Два молодых физика приехали, чтобы сравнить свои эксперименты с работой двух «мальчиков» Резерфорда. В нейтронной работе оставался один еще не решенный вопрос, который ставил под сомнение существующую ядерную теорию[955]. В статье в Nature, которую они привезли с собой, это затруднение было честно описано. Речь шла о так называемом «радиационном захвате», типичной реакции тяжелых элементов на бомбардировку нейтронами: ядро захватывает нейтрон, испускает фотон гамма-излучения, чтобы вернуться к энергетическому равновесию, и становится в результате изотопом с массой, увеличенной на одну единицу.
Теория того времени рассматривала ядро как единую большую частицу. У этой частицы есть определенный диаметр, причем такой небольшой, что высокоскоростной нейтрон может войти в ядро с одной стороны и выйти с другой приблизительно за 10–21, то есть одну миллиардную одной триллионной доли, секунды. Любые процессы захвата должны произойти в течение этого короткого времени. В противном случае нейтрон улетает. Захват нейтрона означает его остановку внутри ядра. Для этого ядро должно поглотить энергию движения нейтрона. В свою очередь, ядро должно избавиться от излишка энергии. Что оно и делает: испуская фотон гамма-излучения.
Однако время испускания гамма-излучения, измеренное группой Ферми, отличалось от предсказанного теорией. У ядер, которые исследовала римская группа, испускание гамма-лучей занимало по меньшей мере 10–16 секунды – в сто тысяч раз больше, чем ожидалось. И причина этого была неясна.
Неоспоримое доказательство существования радиационного захвата позволило бы более точно сформулировать проблемы теории. Для его получения нужно было доказать так, чтобы в этом не оставалось никаких сомнений, что при захвате нейтрона тяжелым ядром действительно образуется более тяжелый изотоп. Кавендишские исследователи, к которым летом 1934 года приехали Сегре и Амальди, получили первую часть такого доказательства в эксперименте на натрии, проведенном в присутствии итальянцев. Затем те вернулись в Рим и, заручившись помощью Д’Агостино, стали работать над подтверждающим химическим процессом. Жарким римским августом их поиски других несомненных примеров радиационного захвата принесли им двойную победу. «Мы также нашли второй случай “доказанного” радиационного захвата, – пишет Амальди, – основанный на открытии нового радиоизотопа [алюминия], период существования которого составляет почти 3 минуты»[956].
На обратном пути из Южной Америки Ферми собирался заехать в Лондон на международную конференцию по физике. Его молодые коллеги написали ему о своем открытии, касающемся алюминия. Он сделал на конференции доклад о работе с нейтронами. Сцилард также был на этой конференции, с удовольствием выслушивая похвалы своим летним экспериментам и успешно работая над получением оплачиваемого места в Оксфорде. Ферми сказал, что его группа пока что исследовала шестьдесят элементов и возбудила радиоактивность в сорока из них. Говоря о проблеме радиационного захвата[957], он упомянул результаты Кавендишской лаборатории «и результаты, полученные Амальди и Сегре на алюминии», подчеркнув, что и те и другие «следует считать чрезвычайно важными»[958]. Сегре описал последовавшее за этим бурное развитие событий:
Вскоре после этого я простудился и несколько дней не мог ходить в лабораторию. Амальди попытался повторить наши опыты и обнаружил для облученного алюминия другой период [полураспада], а это означало, что наша так называемая реакция (n, γ) [т. е. с нейтроном на входе и фотоном гамма-излучения на выходе] не происходит. Об этом спешно сообщили Ферми, который был разозлен и смущен тем, что сообщил о результате, который казался теперь ошибочным. Он резко разбранил нас, даже не пытаясь скрыть свое неудовольствие. Вся эта история беспокоила нас все больше и больше, потому что мы никак не могли найти никаких ошибок в экспериментах, давших противоречивые результаты[959].
Провинившимся молодым членам группы предстояла большая работа. Пока они трудились над уточнением первых приблизительных результатов, к ним присоединился еще один новобранец, Бруно Понтекорво, высокий, широкоплечий, привлекательный чемпион по теннису из Пизы. Бомбардировка нейтронами вызывала в одних элементах более сильную радиоактивность, чем в других. До этого они использовали лишь самую общую классификацию этой активности, подразделяя ее на сильную, среднюю и слабую. Теперь же было предложено разработать численную шкалу активности. Для этого нужно было выбрать некую стандартную интенсивность, с которой можно было бы сравнивать интенсивность радиоактивного излучения всех остальных элементов. В качестве такой точки отсчета выбрали активность, наводимую нейтронной бомбардировкой в серебре, с удобным периодом полураспада в 2,3 минуты.
