«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

Ускоритель заряженных частиц, синхрофазотрон

С чем только не сравнивали ускорители, чтобы сделать для всех понятным принцип их устройства! С каруселью, с граммофонной пластинкой, с цирковой ареной, с пращой.

Американский физик Ральф Лэпп предложил читателю вообразить себе мальчика на карусели, который снова и снова проносится мимо зрителя и каждый раз, вытягивая руку, выхватывает из кармана своей жертвы стодолларовую бумажку, пока не становится миллионером. «Случай совершенно невероятный!» — замечает в скобках Лэпп. «Сравнение, мало что объясняющее», — можно бы добавить. Но сравнения вовсе и не призваны служить объяснениями. Маленький грабитель Лэппа и его зазевавшийся зритель-богач — это шутливая иллюстрация, а .не серьезный чертеж. Так две куклы могли бы разыграть у Образцова сценку «На ускорителе».

В дни первой Женевской конференции по мирному атому, когда люди во всех странах так хотели знать, о чем разговаривают там ученые, один*.из главных создателей машины в Дубне, академик В. И. Векслер, подыскивал вместе с писателем Вл. Орловым какое-нибудь житейски понятное уподобление для ускорителя. Тогда, в 1955 году, впервые были во всеуслышание объявлены данные о дубенском гиганте: энергия ускоренных частиц— 10 миллиардов электроновольт, диаметр дорожки — 60 метров, вес магнита — 36 тысяч тонн. Но Векслер и его собеседник искали сравнение не для масштабов синхрофазотрона и не для принципиальных особенностей его конструкции, а только для общей идеи — самой общей идеи — устройства таких машин.

Они остановились на образе арены в цирке или манеже. По кругу бежит лошадь, а в центре стоит тренер с бичом. Удар бича — и лошадь припускается быстрее. Пройден круг, новый удар бича — новое прибавление скорости. Это повторяется вновь и вновь, пока лошадь не станет бежать с нужной быстротой.

Конечно, и бедняга лошадь и неумолимый тренер тоже только иллюстрация, но она естественней выдумки Лэппа.

А яснее всего, пожалуй, сравнение с пращой. Этим первобытным оружием до сих пор пользуются охотники в отдаленных уголках Азии, Африки, Австралии. Длинный прочный жгут из кожи. Посредине — уширение. Туда закладывается камень, жгут сгибается пополам, оба его конца охотник зажимает в руке. Потом, вскинув пращу над головой, охотник начинает раскручивать ее толчками, от оборота к обороту, все быстрей и быстрей. Камень рвется наружу, но жгут его держит, а праща все набирает скорость. Наконец в долгожданный момент охотник отпускает один из концов жгута, и камень срывается с кругового пути, чтобы в полете по касательной со страшной силой поразить отдаленную цель.

Легко заметить во всех этих сравнениях по крайней мере три общие черты. Во-первых, нечто движется по кругу: мальчик, лошадь, камень. Во-вторых, это нечто по дороге чем-то обогащается: мальчик — деньгами, лошадь и камень — скоростью. В-третьих, такое обогащение происходит не на всем пути, а в определенные моменты, сравнительно небольшими порциями: мальчик хватает по сто долларов, поравнявшись с зевакой, и, чтобы стать миллионером, ему надо повторить свою проделку не меньше десяти тысяч раз; лошадь ускоряет бег, когда раздается удар бича; камень убыстряет вращение от чередующихся толчков руки.

И вот — ускоритель.

В нем вращаются электрически заряженные частицы. Это могут быть отрицательные электроны или положительные протоны, ионы или атомные ядра. Но это не могут быть атомы — они нейтральны.

Итак, заряженные тельца играют в ускорителе роль мальчика на карусели, лошади на манеже, камня в праще. А то, чем они обогащаются на своем круговом пути, — это энергия движения. И, разумеется, должен существовать источник, который снабжает их ею?

В ускорителях типа дубенского гиганта частицы летят внутри кольцевой камеры. Ее часто сравнивают с баранкой, но баранка слишком толста для сравнения. Такая камера гораздо больше похожа на тонкую велосипедную шину. Правда, на таких шинах мог бы разъезжать только мальчишка-великан, ростом с Шаболовскую мачту, но и для баранки подобающего размера нужен был бы едок, если позволительно так выразиться, с аппетитом в Эйфелеву башню.

