. На семинаре он представил идею, над которой работала его команда в Беркли. Вместо движущихся по спирали частиц в циклотроне Лоуренс предложил машину с пучком, ограниченным одной орбитой, где ускорение обеспечивалось бы радиочастотными электрическими полями, а магнитное поле возрастало бы во времени. Эту идею одновременно выдвинули сразу два ученых – коллега Лоуренса из Беркли Эд Макмиллан и Владимир Векслер в России. Они развили идею, которую несколькими годами ранее представил австралиец Марк Олифант[163], один из учеников Резерфорда. Эта новая концепция избавила бы от необходимости в гигантских магнитах для циклотронов и бетатронов, но в качестве компромисса выступал несколько более сложный принцип работы: поскольку скорость частиц меняется от орбиты к орбите, ускоряющая частота должна изменяться во времени, чтобы не отставать. Все должно быть идеально синхронизировано, а потому это устройство получило имя «синхротрон».