Нам нужен прибор, который давал бы разность потенциалов в 10 миллионов вольт, потребляя при этом несколько киловатт мощности, и который бы без угрозы безопасности можно было поставить в помещении умеренных размеров. Нам, кроме того, нужна труба с откачанным воздухом, выдерживающая такое напряжение… Я не вижу препятствий, могущих помешать построить систему с перечисленными параметрами.
Эрнест Резерфорд. Речь на открытии Лаборатории высоких напряжений фирмы «Метрополитен-Виккерс».
Манчестер, Англия, 1930 г.
Народный комиссариат просвещения РСФСР дает Георгию Гамову (1904-1968), одному из лучших советских физиков, долгожданное одобрение на годичную командировку в Кавендишскую лабораторию. Из-за досадной врачебной ошибки оно чуть не обернулось отказом. Во время решающего медобследования врач нечаянно перепутал цифры в кровяном давлении и констатировал у Гамова заболевание сердца. Но недоразумение разрешилось, и путь был открыт. Затраты на дорогу и пребывание Гамову великодушно предложил оплатить Фонд Рокфеллера. Стипендия из средств, вырученных от продажи нефти, не совсем вписывалась в революционную идеологию Ленина, однако тогда Советы воспринимали готовность лучшей в мире лаборатории ядерных исследований принять к себе одного из достойных сынов родины как победу советской системы образования.
История ускорителей только выиграла от того, что Гамов приехал в Англию. Благодаря его теоретическим находкам стало намного понятней, как разломить ядро, а Кавендишская лаборатория в погоне за мощными атомными дробилками выбилась в первые ряды. Исследования Гамова и безупречные экспериментальные работы его коллег на некоторое время превратили Кавендиш в ведущий мировой центр ядерной физики.
Гамов, получивший образование в Ленинграде, прибыл в Кембридж в сентябре 1928 г. и сразу же поселился в пансионе. Навестивший его в скором времени приятель не смог сдержать удивления: «Гамов! Как тебя угораздило сюда поселиться?» - после чего указал озадаченному Гамову на надпись на здании. По чистой случайности дом назывался Кремлем.
Через несколько недель после приезда Гамов ощутил на себе всю силу темперамента, которым славился директор лаборатории. Как-то раз Резерфорд, ничего не объясняя, вызвал Гамова к себе в кабинет. С побагровевшим лицом он стал кричать что-то насчет письма, которое только что получил из Советского Союза. «Какого черта они пишут?» - взревел он и бросил письмо Гамову.
Гамов пробежал его глазами. Составленное на ломаном английском, в русском переводе оно звучало бы примерно так:
Дорогой профессор Резерфорд!
Студенты университетского физического клуба, мы выбираем вас почетным президентом, потому что вы доказали} что у атомов есть причиндалы.[15]
После того как Гамов растолковал, что по-русски «nucleus»[16] и «cannonball»[17] обозначаются одним и тем же словом и, скорее всего, письмо просто-напросто неправильно перевели, Резерфорд успокоился и от души посмеялся.25
Первое, чем Гамов обзавелся в Кембридже, были инструменты, идеально подходящие для того, чтобы, ударяя по сферическим телам, посылать их к далекой мишени. Проще говоря, набором клюшек для гольфа - неизменными спутниками чуть ли не любого сотрудника тамошней лаборатории ядерной физики. Наставником Гамова в этом спорте стал Джон Дуглас Кокрофт, молодой кавендишский физик и заядлый гольфист.
Кокрофт, родившийся 27 мая 1897 г. в Тодмордене, Англия, шел к занятиям физикой извилистыми путями. У его отца было собственное дело по переработке хлопка, но Кокрофт, как и Резерфорд с Марсденом, текстилю предпочел науку. Он пошел в Манчестерский университет изучать математику, но разразилась Первая мировая война. Кокрофт поступил на военную службу. Вернувшись после демобилизации в Манчестер, ушел в электротехнику и работал по этой специальности. Но по душе она ему не пришлась, поэтому Кокрофт сдал экзамены в колледж Св. Иоанна в Кембридже и так попал в лабораторию к Резерфорду.
Не самая приятная ситуация в гольфе, когда на пути между тобой и лункой появляется откуда ни возьмись холм. Если стремишься, чтобы этот барьер пал, без известной доли размышлений здесь не обойтись: какую клюшку взять, насколько сильно замахнуться… Стоит неуверенно стукнуть по мячу - и недолет гарантирован.
