если трубки согнуть в полуокружности, в зазорах включить электрическое поле, а частицы удерживать на круге центральным магнитом, можно будет подхлестывать их снова и снова. Лоуренс заметил: по удачному свойству магнетизма, когда частица бегает по кругу в постоянном магнитном поле, отношение ее скорости к радиусу орбиты (угловая скорость) остается неизменным, даже если частица ускоряется. Поскольку угловая скорость показывает, сколько оборотов тело совершает за единицу времени, ее неизменное значение говорит нам, что тело будет проходить мимо данной точки через равные промежутки времени. К примеру, когда смотришь на ипподроме скачки, лошадь пробегает мимо ровно раз в минуту. Благодаря этой периодичности, догадался Лоуренс, достаточно регулярно (в ритме орбитального движения) подвергать частицы перепадам напряжения, чтобы они постепенно ускорились до такой энергии, когда они уже могут пробить ядро-мишень. Лоуренс нашел изъян в конструкции Видероэ: электроны, оказалось, сбивались в кучу из-за неточного хронометража ускоряющих импульсов.
Лоуренс показал свои чертежи Дональду Шейну, математику из Беркли, и тот подтвердил верность расчетов. Когда Шейн полюбопытствовал: «Зачем вам это?» - Лоуренс радостно ответил: «Я собираюсь обстрелять атомы и разломать их!»
На следующий день его воодушевление еще больше возросло, когда из новых вычислений он увидел, что в его проектируемом ускорителе частицы будут продолжать двигаться все быстрее и быстрее, и неважно, насколько сильно от центра они при этом удалились. Жена коллеги даже слышала, как вышагивающий по университетскому городку павлином Лоуренс воскликнул: «Я стану знаменитым!»34
По привычке детства ему не терпелось поделиться своими изысканиями с Туве, работавшим тогда в Институте Карнеги в Вашингтоне. Но Туве встретил эту конструкцию без особого восторга. По иронии судьбы лучшие друзья превратились в соперников и в вопросе расщепления ядра не разделяли взглядов друг друга. Туве совместно с Грегори Брейтом и Лоуренсом Хафстадом сделали ставку на трансформатор Теслы. Низкое напряжение в одной из двух катушек этого устройства возбуждает высокое напряжение в своей соседке, причем перепад потенциала может быть огромным. Катушки Теслы, однако, было трудно заизолировать, а потери энергии оставляли желать лучшего. Едва появились высоковольтные генераторы Ван де Граафа, Туве осознал их эффективность и стал собирать собственные модели.
Из-за скептических отзывов Туве и его коллег Лоуренс поначалу сомневался в своей правоте. (Свой прибор он назвал магнитно-резонансным ускорителем, мы теперь его знаем как циклотрон.) И только подбадривающие слова уважаемого ученого помогли Лоуренсу поверить в свой проект. В 1929 г. на рождественских праздниках он за бутылкой подпольного вина (действовал сухой закон) показал свои наброски гостившему в США немецкому физику Отто Штерну. Тот пришел в восхищение и настоятельно посоветовал воплотить эту идею в жизнь. «Эрнест, ни слова больше, - убеждал Штерн. - Немедленно… принимайтесь за работу»35.
Кокрофт, Уолтон, Ван де Грааф, Туве и другие ученые-ядерщики наступали Лоуренсу на пятки, и ему некогда было сидеть сложа руки, надо было срочно строить и запускать ускоритель. Он отвел в сторонку Нильса Эдлефсена, своего первого аспиранта, и задал вопрос: «Помните, мы обсуждали мою безумную идею? Там все так просто, что не пойму, почему никто до нее не додумался. Вы не видите никакой ошибки?»
Эдлефсен ответил, что идея вполне разумная. «Отлично! - сказал Лоуренс. - Тогда за работу. Приготовьте все, что нам может понадобиться».
И под руководством Лоуренса Эдлефсен из груды подручных материалов, отыскавшихся в лаборатории, принялся собирать опытный образец. Круглая медная цистерна, разрезанная пополам, превратилась в два электрода, которые подсоединили к радиочастотному генератору, выдающему регулярные импульсы напряжения. Эдлефсен упаковал весь прибор в стеклянный корпус, поместил его между 10-сантиментровыми полюсами направляющего магнита и - последний шаг - залил все стыки липким воском. Этот ускоритель, появившийся в начале 1930-х гг., элегантностью не отличался. Но зато после некоторой настройки исправно удерживал протоны на орбите - к вящему удовольствию Лоуренса.
