[631]. Но, как объясняет Луис Альварес, «утомительные методы, которые использовал Резерфорд… отпугивали самых перспективных ядерных физиков. Простые расчеты показывали, что один микроампер ускоренных при помощи электричества легких ядер будет ценнее, чем все мировые запасы радия, – если только ядерным частицам удастся придать энергию порядка миллиона электрон-вольт»[632].
Альфа-частицы или, еще лучше, протоны можно ускорять, если производить их в разрядной трубке, а затем применять к ним электрическое притяжение или отталкивание. Но никто не знал, как сконцентрировать в одном месте на достаточное с практической точки зрения время напряжение в миллионы вольт, по-видимому необходимое для преодоления электрического барьера более тяжелых ядер, без электрических пробоев, которые могут быть вызваны искрами или перегревом. Эта проблема была, по сути дела, проблемой механической, экспериментальной. Неудивительно, что ею заинтересовалось молодое поколение американских физиков-экспериментаторов, выросших в мелких городках и на сельских фермах и с самого детства увлекавшихся радиотехникой. К 1925 году Мерл Тьюв, друг детства и одноклассник Лоуренса по школе в Миннесоте, также пользовавшийся покровительством У. Ф. Г. Суонна, а теперь работавший в Институте Карнеги вместе с тремя другими физиками, сумел добиться кратковременного, но впечатляющего ускорения частиц при помощи высоковольтного трансформатора, погруженного в масло. Разрабатывали новое оборудование и другие, в том числе Роберт Дж. Ван де Грааф в МТИ и Чарльз К. Лауритсен в Калтехе.
Лоуренс занимался более перспективными исследованиями, но не забывал и о задаче получения высоких энергий. Главная идея пришла ему в голову весной 1929 года, за четыре месяца до приезда Оппенгеймера. «В начале своей работы в Беркли, когда он еще был холостяком, – пишет Альварес, – Лоуренс часто проводил вечера в библиотеке, читая все подряд… Хотя в аспирантуре он еле-еле сдал французский и немецкий на требовавшемся уровне и, следовательно, почти не знал ни того ни другого языка, он прилежно, вечер за вечером, перелистывал старые выпуски иностранных изданий»[633]. Такой силой обладало упорство Лоуренса. И оно принесло свои плоды. Просматривая посвященный электротехнике немецкий журнал Archiv für Elektrotechnik, который редко читали физики, он наткнулся на сообщение норвежского инженера Рольфа Видероэ под названием «О новом принципе выработки повышенных напряжений» (Über ein neues Prinzip zur Herstellung höher Spannungen). Этот заголовок привлек его внимание. Он стал изучать прилагавшиеся к статье фотографии и чертежи. Они казались достаточно ясными, чтобы дать Лоуренсу представление о содержании статьи, и он не стал возиться с расшифровкой ее текста.
Видероэ нашел хитроумное решение задачи высокого напряжения, развив принцип, открытый одним шведским физиком в 1924 году. Он установил друг за другом два металлических цилиндра и откачал из них воздух. Источник питания подавал 25 000 вольт переменного напряжения высокой частоты, быстро меняющего полярность с положительной на отрицательную и наоборот. Таким образом, это напряжение можно было использовать как для отталкивания, так и для притяжения положительно заряженных ионов. Если подать на первый цилиндр отрицательное напряжение в 25 000 вольт и ввести с одного его конца положительные ионы, то на выходе из первого цилиндра во второй они будут ускорены до 25 000 вольт. В этот момент нужно изменить полярность, подать на первый цилиндр положительное напряжение, а на второй – отрицательное, и ионы ускорятся еще больше под действием отталкивания и притяжения. Если добавить еще цилиндров, делая их с каждым разом все большей длины с учетом увеличивающейся скорости ионов, то теоретически можно получать все большее ускорение до тех пор, пока ионы не рассеются слишком далеко от центра и не начнут соударяться со стенками цилиндра. Важное новшество решения Видероэ состояло в том, что оно позволяло получить увеличение ускорения с использованием сравнительно малого напряжения. «Эта новая идея, – говорит Лоуренс, – сразу показалась мне именно тем реальным решением технической задачи ускорения положительных ионов, которого я искал. Я не стал читать статью дальше и рассчитал предположительные параметры линейного ускорителя протонов, позволяющего разгонять их до энергий свыше миллиона [вольт]»[634].