К камере ускорителя присосалось множество высокосовершенных насосов. Они откачивают из нее все газы: с пути частиц убираются по возможности какие бы то ни было препятствия. Частицы летят в пустоте.

Но если вдуматься, то какими же странными свойствами отличается эта пустота! Ведь там, где ничего нет, ничто не должно было бы происходить. А между тем в пустой камере ускорителя с летящими частицами происходят по крайней мере две вещи: что-то невидимое регулярно подхлестывает их, заставляя двигаться все быстрее, и что-то, тоже невидимое, все время держит их на привязи, принуждая частицы лететь по кругу и мешая им врезаться в стенки камеры.

Стало быть, камера не так уж пуста? Несомненно. Верно, что в ней нет посторонних крупиц вещества или почти нет, — это зависит от совершенства откачивающих насосов. Но в камере есть нечто, чего нельзя откачать никакими механическими насосами. Больше того, это нечто в нее все время «накачивается», но тоже отнюдь не механическим способом.

Материя, образующая вселенную, существует не только в виде вещества. Свет или радиоволны не вещественны, но они материальны. Если бы они были ничто, разве нужно было бы тратить что-то для их создания? Зачем электростанции пожирали бы уголь, а старинные фонари — масло?

Погружаясь в мир элементарных частиц, видишь, как там запросто происходят чудеса: крупицы вещества нацело — без остатка — превращаются в излучение. Конечно, такие события кажутся поразительными, однако что же в них чудесного? Исчезает вещество, но не материя! Происходит только превращение одного ее вида в другой, а в таких превращениях нет решительно ничего невозможного, ничего сверхъестественного, никакой чертовщины. Право же, нет ничего обычнее: вечные превращения — это сама жизнь природы.

Рядом с веществом, или, лучше сказать, вместе с веществом, пространство заполняют силовые поля. Поле сил тяготения, электромагнитное поле, поле ядерных сил... Почему — силовые? Почему — поля?

А почему — вещество? Очевидно, потому, что из этого вида материи природа лепит вещи — тела, более или менее четко ограниченные в пространстве. С успехом подражая природе, это делает из вещества и человек. Материя в другом своем проявлении для такой цели не пригодна: из радиоволн или полей тяготения сделать вещи нельзя — они, как само пространство, собственных границ не имеют.

Конечно, физики не разговаривают о веществе и полях в таких вольных и нестрогих выражениях. Но происхождение большинства научных понятий — вольное и нестрогое. Наш звездный остров в океане вселенной астрономы называют Галактикой. Какое ученое слово! А по-гречески «галактикос» — всего только «молочный». Вовсе не астрономы назвали звездный путь, белеющий над нами в ночи, Млечным Путем. Но они приняли этот образ в свой специальный словарь. И причина была единственной — просто похоже, очень похоже. И «ливни», или «снопы» космических частиц, — тоже очень похоже. Вот так и «поля»: очень похоже! Превращение поэтической метафоры в научный термин — не исключение, а правило. И, может быть, в этом проявляются черты родства поэзии и науки — то их общее свойство, что они — разные формы человеческого познания реальности.

Пространство вокруг Земли, вокруг звезд, вокруг любых крупиц вещества, как плодородное поле, возделано природой и засеяно тяготением. И на этом безграничном поле нет ни межей, ни пустующих до времени паров, ни целины — возделано все: всюду совершен самим веществом посев той материальной сущности, которая называется гравитацией по- латыни и тяготением по-русски.

Пустого пространства нет. Нет и пустого времени. Материальный мир наполняет своим существованием время так же, как и пространство. Да и правильно ли говорить — наполняет? Можно подумать, что кто-то когда-то построил для материи дом, повесил на стену часы и пригласил ее в этот дом на постоянное жительство. Сегодня даже папа римский не обрадовался бы такой идее. Даже школьники решили бы, что это пустяки — неинтересная сказка для пеленашек.