В ядерной физике перед Кокрофтом стояла похожая задача. Ему хотелось так швырнуть частицы в ядро-мишень, чтобы то перешло на более высокий энергетический уровень или, может быть, развалилось на части. Если бы от столкновений оно рассыпалось, по осколкам Кокрофт и его коллеги смогли бы сделать заключение о том, что сидит внутри атома. По-другому это никак не узнаешь. Но между положительно заряженным ядром и частицами с, опять же, положительным зарядом встревал «холм» - электростатическое отталкивание. Природа их так устроила, что они стремятся держаться друг от друга подальше - как северные полюса двух магнитов. Но если между последними стоит холм, то между ядром и положительно заряженной частицей вздымается Эверест.
Как преодолеть это препятствие, Гамову подсказали уравнения. Подставив параметры протонов и альфа-частиц (напомним, это частицы, испускаемые радиоактивными атомами вроде урана) в свою формулу «квантового туннельного эффекта», он обнаружил, что первым нужно в шестнадцать раз меньше энергии, чтобы с тем же успехом проникнуть в ядро. Ответ был очевиден: протоны являются более выгодным снарядом. Если бы их удалось хорошенько разогнать, некоторые из них смогли бы пройти через силовой барьер вокруг атома и попасть прямо в ядро. К чему это приведет, никто не знал, но Резерфорд прислушался к Гамову и заключил, что стоит дать протонам шанс. Это было, пожалуй, единственное серьезное решение, которое Резерфорд принял под влиянием теоретических предсказаний.
Над деталями атомной дробилки тогда уже в полную силу работал талантливый молодой экспериментатор Эрнест Томас Синтон Уолтон. Он родился з октября 1903 г. в ирландском городке Дангарван в семье методистского священника, постоянно переезжающего с места на место. С 1915 г. Уолтон учился в методистской школе-интернате, где у него особенно хорошо шли естественные науки. Закончив ее в 1922 г., он стал студентом колледжа Св. Троицы в Дублине, откуда в 1927 г. вышел уже магистром. Ему присудили «стипендию 1851 г.» для работы в Кембриджском университете, и Уолтон присоединился к кавендишской группе исследователей и вскоре стал одним из незаменимых помощников Резерфорда.
В 1928 г. Уолтон натолкнулся на оригинальную статью норвежского инженера Рольфа Видероэ (1902-1996), в которой тот рассказывал о своих попытках ускорить частицы с помощью прибора под названием лучевой трансформатор. Идея Видероэ базировалась на фундаментальных понятиях электромагнитной теории. Основу конструкции прибора составляла электромагнитная катушка - свернутый спиралью провод с током, который создает в своих окрестностях магнитное поле. Если менять ток в проводе, то и поле вокруг будет непостоянным. Стало быть, если поднести к катушке другой провод, согласно фарадеевскому закону индукции, переменное магнитное поле возбудит ток и в нем. Но на месте этого провода может быть и вторая катушка. Вместе они образуют трансформатор - знакомое нам устройство для перекачки энергии из одного контура в другой. Чем-то оно напоминает велосипед: вращая педали, мы заставляем крутиться колеса, связывающая их цепь - аналог переменного магнитного поля.
Находка Видероэ состояла в том, чтобы заменить второй контур электронами, разгоняемыми в вакуумном кольце. Чтобы их оторвать от атомов и ускорить, надо было прибегнуть к так называемой электродвижущей силе, порождаемой переменным магнитным полем. А предусмотренный Видероэ центральный магнит должен был заставить электроны бегать по кругу, как автомобили на гоночном треке. К несчастью, испытания нового прибора в университете Аахена в Германии провалились. Ученый обнаружил, что в трубе электроны сбиваются в «островки», оттягивающие на себя энергию с еще бегающих по кругу электронов. Магнит был почему-то не способен поддерживать бесперебойный поток электронов, и Видероэ не мог понять почему. В лучшем случае электроны у Видероэ совершали полтора оборота, а потом прекращали свой бег.
Разочаровавшись в кольцевом ускорителе, Видероэ бросил попытки заставить его функционировать и переключился на другую схему. В 1924 г. из статьи шведского физика Густава Изинга он почерпнул идею линейного ускорителя и даже собрал небольшую, около метра в длину, рабочую модель. Место кольца в ней заняли две «дрейфовые трубки» - прямые, изолированные друг от друга полые цилиндры, из которых откачан воздух. Входя и выходя из них, частицы ускоряются «ударами хлыстом» со стороны электрического поля. Эти толчки идут со строго определенными интервалами, чтобы одной и той же разностью потенциалов дважды сообщить электронам дополнительную скорость: при влете в трубку и при вылете из нее. Электроны словно идут вверх по лестнице, какой ее себе представлял нидерландский художник Мауриц Эшер: только им кажется, что они взобрались наверх, как перед ним вырастают еще ступеньки.