В первый момент результаты расчетов Лоуренса показались ему обескураживающими. Выходило, что труба ускорителя должна быть «несколько метров длиной», то есть, по его мнению, слишком длинной для лаборатории (современные линейные ускорители достигают в длину 3,2 км)[635]. «Соответственно, я задумался, нельзя ли вместо того, чтобы использовать большое число цилиндрических электродов, выстроенных в одну линию, многократно использовать всего два электрода, проводя положительные ионы вперед и назад через эти электроды при помощи магнитного поля подходящей конфигурации»[636]. Конфигурация, о которой он подумал, была спиральной. «Он почти моментально осознал, – писал впоследствии Альварес, – что линейный ускоритель можно “свернуть” в ускоритель спиральный, если поместить его в магнитное поле»[637], потому что силовые линии такого поля будут направлять ионы по нужной траектории. При наличии подаваемых в точно рассчитанные моменты толчков ионы будут лететь по спирали, причем спираль эта будет становиться все шире по мере ускорения частиц, причем удерживать их на нужной траектории будет все труднее. Затем, выполнив простой расчет результатов применения магнитного поля, Лоуренс обнаружил, что спиральный ускоритель обладает еще одним неожиданным достоинством: более медленные частицы совершают в магнитном поле оборот по траектории меньшего радиуса в точности за то же время, за которое частицы более быстрые совершают оборот по своей более длинной траектории. Это означало, что все эти частицы выгодно разгонять вместе, одними и теми же чередующимися толчками.
Лоуренс пришел в восторг и поспешил рассказать о своем открытии всем на свете. В преподавательском клубе он нашел еще не спавшего астронома и привлек его к проверке своих вычислений. На следующий день он поразил одного из своих дипломников, завалив его расчетами спирального ускорения, но не проявив никакого интереса к эксперименту по теме его работы. «Ах, это, – ответил Лоуренс на вопрос студента. – Ну, по этому вопросу вы уже знаете не меньше моего. Продолжайте самостоятельно»[638]. Следующим вечером жена одного из преподавателей, проходя по кампусу, была напугана внезапным воплем пробегавшего мимо молодого экспериментатора: «Я буду знаменитым!»[639]
После этого Лоуренс поехал на восток, на съезд Американского физического общества, и обнаружил там, что лишь немногие из его коллег разделяли его точку зрения. Механикам, не обладавшим его энтузиазмом, казалась неустранимой проблема рассеяния. Мерл Тьюв воспринял его идею скептически. Джесси Бимс, коллега по Йелю и близкий друг Лоуренса, считал, что идея прекрасна, если только ее удастся осуществить. Лоуренс пользовался репутацией человека энергичного, но – то ли потому, что никто его не поддержал, то ли потому, что сама идея казалась ему верной и надежной, но в том, каким получится ее материальное воплощение на лабораторном стенде, он не был уверен, – изготовление своего спирального ускорителя он постоянно откладывал. Он был не первым человеком, замершим в нерешительности на самом пороге будущей славы.
Оппенгеймер приехал на помятом сером «крайслере»[640] летом 1929 года, после очередного отпуска, проведенного с Фрэнком на ранчо в Сангре-де-Кристо. Ранчо называлось теперь Перро-Кальенте («Горячая Собака»), от дословного испанского перевода восклицания «Hot dog!»[641], которое вырвалось у Оппенгеймера, когда он узнал, что этот участок сдается. Оппенгеймер нашел в Лоуренсе «невероятную энергию и жизнелюбие». «Весь день работает, потом убегает на теннис, потом работает еще полночи. Его заинтересованность была такой первобытно живой [и] плодотворной, а моя – в точности противоположной»[642]. Они вместе ездили верхом, причем у Лоуренса были жокейские рейтузы и английское седло – на американском-то Западе! – как считал Оппенгеймер, чтобы подчеркнуть отчуждение от фермы. Когда Лоуренсу удавалось вырваться с работы, они отправлялись на его REO в долгие поездки в Йосемити или в Долину Смерти.
Необходимый импульс придал Лоуренсу Отто Штерн, именитый экспериментатор из Гамбургского университета, защитивший диссертацию в Бреслау, которому был тогда сорок один год; в будущем его ждала Нобелевская премия (хотя в этом отношении Лоуренс его опередил). Как-то после рождественских праздников они ужинали в ресторане в Сан-Франциско, в который можно было попасть после приятной поездки на пароме через еще не перекрытый мостом залив[643]. Когда Лоуренс в очередной раз рассказал свою уже привычную историю о частицах, раскручивающихся до неограниченно высоких энергий в удерживающем их магнитном поле, Штерн, вместо того чтобы вежливо откашляться и сменить тему – как это бывало со многими другими коллегами, – загорелся, на свой германский манер, таким же энтузиазмом, какой испытывал вначале сам Лоуренс. Он велел Лоуренсу немедленно уйти из ресторана и взяться за дело. Лоуренс все же дождался утра, поймал одного из своих аспирантов и вытянул из него обещание принять участие в этом проекте, как только тот закончит подготовку к аспирантским экзаменам.