Свой дом — вселенную — вещество и поля строят сами. Пространство и время — вовсе не внешние формы существования материи. Она диктует им их свойства. Эйнштейн открыл это, показав, что нет однородного пространства-време- ни, общего для всей вселенной.

Как все материальное, поля могут содержать больше или меньше материи: подобно веществу, они могут быть разной плотности в разных местах, и плотность эта может меняться со временем. Но во всех случаях поля оказывают величайшую услугу крупицам вещества: они уничтожают пустоту между ними, они связывают эти крупицы друг с другом, позволяют им взаимодействовать между собой. Потому-то поля и были названы силовыми.

Как одиноки и беспомощны были бы частицы вещества, не будь на свете силовых полей! Их существование стало бы невозможным, а мир, из них состоящий, нельзя было бы даже вообразить. Без полей тяготения ничто не связывало бы звезды в галактики, а само вещество — в звезды. Не было бы ни солнечной системы, ни самого Солнца, ни планет, ни нашей маленькой и славной Земли. Все тела вообще перестали бы быть, потому что без электрических и магнитных полей ничто не связывало бы атомы в молекулы, а электроны и ядра — в атомы. Не было бы и атомных ядер: отсутствие поля ядерных сил сделало бы все протоны и нейтроны совершенно свободными. Но эта свобода была бы постылой: ядерные частицы не могли бы ни на что ее употребить, кроме как на однообразный полет по инерции. А если уж говорить всерьез, то и сами ядерные частицы так же, как и электроны, прекратили бы самостоятельное существование: ведь то, из чего они каким-то образом построены, держится вместе тоже благодаря неким силовым полям. И если бы не было никаких полей, не было бы и этой связи.

Продолжая так рассуждать и дальше, мы пришли бы к единственно возможному выводу: без полей было бы немыслимо существование никаких, даже самомалейших, крупиц вещества, потому что ничто не связывало бы материю в те образования, которые мы называем физическими телами, крупицами или частицами. Так что же получается? Предположив, что нет полей, мы приходим к заключению, что нет и вещества. Но если нет вещества и нет полей, то нет самой материи, ничего нет: нет вселенной, нет ни времени, ни пространства.

Даже самый одичавший философ-солипсист не рискнул бы согласиться с этим, потому что это означало бы, что и его самого тоже нет — просто нет! Но так как мир все-таки есть, и есть даже те, кто отрицает его всепроникающую материальную сущность, то есть и поля как необходимая форма бытия материи. А вот ясных и жестких границ между полями и веществом действительно нет. Они переходят друг в друга. И, может быть, частицы вещества только сгустки полей? Или, может быть... Но остановимся.

Жаль расставаться с этой, может быть, главнейшей в физике темой, однако надо вернуться к ускорителю и заглянуть в пустоту его камеры. Из-за этой мнимой пустоты и затеялся весь разговор.

Человек научился подчинять себе не только вещество, но и поля. Власть над веществом очевидна. Все сделанное человеческими руками, начиная от каменного топора и кончая спутниками, — выражение этой власти. А власть над полями? Так же ли ясны и бесспорны ее проявления?

Да, и они даже не менее древни. Первый камень, умело запущенный из пращи в далекого зверя, засвидетельствовал, что человек поставил себе на службу поле тяготения Земли. Первый костер, зажженный в пещере, чтобы осветить ее углы или обогреть ее как место ночлега, был проявлением такой же неосознанной власти человека над электромагнитным полем светового и теплового излучения.

Разумеется, поначалу эта власть была такой же призрачной, как господство человека над морской стихией, когда, едва научившись плавать, он не тонет, а держится на воде. Она и сегодня, эта власть над полями, далека от мечтаний фантастов.

Польский писатель Станислав Лемм вообразил машину, создающую столь могучее поле тяготения, что в нем световые лучи изгибаются в дугу окружности и человек, попадая в поле этой машины, становится издали невидимым: отраженные от него лучи, закругляясь, не могут дойти даже до близкого наблюдателя. Мечта занятная. Однако Лемм не смог бы обмолвиться и намеком на то, как ее осуществить.

Но машины, в которых создаются и работают электромагнитные поля, человек уже и сегодня строит с замечательной изобретательностью и высоким совершенством. Дубенский синхрофазотрон — одна из таких современных машин.