Эта задача была поручена Амальди и Понтекорво. К своему удивлению, они обнаружили, что в разных точках лаборатории в их серебряных цилиндрах возбуждается разная активность. «В частности, – пишет Амальди, – рядом со спектроскопом в темной комнате были деревянные столы, обладавшие волшебными свойствами, так как серебро, облученное на этих столах, приобретало значительно бо́льшую активность, чем при облучении на мраморном столе, стоявшем в том же помещении»[960].
С этой загадкой стоило разобраться. 18 октября они начали систематическое исследование, серию измерений, которые проводились внутри и вне свинцового кожуха. К 22 октября они были готовы измерить, что происходит, когда источник нейтронов отделен от мишени только свинцовым клином. Однако этим утром экспериментаторы должны были принимать экзамен у студентов, и Ферми решил продолжить работу самостоятельно. Вот как он описывал впоследствии этот исторический момент для коллеги, интересовавшегося процессом открытия в физике:
Расскажу вам, как я пришел к открытию, которое, пожалуй, важнее всего, что я сделал. Мы очень много работали, изучая радиоактивность, наводимую нейтронами, но получали бессмысленные результаты. Однажды, когда я пришел в лабораторию, мне пришло в голову, что надо бы посмотреть, что произойдет, если на пути нейтронов поставить свинец. И, изменив своему обыкновению, я приложил все усилия к тому, чтобы этот кусок свинца был очень хорошо обработан. Мне явно что-то не давало покоя: я под любым предлогом старался оттянуть момент установки свинца на предназначенное ему место. Когда же, наконец, я с некоторой неохотой собрался поставить его, то сказал себе: «Нет! Не хочу я ставить этот свинец, мне нужен кусок парафина». Это было именно так – никаких предчувствий, никаких сознательных предварительных рассуждений. Я сразу же взял кусок парафина, случайно подвернувшийся мне под руку, и поставил его на то место, где должен был стоять свинец[961][962].
Поразительным результатом замены тяжелого элемента – свинца – парафином было резкое увеличение интенсивности активности. «Около полудня, – вспоминает Сегре, – все были созваны в комнату, чтобы засвидетельствовать чудодейственное влияние парафинового фильтра. Сначала я подумал, что испортился счетчик – таких огромных активностей мы никогда раньше не получали, но было немедленно показано, что это возрастание вызвано именно фильтрацией излучения, вызывающего радиоактивность, парафином»[963][964]. По словам Лауры Ферми, «весь физический корпус загремел возгласами: “Фантастика! Невероятно! Черная магия!”»[965]
Даже самое важное открытие не могло помешать Ферми пойти домой обедать. Обедал он в одиночку: жена и дочь должны были вернуться из загородной поездки только на следующее утро. Размышляя в одиночестве, он, возможно, обдумывал разницу между деревянными и мраморными столами, а также между парафином и свинцом. Вернувшись на работу после обеда, он предложил разгадку: нейтроны сталкиваются с атомами водорода, содержащимися в парафине и древесине. Это их замедляет. До сих пор все предполагали, что быстрые нейтроны обеспечивают более высокую эффективность бомбардировки, потому что именно так всегда обстояло дело с протонами и альфа-частицами. Но эта аналогия не учитывала главного отличия нейтрона от этих частиц – его нейтральности. Заряженной частице требуется энергия для преодоления электрического барьера ядра. Нейтрону ее не требуется. Замедление нейтрона позволяет ему оставаться вблизи ядра в течение более долгого времени, а это увеличивает период, в течение которого он может быть захвачен.
Теорию Ферми было легко проверить на каких-нибудь материалах, отличных от парафина, но тоже содержащих водород (другие легкие ядра также замедляют нейтроны, но водород делает это лучше всех остальных: его ядро представляет собой протон, имеющий приблизительно те же размеры и массу, что и нейтрон, что обеспечивает наиболее жесткие столкновения с поглощением наибольшего количества энергии). Взяв свой серебряный цилиндр и нейтронный источник в длинной стеклянной трубке, они спустились на первый этаж и вышли через заднюю дверь к пруду в саду Корбино, в котором Разетти пытался разводить саламандр и все они запускали однажды летом вошедшие в Риме в моду игрушечные кораблики, приводимые в движение горящей свечкой. В пруду, в тени темных, искривленных листьев и серых кожистых плодов миндального дерева, резвились золотые рыбки.
Водород, содержащийся в воде (и в рыбках), работал не хуже парафина