И нам стоило бы написать об ускорителях не главу, а целую книгу. Надо было бы рассказать, как росла мощь ускорителей, их размеры, как они постепенно превращались в своеобразных динозавров техники (нет, мы вовсе не хотим сказать, что, как и древние рептилии, ускорители вскоре вымрут!).
Только в книге достаточно большого объема можно было бы перечислить все типы ускорителей: ускорители линейные, циклические; все эти космотроны, фазотроны, микротроны, бетатроны, синхротроны, синхрофазотроны...
Вникнуть в тонкости ускорителей на встречных пучках.
Рассказать о новейших коллективных методах ускорения заряженных элементарных частиц. Поведать долгую историю совместных поисков физиков и инженеров. Но оставим все это до другого раза, будем говорить лишь о главном.
Возможно, когда-нибудь физикам удастся обнаружить и приручить монополи, эти однополюсные магнитики.
Тогда в ускорительном деле, видимо, произойдет подлинная революция. Ведь под действием сильных магнитных полей монополь мог бы приобрести огромную энергию на очень малых - десятки метров - расстояниях. Сейчас же для этого протону или электрону требуются километры пути.
Отчего так долог путь, а размеры ускорителей столь велики? Да потому, что частицы ускоряются в электрических полях (отсюда и стандартная единица измерения энергии ускоренных частиц - электронвольт, сокращенно эВ: энергия, приобретенная электроном при прохождении разности потенциалов в 1 вольт). А магнитное поле, не меняя скорости частиц, лишь формирует ее траекторию (обычно это спирали; разработка ускорителей современного типа началась с 1944 года, здесь очень велика заслуга советского академика В. Векслера (1907-1966), он предложил принцип автофазировки, который позволил поднять предел достигнутых энергий частиц сразу в тысячи раз!).
Электрическое поле слабенькое. А физикам сейчас нужны уже не мегаэлектронвольты, МэВ'ы (10^6 эВ) энергии, а гигаэлектронвольты, ГэВ'ы (10^9 эВ) и даже тераэлектронвольты, ТэВ'ы (10^12 эВ). Требуется все более мощная электронная и протонная стрельба (подсчитано, что энергия пучка протонов в современном ускорителе эквивалентна энергии снаряда весом в десятки килограммов, летящего со сверхзвуковыми скоростями). Обеспечить такие большие энергии слабым электрическим силам затруднительно: поневоле приходится все больше удлинять пути разгоняемых частиц - ускорители становятся все грандиознее.
В 1967 году, в канун 50-летия Советской власти, в городе физиков Протвине (он расположен вблизи Серпухова, там, где Московская область граничит с Калужской и где течет маленькая речка Протва. Это место было облюбовано физиками потому, что континентальный щиг здесь ближе всего подходит к поверхности Земли, и тут проще всего было организовать защиту от вредных излучений), в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ), был запущен на проектную мощность (позднее она была доведена до 76 ГэВ) Серпуховской ускоритель - кольцевой протонный синхротрон. До 1972 года (только тогда были введены в строй более мощные ускорители в Швейцарии и в США) он был крупнейшим из ускорителей.
А сейчас в Советском Союзе, в том же Протвине, строится уникальный ускорительно-накопительный комплекс ИФВЭ с расчетом на энергии до 3 ТэВ. Этой проблемой заняты коллективы многих институтов страны: Института физики высоких энергий, НИИ электрофизической аппаратуры, Радиотехнического института и других.
Длина ускорительного магнитного кольца вакуумной камеры нового синхротрона достигнет 20,772 километра!
Это больше, чем лента Садового кольца в Москве (длина кольца старого Серпуховского ускорителя - 1500 метров). В подземном туннеле, схожем с метро, диаметром 5 метров в 1990 году - срок пуска комплекса - посреди магнитов, размеры которых не могут отклоняться более чем на 25 микрон (хотя электромагнитные силы, создаваемые током в 6600 ампер, стремятся их деформировать), промчится протонный пучок. Его толщину с точностью до 1 миллиметра будут выдерживать 1200 специальных корректоров. Работой их, а также всего ускорительно-накопительного комплекса будет управлять электронный мозг: 85 мини-ЭВМ, около 500 микро-ЭВМ и несколько тысяч встроенных в аппаратуру микропроцессоров.
Но как ни грандиозно само по себе кольцо ускорителя, оно лишь малая часть всего сооружения. Рядом с ускорителем возводится энергокорпус и несколько экспериментальных залов, где разместятся многочисленные лаборатории, нафаршированные автоматическими системами для обработки фотографий с пузырьковых и искровых камер, отклоняющие магниты (их вес на старом ускорителе - 200 тонн!), высокочастотные сепараторы частиц и многое прочее.
