Лешковцев В. А.

Как видят невидимоеЛешковцев В. А. Как видят невидимое // Квант. — 1971. — № 9. — С. 57⁠—⁠58.‍‍

Люди невероятно быстро привыкают к самым удивительным достижениям науки и техники. Можно ли кого-нибудь сегодня озадачить рассказом о телевизоре, реактивном самолёте или искусственном спутнике Земли? Даже луноход — это поразительное творение современной науки и техники — занял в нашем воображении обычное место рядом с электронной вычислительной машиной, атомной электростанцией и механизмом передачи наследственных признаков от поколения к поколению. Мы избалованы обилием новых замечательных возможностей, которые современная научно-техническая революция непрерывно передаёт в распоряжение человечества. Нас уже почти ничем не удивить. А ведь это, в общем-то, плохо. Ибо без удивления нет интереса, а без желания что-то узнать по-настоящему, изучить, исследовать самому.

Но давайте на минуту отрешимся от этого «всезнайства» и задумаемся над таким вопросом. Атомы состоят из электронов и атомных ядер. Атомные ядра образованы из протонов и нейтронов. Каковы размеры этих частиц? Радиус протона или нейтрона порядка $10^{-13}~\text{см}$‍.‍ Следовательно, любая из этих частиц, грубо говоря, заключена в объёме порядка $10^{-38}\text{–}10^{-39}~\text{см}^3$‍.‍ Точка, которая стоит в конце предыдущей фразы, имеет радиус, примерно равный четверти миллиметра. Шар с таким радиусом будет иметь объём порядка $10^{-4}~\text{см}^3$‍.‍ Следовательно, в нём можно было бы разместить $10^{35}$‍‍ элементарных частиц! Как же должны быть малы эти частицы, чтобы уместиться в таком гигантском количестве внутри нашей точки. Ни глаз, ни микроскоп, даже с самым сильным увеличением, не может их заметить. Но все вы видели в учебниках и популярных книжках отчётливые фотографии следов таких частиц. Они были получены при помощи знаменитой камеры Вильсона. Вглядитесь в них внимательно, и перед вами откроется новый мир. Вот, например, фотографии следов, оставленных электронами. Одни следы длинные, они проходят через всю камеру, слегка изгибаясь в пронизывающем её магнитном поле. У этих электронов большая энергия. Другие следы — короткие, сильно искривлённые — оставившие их электроны имели небольшой запас энергии. Некоторые следы как бы расщепляются у конца — произошло столкновение с атомом, закончившееся удалением одного из электронов с его оболочки.

Помните, как обнаружили человека-невидимку, героя одноимённого романа Герберта Уэллса? Преследователи увидели следы босых ног, прямо на глазах появляющиеся друг за другом на свежем снегу. Человек был невидим, но следы его оставались. Также и здесь — частицы невидимы, но следы их разрушительной работы налицо.

Глядя на фотографию неизвестного нам человека, мы очень мало что можем узнать о нём по существу. Разве что сумеем установить пол и приблизительно оценить возраст. Фотография не расскажет нам, честный он или нет, любит ли он музыку, какова его профессия, есть ли у него дети и если есть, то как он к ним относится.

Иллюстрация: обложка книги И. Беккермана «Невидимое оставляет след»

Иное дело — фотографии следов элементарных частиц в камере Вильсона. Изучая их, мы можем точно определить природу частиц, установить их энергии, заряды, характер взаимодействия друг с другом, взаимные превращения. Эти фотографии — объективные научные документы. Недаром Эрнест Резерфорд следующим образом оценил камеру Вильсона: «Это было замечательное достижение, позволившее увидеть во всех деталях то, что происходит с частицами, когда они пролетают через газ. Каждый, кто обладает хоть каким-то воображением, при виде стереофотографий треков быстрых $\alpha$‍‍-частиц, протонов или электронов не может не восхищаться совершенством, с которым зарегистрированы все подробности их коротких, но полных драматических событий жизни. Камера Вильсона стала бесценным помощником в самых разнообразных исследованиях. Этот прибор является в некотором роде высшим кассационным судом, которому экспериментатор может полностью довериться. Ни один человек, наделённый самым ярким талантом научного предвидения, не смог бы предсказать всех способностей этого прибора, обладающего столь исключительным могуществом и неисчерпаемыми возможностями».

