Помните, что говорил Резерфорд: «Чтобы узнать, что находится внутри пудинга, нужно сунуть в него палец».
Изучая строение атома, великий физик использовал вместо пальца альфа-частицы, которые испускались естественно-радиоактивными веществами.
Но чтобы исследовать строение ядра атома, мощности естественных радиоактивных «снарядов» не хватало. Надо было придумывать способы более активной бомбардировки этой «твердыни». Можно было использовать частицы космических лучей. Но их было мало и они так были перемешаны друг с другом, что проводить с ними эксперименты оказывалось крайне трудно. И тогда возникла идея искусственно разгонять частицы на специальных машинах-ускорителях до высоких кинетических энергий.
Помните законы физики: отрицательный электрод притягивает положительные заряды, положительно заряженный электрод притягивает отрицательные заряды. Пролетая между электродами, частицы разгоняются. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем быстрее летят между ними частицы, тем с большей энергией бомбардируют они поставленную на пути мишень.
Физики придумали множество способов получения как можно больших разностей потенциалов между электродами. Сначала они соединяли последовательно тысячи и тысячи гальванических элементов и получали гигантские батареи. Потом научились строить специальные динамо-машины на десятки тысяч вольт. Приспособили индукционные катушки и повысили получаемое от машин напряжение до сотен тысяч вольт. И все-таки этого было мало. Сконструировали импульсные генераторы. На доли секунды между шарами разрядников удавалось получить очень высокое напряжение…
Вы спросите, зачем такая гонка? Чтобы ответить, я напомню еще раз основные принципы исследования атомов с помощью ускорителей. Разогнанные в электрическом поле частицы набирают высокую энергию и бомбардируют неподвижные атомы мишени. При этом «атомные снаряды» могут упруго отскакивать от атомов мишени, оставляя цель неповрежденной. Могут происходить неупругие столкновения, в результате которых атомы мишени возбуждаются и сигнализируют об этом, испуская гамма-лучи. Третья возможность заключается в том, что сильная частица влетает в мишень и «застревает» в ней, выбивая другие частицы. Такое взаимодействие называется «сильным», в результате которого на мишени могут образовываться новые ядра.
Впрочем, ускорители — это не просто «атомодробилки», потому что задача их — не столько разбивать твердыни атомов на осколки, сколько создавать новые частицы. Причем эти «новые» подчас бывают куда более массивны, чем сталкивающиеся. В своей лекции, прочитанной весною 1980 года в колледже Вольфсона (в Оксфорде), генеральный директор Европейского центра ядерных исследований ЦЕРН (Женева), известный английский физик Джон Бертрам Адамс, привел такое наглядное сравнение для описанного выше процесса: «Это выглядит так, как если бы вы, с силой ударив друг об друга пару карманных часов, вместо россыпи шестеренок обнаружили бы вдруг дедушкины настенные часы».
Изучая рассеяние налетающих на неподвижные атомы частиц, изучая следы вылетевших осколков, ученые судят о внутренней структуре атомов и даже о структуре их ядер.
Теперь ответ на вопрос, с которого мы начали, — зачем физикам нужны все более и более мощные «атомные тараны» — ускорители?..
Строго говоря, сегодня название «ускорители» несколько подустарело. Во всех этих машинах частицы движутся со скоростями, близкими к скорости света, никогда ее, разумеется, не достигая. И увеличение их энергии по закону Эйнштейна обязано фактическому росту их релятивистской массы. Я напомню вам уравнение зависимости массы от скорости.
Здесь m — масса тела, движущегося со скоростью v, а m0 — масса того же тела, находящегося в покое, c — скорость света.
Подставьте сами в это уравнение несколько значений, близких скорости света, и вы легко убедитесь, как масса тела (в нашем случае — масса частицы) начнет неудержимо расти, «утяжеляться». Может быть, правильнее было бы назвать современные атомные машины не ускорителями, а «утяжелителями»?.. Масса ведь по формуле E = mc2 неразрывно связана с энергией…
Чтобы сформулировать ответ в общем виде, можно пояснить, что чем больше энергия у налетающих на мишень частиц, тем более прочные соединения внутри атома могут они разбивать, тем более тонкие детали его строения становятся известны ученым. Вспомните работы де Бройля. Французский физик убедительно показал, что длина волны частицы обратно пропорциональна энергии. Поэтому гигантские ускорители частиц часто называют «микроскопами микромира». Ведь проникновение в глубину материи и переход к изучению объектов все меньших и меньших размеров — это тенденция физики, пронизывающая всю ее историю. Вспомните: от изучения законов макромира физики последовательно переходили к изучению мира молекул — молекулярной физике, затем к атомной физике, к ядерной физике. И наконец, сегодня передний край физической науки проходит через субъядерную физику, или физику элементарных частиц.
История развития атомных машин очень интересна. Но она лежит все-таки несколько в стороне от главной темы нашей книжки. И потому я выбрал просто несколько исторических фотографий, каждая из которых соответствует определенному этапу развития этой техники. А подписи под рисунками дают общее представление о смелости и остроумии создателей этих машин.