Второе серьезное препятствие, не дающее увязать тяготение с другими силами, возникает из-за гигантской разницы в интенсивности взаимодействий. Оно получило название проблемы иерархии. На субатомном уровне гравитация в 1040 (единица с 40 нулями) раз хилее электромагнетизма, который, в свою очередь, значительно уступает ядерным силам. Собрать все это в рамках единой теории - сложная задача, удовлетворительное решение которой еще только предстоит найти.
Наконец, палкой в колесах торчит перенормировка гравитационных двойников КЭД. К величайшему разочарованию теоретиков, методы Швингера, Фейнмана и Томонаги не сработали: бесконечные слагаемые, выскакивающие при попытке проквантовать гравитацию, не почувствовали их действия. Гравитация оказалась капризнее, чем мы думали.
Одна из самых высоких целей человеческих изысканий - прийти к единству. Мы жаждем полноты, однако каждое открытие общих черт приносит с собой новые примеры различий. Электричество и магнетизм, как показал Максвелл, составили блестящую партию, но любая другая сила была в ней третьим лишним. В таблицу Менделеева прекрасно вписывались все элементы, пока экспериментаторы не наткнулись на изотопы. Едва Резерфорд, Бор, Гейзенберг и их сподвижники подобрали атому красивую упаковку, как на сцену вышли нейтрино, антивещество, мюоны и мезоны.
В период с середины 50-х до середины 90-х гг. XX в. мощные ускорители один за другим вгрызались в замысловатый мир элементарных частиц, гораздо более сложный, чем мы могли себе представить. Вокруг привычных протонов, нейтронов и электронов неожиданно выросли буйные джунгли частиц с причудливыми свойствами и самой разной продолжительностью жизни. Лишь малую их толику можно было встретить в атоме. Подавляющее же большинство не имело к нему никакого отношения, если не считать подверженность одним и тем же фундаментальным силам. Это как если бы мы вошли на скотный двор и рядом с равнодушными коровами и овцами увидели голосящую толпу из диких носорогов, гиен, утконосов, мамонтов и каких-то неизвестных инопланетных тварей. Усмотреть в этом до смешного пестром зверинце, любезно предоставленном нам природой, хотя бы малейший намек на единство можно было, только обладая богатой фантазией, уникальной способностью улавливать общие черты и тонким чувством юмора.
Сказ о двух кольцах: «Теватрон» и Протонный суперсинхротрон
Не всегда и не все я делал так, как следовало бы. Да, вокруг установок текли потоки подземных вод, стены разъедала обильная ржавчина, добраться было невозможно, а о специально оборудованных уборных можно было только мечтать. Но некоторым обитателям этого протонного подземелья посчастливилось испытать один из лучших моментов своей жизни: открытие красивого кварка. Не где-нибудь, а там! Увы, насколько мне известно, стены так и ржавеют, и никто не потрудился засыпать землей хотя бы часть ходов.
Роберт В. Вильсон.
Лекция на Третьем международном симпозиуме по истории физики элементарных частиц.
Стэнфордская лаборатория линейного ускорителя, июнь 1992 г.
Увидев неправильно закрепленную резиновую прокладку, из-за которой сорвалась демонстрация медицинских приложений циклотрона, Лоуренс пришел в бешенство. «Вон из лаборатории! - кричал он молодому лаборанту. - И не вздумай возвращаться!»46
Роберт Р. (Боб) Вильсон, аспирант Радиационной лаборатории в Беркли, которому суждено было подняться на высоту конструктора и руководителя крупнейшего проекта в истории американской физики высоких энергий, стоял и не знал, куда себя деть. Все сотрудники лаборатории, как положено, в белых медицинских халатах, пациенты с раковыми опухолями готовы начать лечение - нет, как можно быть таким невнимательным? Пациенты ждали, без преувеличения, днями и ночами. И чего?
Чтобы циклотрон перестал работать из-за его дурацкой ошибки? Вильсона снедало чувство вины настолько глубокое, что его было не выразить словами.
Лоуренс снова взял Вильсона на работу, но вскоре опять уволил за то, что тот спалил в огне дорогие плоскогубцы. Во второй раз все выглядело не так уж плохо. «Наверняка, подумал я, найдется способ вернуться», - вспоминал потом Вильсон.
