Водяная юла

В те дни экспериментальная физика частиц оказалась на распутье меж двух методов. Один состоял в том, чтобы наблюдать за продуктами естественного ядерного распада, такими частицами, которые производят радиоактивные материалы или из каких состоят космические лучи, незримым дождем льющиеся на нас сверху. Например, позитрон – подобный электрону, но заряженный положительно – был впервые найден именно в космическом излучении.

Альтернатива естественному методу, только что появившаяся, опиралась на искусственное ускорение частиц, разбивание их о специально выбранные цели, и изучение того, что останется. Прадедушкой экспериментов такого рода стал известный опыт новозеландского физика Эрнеста Резерфорда, который бомбардировал золотую фольгу альфа-частицами (ядрами гелия, как стало ясно позже).

Альфа-частицы по большей части проходили сквозь фольгу, но совсем немногие отскакивали. Рассеиваясь под острыми углами, они позволяли предположить, что в атомах золота есть компактное, положительно заряженное ядро, и вокруг него – обширное пустое пространство.

А ведь до этого опыта физики предполагали, что атомы однородны изнутри, словно вишенки, покрытые шоколадом. Эксперимент с золотой фольгой продемонстрировал, что все обстоит иначе, что большую часть атома занимает как раз пустота, а ядро составляет крошечную часть от целого.

Вместо ягоды, обмазанной шоколадом, вообразите оболочку шоколадной конфеты размером с аэростат, внутри которой нет ничего, кроме крохотной вишенки в центре. Подобная картина даст вам представление о сравнительных размерах ядра и атома в целом.

Удивительные результаты Резерфорда показали, насколько важно понимать, как именно происходит рассеяние. Ничего удивительного, что Уилер поставил задачу разобраться с этим перед Фейнманом.

В 1932 году британские исследователи Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, работавшие под руководством Резерфорда в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Англия), построили первый линейный ускоритель, устройство, которое использовало электрическое поле, чтобы разгонять заряженные элементарные частицы, словно метательные снаряды, до желаемого уровня энергии, чтобы потом направить их в желаемую цель. Несколько таких устройств, поставленных в ряд, формировали составной, еще более мощный ускоритель.

Ускоритель использовали, чтобы разрушать атомные ядра и изучать их свойства. Подобная экспериментальная работа опиралась на теоретическую, которой занимались Бор и Уилер.

Другим большим прорывом на экспериментальном поле стал циклотрон американца Эрнеста Лоуренса, построенный примерно в то же время, когда и машина Кокрофта – Уолтона. В нем частицы разгонялись по кругу, причем один и тот же разгоняющий элемент использовался не один раз, а несколько.

Магниты двигали субатомные «снаряды» снова и снова по кольцевой траектории, до тех пор, пока они не набирали достаточное количество энергии. Затем эти «снаряды» швыряли в цель, разбивали на части и собирали ценные данные, анализируя то, что осталось после столкновения.

Циклотроны были более компактными, чем линейные ускорители, и к концу тридцатых они завоевали популярность. Многие университеты высшего класса, включая МТИ и Принстон, обзавелись такими устройствами.

Только появившись в лаборатории Палмера, Фейнман тут же попросил показать ему циклотрон. Сотрудники с физического факультета отправили любопытного магистранта в подвал, он прошел через захламленный склад и очутился возле столь желанной цели.

Фейнман ожидал, что циклотрон Принстона больше и совершеннее, чем сходное устройство в МТИ. Он знал, что тот показал себя более эффективным, если судить по опубликованным результатам. Но, к его удивлению, все обстояло совсем иначе. Местный ускоритель частиц пребывал в полном беспорядке.

Как позже писал сам Ричард:

«Циклотрон стоял посреди комнаты. Всюду были провода, они висели в воздухе, словно протянутые наугад. Были некие водяные устройства, полагаю, что части автоматической системы охлаждения, и маленькие переключатели, чтобы если вода вдруг закончится, процесс не остановился… разное количество труб и капающая вода. Всюду виднелись пятна смазки, там, где пытались ликвидировать течь. Комнату заполняли жестянки с кинопленкой, валявшиеся на столах в беспорядке… Картину я опознал немедленно, поскольку… все выглядело как моя детская лаборатория, где все лежало там, где мне нужно… я любил это. Я знал, что нахожусь в правильном месте… Возиться с чем-то – вот ответ. Эксперименты – это и есть возня. Они… совершенно неэлегантны, и в этом секрет. Так что я полюбил Принстон немедленно»¹⁸.