Все эти экспериментальные залы, занимающие площадь в несколько гектаров, галереи и павильоны будут сплошь заставлены сложным электротехническим оборудованием, которое можно изготовить только на больших электротехнических и машиностроительных заводах. Во г почему все то, что создается вокруг ускорителя, требует финансовых затрат еще больших, чем стоимость самого ускорителя.
Современные ускорители, эти мастодонты науки, поражают воображение. Говорят, будто этот "микроскоп микромира" - просто прибор, только очень большого "роста". Прибор? Скорее это гигантский завод, фабрикующий элементарные частицы. Зачем нужны такие дорогостоящие махины?
Этот вопрос мы еще будем обсуждать. А пока остановимся и в знак нашего восхищения просто снимем перед экспериментаторами шляпу.
Времена одиночек прошли
Кто-то сказал: "Проникнуть в одиночку в тайну ядра так же трудно, как одному, без помощи многих других людей, слетать на Луну". Золотые слова: достижения в физике микромира теперь уже совершенно немыслимы без коллективных усилий.
За скупыми газетными строчками сообщений о новых открытиях в физике высоких энергий непросто разглядеть труд сотен людей самой высокой квалификации, которые готовили этот серьезный эксперимент долгие годы, не имея при этом, в сущности, никаких гарантий на успех. Нелегко представить и то, что удача тут часто определяется вовсе не физиками, а инженерами, конструкторами, технологами, всеми теми, кто создавал новый ускоритель.
Впрочем, об изменении стиля работы физиков-экспериментаторов предупреждали давно.
Выдающийся французский физик Ф. Жолио-Кюри, выступая на встрече нобелевских лауреатов и вспоминая старые времена (дело было в 50-х годах), говорил: "Еще всего лишь двадцать лет назад "артиллерия", применявшаяся для бомбардировки ядер атомов, помещалась в пробирке объемом в несколько кубических сантиметров.
Тот или иной опыт, приведший к чрезвычайно важным открытиям, требовал небольшой площади, всего несколько квадратных метров, и несложной аппаратуры. Ученый, который, по-моему, должен иметь склад ума, близкий к складу ума художника, чувствовал свою близость к исследуемому объекту. Он вел сравнительно прямое наблюдение. Он мог дать волю своему творческому гению. Он мог, не входя в большие расходы и не создавая препятствий для других сотрудников лаборатории, пропустить несколько этапов и скорее достигнуть цели. Временами легкие крылья, подобные крыльям Пегаса, увлекали его к открытию".
Дальше Ф. Жолио-Кюри рассказывал о том, как быстро в лаборатории физиков проникли громоздкие ускорители и связанная с ними негабаритная измерительная аппаратура Как стремительно рос технический персонал. Ученый продолжал: "Современный центр теоретических исследований в области атомной физики покажется неискушенному наблюдателю промышленным предприятием. Но не будет ли исследователь чувствовать себя раздавленным этим парадом огромных, сложных, но необходимых средств, стоимость нескольких часов работы которых достигает десятков, а то и сотен тысяч франков? Он чувствует, что уже не может, как раньше, пропустить те или иные фазы опыта. Он ощущает всю глубину своей ответственности за проделанную работу. Теперь желание поставить опыт только для того, чтобы "увидеть его результаты", с малой надеждой на успех, наталкивается на огромные трудноош..."
Закончил свое выступление Ф. Жолио-Кюри скептическим замечанием: "Нельзя создать оригинальную работу на конвейере".
Увы! Можно протестовать, огорчаться, злиться, но времена ученых-одиночек в физике микромира прошли и, видимо, больше не вернутся. Чтобы убедиться в этом, чтобы почувствовать экспериментальную "кухню", надо побывать на ускорителе и присмотреться к работе тех (не только физиков!), кто трудится около него.
Можно было бы долго перечислять группы специалистов самых разных профессий и профилей; не будем этого делать. Ведь ясно, что на ускорителе, как и на огромном заводе, царит жесткое разделение труда. Сотни человек заняты непосредственной постановкой и обслуживанием эксперимента. Облучаемые потоками элементарных частиц камеры готовят десятки совсем других людей. Программы для ЭВМ составляет особая армия программистов. (Сейчас в числе соавторов многих работ физиков можно было бы смело поставить... ЭВМ. И физики шутят, что компьютерам осталось сделать последний шаг - научиться писать за них научные статьи.) Есть на ускорителе и особый отряд теоретиков (на синхрофазотроне в среднем каждый опыт-"сеанс" длится около двух недель, за это время исследователи получают десятки и даже сотни тысяч фотографий со "следами" процессов взаимодействия частиц). Теоретики заняты оперативной обработкой данных идущего эксперимента, интерпретацией полученных результатов.