Сказать, что к руководству «Фермилабом», самым передовым ускорителем в Соединенных Штатах (а было время, и во всем мире), Вильсон шел извилистым путем, значит не сказать ничего. Вильсон родился 4 марта 1914 г. во Фронтьере, штат Вайоминг, и, как Резерфорд с Лоуренсом, происходил из семьи переселенцев. Его мать Эдит была дочерью фермера, приехавшего сюда во времена золотой лихорадки. Она познакомилась с отцом Вильсона, когда он проводил в городе землемерные работы, и вышла за него замуж. Будучи суровым и сугубо практичным человеком, он никогда не понимал научных устремлений своего сына. Когда Вильсон, уже тогда начитанный молодой человек, собрался поступать в колледж в Беркли, отец этому воспротивился, настаивая, чтобы сын занялся коммерцией. Лишенный поддержки отца, Вильсон в 18 лет отправился в полное приключений путешествие по физике элементарных частиц.
По приезду в Беркли, стоя перед владениями Лоуренса, Вильсон смотрел на них горящими глазами, как дети смотрят на рождественские подарки. Он был поражен сложными приборами и энергией сотрудников. Хотя после личного знакомства с Лоуренсом тот показался Вильсону эгоистичным, по крайней мере сначала, будущий вдохновитель «Фермилаба» решил добиваться места в «Рэд Лабе» и выполнить там свой дипломный исследовательский проект. Немало волнуясь, он протиснулся в кабинет Лоуренса и попросил взять его в коллектив. Какое облегчение он испытал, когда услышал от знаменитого директора: «Да-да, конечно».
Вильсон стал специалистом по циклотронам, в частности научился добиваться от частиц устойчивых орбит. Он защитил в Беркли свою дипломную работу и продолжил, уже в статусе аспиранта, работать под началом Лоуренса. Буквально на глазах Вильсона «Рэд Лаб» превратился в образец того, как должны вестись исследования в физике высоких энергий, а достижения сотрудников лаборатории признавали во всем мире.
Вильсон перенял и многие организационные приемы Лоуренса. «Он, несомненно, на меня сильно повлиял, - вспоминал Вильсон. - Его стиль управления лабораторией производил впечатление. Он увлекал всех своим примером… Его энтузиазм, целеустремленность и оптимизм заражали. Он как никто другой умел расставить акценты»47.
В 1940 г., получив в Беркли докторскую степень, Вильсон женился на уроженке Калифорнии Джейн Шейер и переехал с ней на восток, в Принстон, Нью-Джерси. Там он три года проработал преподавателем, а затем его приняли в Лос-Аламосскую лабораторию и включили в «Манхэттенский проект». После войны Вильсон провел год в Гарварде, а потом получил должность директора Лаборатории ядерных исследований Корнелльского университета, которую занимал с 1947 по 1967 г. Запустив там один за другим четыре электронных синхротрона, последний из которых давал энергию до 12 ГэВ, Вильсон зарекомендовал себя талантливым руководителем.
Синхротрон, изобретение которого пришлось на 40-е гг., гораздо лучше подходит для экспериментальных задач, чем циклотрон. Во-первых, в нем интенсивнее магнитное поле, а во-вторых, частицы бегают по кругу «организованными группами». В синхротрон частицы впрыскиваются отдельными пучками, напоминающими группу спортсменов в начале велосипедной гонки. По мере увеличения энергии каждой такой порции подбавляют также магнитное поле, чтобы частицы не раскручивались по спирали, а оставались на одной круговой орбите. Чем свирепее зверь, тем крепче поводок ему нужен.
Второе характерное отличие синхротрона - отсутствие центрального магнита. Вместо этого магниты равномерно выкладываются вдоль всего пути пучка. Их задача, как и прежде, направлять частицы, но зато такая конструкция позволяет выйти далеко за пределы комнатных габаритов и охватить большую площадь (размером с футбольное или фермерское поле, например). Стало быть, радиус орбиты и мощность можно беспрепятственно наращивать.
Кроме того, в циклотронах и синхротронах электрическое поле по-разному зависит от времени. Если в циклотроне электрические поля меняются периодически и задают частицам постоянный ритм, в синхротроне они подстраиваются под скорость пучка. Благодаря этому, даже когда частицы достигают релятивистских энергий, электрическое поле продолжает ускорять их в такт. Когда отец хочет раскачать сына на качелях, он для толчка всегда выбирает определенный момент. Синхротрон точно так же способен повышать энергию и без того энергичных частиц.
В «корнелльский» период биографии Вильсона синхротроны неумолимо заполоняли физику элементарных частиц. Без их мощи и, главное, огромных возможностей наращивать эту мощность открытия новых тяжелых частиц пришлось бы ждать неизвестно сколько. Крупные синхротроны стали источником «сырья» для грандиозных коллайдеров, на которых были сделаны первые шаги к единой теории (например, найдены переносчики электрослабого взаимодействия). В течение десятилетий ученые в мировых лабораториях неустанно увеличивали диаметр синхротронов и улучшали фокусирующие свойства магнитов, чтобы получать частицы со все большими и большими энергиями.