Но чтобы пробиться в ядерную крепость, нужны были более высокие энергии, а значит, как Лоуренс быстро понял, более серьезный ускоритель с магнитом помощнее. К счастью, один промышленник, также читавший в университете лекции, предложил Лоуренсу взять 8-тонный магнит, пылившийся на складе в Пало Альто,
Щедрый подарок требовал много места, и Лоуренс стал искать, где можно построить более крупный ускоритель. И снова удача! В 1931 г. ученому разрешили взять одно из старых университетских зданий, идущих под снос. Там свое первое пристанище (потом были и другие) нашла Радиационная лаборатория (или, как звали ее ученые, «Рэд Лаб»), в которой Лоуренс десятки лет вел свои исследования. Потом ее переименовали в Национальную лабораторию им. Лоуренса в Беркли, отдав тем самым дань уважения ее основателю.
Следующей на повестке стояла непростая задача довезти гигантский магнит до лаборатории. С помощью еще одного мецената Лоуренс и в третий раз вытянул счастливый билет - и это в Великую депрессию, когда банкирам пришлось потуже затянуть пояса. Необходимое оборудование, место в избытке - у ученого теперь было все, чтобы соорудить мощную машину.
1932 г. стал для ядерной физики знаковым годом. Многие замечательные эксперименты, как прожектором, выхватили из темноты хитросплетения атомного мира. В Колумбийском университете химик Харольд Юри открыл дейтерий, водородный изотоп, который примерно в два раза тяжелее обычного водорода. Нейтрон, обнаруженный Джеймсом Чэдвиком в Кавендишской лаборатории после обработки кропотливых наблюдений, навел на мысль, почему дейтерий по массе в два раза превосходит своего собрата с тем же зарядом. Более тяжелый изотоп обременен лишними нейтронами. Возникли разговоры о том, можно ли, собственно, считать нейтрон отдельной частицей, или же протон и электрон как-то соединяются и дают электрически нейтральный объект.
В научном мире ходило несколько альтернативных гипотез, и только эксперимент мог выбрать какую-либо одну из них. Есть, скажем, бета-распад, когда радиоактивный образец испускает электроны. Этим электронам, думали некоторые, больше неоткуда идти, кроме как из нейтронов, разваливающихся на протоны и электроны. (Сегодня мы знаем: эти превращения происходят за счет слабого взаимодействия, вовлекающего кварки внутри протонов и нейтронов, а также вылетающий электрон и нейтрино).
Еще одну теорию о взаимосвязи нейтрона и протона позволял выдвинуть открытый Карлом Андерсоном позитрон. На фотографиях, отображавших треки в камере Вильсона, ученый из Калтеха[19] обнаружил положительно заряженную компоненту космических лучей (космические частицы, прошедшие через земную атмосферу), причем масса частиц в ней была как у электрона. Сейчас нам известно, что позитрон - это античастица электрона, но в свое время Андерсон задавался вопросом, элементарен ли нейтрон, и если да, то, может быть, протон - это слившиеся воедино нейтрон и позитрон? Чтобы докопаться до истины, требовались точные измерения масс протона и нейтрона. Тогда можно было бы судить, покрывает ли разница в массах массу электрона или позитрона. (Как мы сейчас знаем, нейтрон действительно тяжелее протона, но состоит из кварков, а не из протонов и электронов.)
Пока Лоуренс с аспирантом Мильтоном Стэнли Ливингстоном, приехавшим из Висконсина, в поте лица трудился над укрупнением циклотрона, пальма первенства в погоне за расщеплением литиевого ядра обрела хозяина. Первыми финишную черту на Кавендишском линейном ускорителе преодолели Кокрофт и Уолтон. Второй потом вспоминал, как произошло открытие, как они обстреливали литиевую мишень и, наконец, получили потрясающие результаты. «Утром 14 апреля 1932 г. я проводил обычный осмотр и подготовку аппаратуры. Когда напряжение достигло 400 000 вольт, я решил взглянуть в микроскоп, нацеленный на флуоресцентный экран. Пробираясь ползком на руках и коленях, чтобы избежать удара током, я в конце концов дотянулся до дна ускорительной трубки. Меня обуяла радость, когда я увидел