В 1970 году издательство «Атомиздат» выпустило интересную научно-популярную книгу И. М. Беккермана «Невидимое оставляет след»‍. В ней содержится подробный рассказ о том, как была создана камера Вильсона и какие удивительные открытия сделаны при помощи этой камеры. Несомненным достоинством книги является то, что И. М. Беккерман знакомит читателей не только с приборами и исследованиями, научными идеями и путями их реализации. Книга рассказывает и об авторе этих идей и приборов, замечательном английском физике Чарльзе Томсоне Рисе Вильсоне. Читая книгу, мы узнаём интересные подробности его жизни, видим, какого огромного труда и напряжения потребовало создание его камеры. Теперь-то всё кажется нам удивительно простым. «Конденсация пересыщенного пара на заряженных частицах!» — скажет современный физик. Но в те дни, когда Вильсон начинал свои исследования, ещё никто толком не мог сказать ни о механизме конденсации паров, ни о природе заряженных частиц. В 1895 году Вильсон начал исследовать условия образования тумана и лишь в 1911 году родилась его «туманная камера».

Книга подробно прослеживает судьбу камеры Вильсона — как советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын поместили её в магнитное поле (что позволило легко определять знак заряда частиц по характеру искривления их путей), как японский физик Шимизу и английский физик Блэккет автоматизировали её работу, как её заставили работать значительно быстрее, изучать миниатюрные молнии — электрические разряды в газах и т. д.

Появление частиц высоких энергий, создаваемых современными ускорителями заряженных частиц, вызвало необходимость в коренной реконструкции камеры Вильсона. Чтобы не позволить частицам выходить из поля зрения камеры, надо было резко повысить плотность вещества на пути частиц. Учёные создают камеры Вильсона с высокими давлениями наполняющего их газа. Но даже при давлении $200$‍‍ $\text{атм}$‍‍ частицы проходят в камере лишь небольшую долю своего пути. Значит, многие события происходят с ними уже за пределами камеры и никаких следов не остаётся. Пришлось заменить пересыщенный пар, наполняющий обычные камеры Вильсона, перегретой жидкостью, в которой заряженные частицы образуют на своём пути пузырьки газа. Так же как и капельки тумана, эти пузырьки в закипающей жидкости образуются вокруг заряженных частиц. Первым такую «пузырьковую» камеру создал американский физик Дональд Глезер. Её иногда называют «антикамерой Вильсона», так как у Вильсона в камере пересыщенный пар конденсируется в капельки жидкости, а у Глезера в перегретой жидкости возникают пузырьки пара.

И опять-таки, рассказывая о рождении пузырьковой камеры, автор подробно прослеживает ход мысли Дональда Глезера, шаг за шагом с логической неизбежностью подводит читателей к конечной цели.

В книге И. М. Беккермана речь идёт о сложных современных исследованиях в области физики элементарных частиц. Но автор удачно выбирает материал и вполне доступно излагает самую суть дела, главное в рассматриваемых им исследованиях.

События, описываемые в книге, подходят вплотную к сегодняшнему дню, к проблемам, которые физики намерены решать на самом могучем ускорителе заряженных частиц неподалёку от Москвы, под городом Серпуховым в молодом научном центре Протвино. Там смонтирована огромная жидководородная пузырьковая камера «Мирабель», созданная французскими учёными специально для нашего ускорителя. Диаметр камеры $1{,}6~\text{м}$‍,‍ длина $4{,}5~\text{м}$‍.‍ Вес её с необходимыми опорами свыше $200$‍‍ тонн. Да ещё магнит весом в $1150$‍‍ тонн, внутри которого помещается камера. Какая огромная дистанция отделяет «Мирабель» от первой камеры Вильсона, которая без труда укладывалась внутри небольшого чемодана! А ведь этот путь пройден за срок немногим более полувека.

Вильсон умер на девяностом году от первой и единственной в его жизни тяжёлой болезни. До последних дней он упорно работал, проявляя глубокий интерес к изучению новых, неизвестных науке явлений природы.

«Из всех великих учёных нашего века он был, пожалуй, самым мягким и спокойным, самым равнодушным к почестям и славе. Свою беспредельную увлечённость наукой он черпал в исключительной любви к миру природы, в преклонении перед её красотой». Так оценил выдающийся исследователь космических лучей английский физик Блэккет выдающегося английского физика Чарльза Томсона Риса Вильсона, создателя знаменитой «туманной камеры».