Увидев циклотрон, Фейнман немедленно осознал, почему Джон Слэтер из МТИ посоветовал ему завершить образование в Принстоне. Здешняя лаборатория физики частиц выглядела чистой импровизацией, но именно это и позволяло добиваться выдающихся научных результатов.

С точки зрения Фейнмана, физикой нужно заниматься, используя разносторонние подходы, моделируя различные условия и задавая разные параметры, проводя испытание за испытанием до тех пор, пока эксперимент не принесет удовлетворительный, плодотворный результат. А для этого нужна возможность переконфигурировать оборудование и инструменты. И оказавшись перед лицом громадного и сложного конструктора для продвинутых физиков, он ощутил себя мальчишкой и понял, что попал в правильное место.

Как целеустремленный теоретик – а таким ему предстояло стать под руководством Уилера – Фейнман не ожидал, что циклотрон пригодится ему для накопления данных. Однако этот лабиринт из труб и проводов притянул Ричарда так, словно ему предстояло возиться именно с ним. Подобно наставнику, даже посреди абстрактных размышлений он мечтал иметь дело с реальными вещами, в точности как в детстве.

Однажды, примерно в тот период, когда они дискутировали по поводу принципа Маха, Уилер и Фейнман погрузились в оживленную дискуссию насчет Х-образных разбрызгивателей для поливки газонов, которые вращались во время работы. Очевидно, эти широко распространенные устройства работали на основе третьего закона Ньютона – действие и противодействие. Каждая из четырех направляющих выбрасывала струю воды с достаточной силой, и сама испытывала давление в обратном направлении, именуемое отдачей. Четыре потока воды, изливаясь по часовой стрелке, автоматически производили четверную отдачу, вынуждая разбрызгиватель вращаться против часовой стрелки, чем тот и занимался, выполняя свою работу, точно кружащийся дервиш.

Север, юг, восток и запад, и так пока вся лужайка не будет полита.

Обращение времени стало важной темой в сотрудничестве Уилера и Фейнмана. Процесс, противоположный разбрызгиванию, – всасывание. Предположим, что клапаны разбрызгивателя начнут втягивать воду вместо того, чтобы выливать ее, и это создаст отдачу иного сорта. Хватит ли ее для того, чтобы разбрызгиватель начал вращаться опять? Другими словами, будет ли перевернутая во времени операция разбрызгивания давать перевернутый во времени результат: вращение в обратном направлении? Или не так? Вращение пойдет в том же направлении? Или никакого движения просто не будет?

Двое ученых некоторое время обсуждали проблему, рассматривая разные исходы. Подобно умелому адвокату, Фейнман придумывал веские аргументы для каждой из возможностей, едва не доводя Уилера до бешенства. Тот спрашивал коллег-преподавателей, но их мнения были самыми разными.

Ну да, разгадать загадку, связанную с садовым оборудованием, – это не ракету спроектировать.

Устав от теоретизирования, Фейнман решил внести ясность в проблему, построив собственный маленький разбрызгиватель из стеклянных трубок и резиновых прокладок. Занялся он этим в комнате с циклотроном, где хватало воды, а чтобы создать давление, необходимое для всасывания, он использовал местный запас сжатого воздуха.

Постепенно Ричард повышал давление, но ничего не происходило, и наконец он открыл вентиль на полную. Бум! Аппарат взорвался. Куски стекла и брызги разлетелись по циклотрону, намекая на большую уборку. Начальство физического факультета сделало Фейнману выговор и запретило ему появляться в лаборатории.

Дебаты по поводу задачи с разбрызгивателем затянулись на долгие годы, и шли они в самых разных местах. Учитывая множество практических параметров самого устройства и окружающей среды, таких, например, как турбулентность жидкости, удалось показать, что возможны оба исхода.