Как заглянуть внутрь протона?

Величина самых мелких пылинок, которые мы еще можем разглядеть невооруженным взглядом, составляет около пятидесяти микрон (напомним, микрон — тысячная часть миллиметра). Это примерно половина толщины человеческого волоса. Те, у кого особо острое зрение, способны рассмотреть предметы и в полтора-два раза более мелкие.

Но это уже предел. Далее нужно использовать увеличительные стекла и микроскоп. С их помощью можно разглядеть детали размером вплоть до сотых долей микрона. Наглядно представить себе, что означают такие размеры, лучше путем сравнений. Микробы имеют величину от нескольких десятых микрона до одного микрона. Приблизительно таков же диаметр капелек жира в коровьем молоке. Частички табачного дыма в десять раз меньше, самые мелкие из них около сотой части микрона.

Объекты, меньшие сотых долей микрона, в оптический микроскоп увидеть нельзя, даже если снабдить его очень большими и сильными линзами. Дело в том, что такую величину имеет длина волны видимого света. Более мелкие предметы световые волны огибают, и мы их не видим, подобно тому как радиолокатор с большой длиной радиоволны не замечает перископ подводной лодки. Наше видение предметов основано на том, что они поглощают или рассеивают падающую на них световую волну — вообще как-то ее изменяют. Это изменение и фиксирует наш глаз. Если же волна огибает препятствие, как вода в ручье мелкий камешек, мы его просто не замечаем.

Чтобы заглянуть внутрь объектов, меньших нескольких сотых микрона, нужно использовать электронный микроскоп, в котором световой луч заменен пучком быстрых, или, как говорят физики, «жестких», электронов, а наш глаз — светочувствительным экраном или фотопластинкой. У электронного микроскопа увеличение приблизительно в тысячу раз больше, чем у оптического, и с его помощью можно увидеть (а точнее, сфотографировать) детали с размерами вплоть до десяти тысячных долей микрона (10^-8 сантиметров). Таким путем удается рассмотреть даже отдельные крупные атомы. На фотографиях они похожи на густо намотанные окружности толстой паутины или на кружевную салфеточку, если рассматривать ее издали. Подобно световым частицам-фотонам, электроны обладают волновыми свойствами. Они тоже огибают мелкие предметы, и это как бы размазывает картину, делает ее расплывчатой и нечеткой. Образно говоря, электронный пучок при своем движении как бы немного дрожит, траектории частиц несколько размазываются, и, чтобы сфокусировать изображение, приходится использовать очень быстрые электроны, инерция движения которых способна превозмочь волновое дрожание пучка. (Поэтому такие электроны и называют жесткими.)

Почему электрон обладает волновыми свойствами — это сложный вопрос. Ответ на него дает квантовая механика. Позже нам еще предстоит большой разговор об этом, не будем забегать вперед. С точки зрения обычной школьной физики, волновые свойства электрона объяснить и понять довольно трудно, но в науке всегда приходится что-то принимать на веру, прячась за спасительной формулой: это следует из опыта. Иначе мы рискуем утонуть в деталях.

Рассказывают, что однажды французский математик Жан Д'Аламбер, устав от долгих попыток объяснить доказательство теоремы одному из своих учеников, воскликнул в отчаянии:

— Честное слово, эта теорема верна!

Реакция ученика была мгновенной:

— Месье, этого вполне достаточно! Вы — человек чести, я — тоже. Ваши уверения — самое лучшее доказательство!

Вот и мы давайте последуем примеру этих благородных людей и поверим пока на слово квантовой механике, тем более что опыт хорошо подтверждает ее выводы.

Итак, электронный микроскоп позволяет добраться до границы атомов. Если увеличить энергию электронов, сделать их еще жестче, тогда можно «просветить» и более мелкие объекты — атомные ядра и их «детали» — протоны и нейтроны. Для этого нужны ускорители частиц.

Это громоздкие и чрезвычайно сложные инженерные сооружения, создание которых сегодня под силу только крупным странам. Тем не менее, несмотря на их сложность, основной принцип действия ускорителей понять не трудно. По своему устройству они похожи на кольцевое метро, только вместо поездов по кругу бегут сгустки частиц. Удерживает их на круге магнитное поле, а в промежутках, на каждой станции, на них действует «подстегивающее» электрическое напряжение. Поезда метро на станциях останавливаются, а сгустки частиц, наоборот, получают здесь дополнительный толчок электрическим «хлыстом». Чем дольше крутится частица, тем больше ее энергия.

Ускоритель можно уподобить праще, которую воины когда-то применяли для метания камней: заложенный в нее камень (в данном случае сгусток частиц) раскручивается и с силой выбрасывается наружу.

Если убрать магнитное поле, ускоряемые частицы будут двигаться по прямой, это так называемый линейный ускоритель. Его размеры очень велики, так как частица проходит такой ускоритель только один раз, без возврата. И чтобы разогнаться до большой энергии, она должна пробежать большое расстояние с многими промежуточными станциями «подстегивания».

Академик В. И. Векслер, один из лучших советских специалистов по ускорителям, сравнивал циклический ускоритель с круглым манежем для лошадей, а линейный — с прямым треком ипподрома, вдоль которого лошадь, подгоняемая ударами шпор всадника, летит как стрела.

Понятно, что ускорять можно не только электроны, но и все другие заряженные частицы — например протоны, — и даже тяжелые ядра атомов. Однако легкие и очень маленькие электроны особенно удобны для «просвечивания» других, более крупных частиц.

Ускоритель частиц изобрели незадолго до второй мировой войны. Самый крупный в Европе создавался тогда в Ленинграде, в Радиевом институте. Уже в то время физикам было ясно, что эти машины — ключи к нижним этажам микромира. Строительство ускорителя потребовало создания мощных вакуумных насосов — ведь пучок частиц должен разгоняться в условиях почти полного вакуума, так как иначе столкновения с молекулами газа рассеят его задолго до конца ускорения. Потребовались особо сильные электромагниты, дистанционное управление, специальная защита, поскольку работающий ускоритель — источник смертельно опасных излучений. Целый комплекс проблем! Война помешала завершить строительство, но накопленный опыт помог в создании значительно большего ускорителя в Дубне. Здесь, на болотистом островке, отгороженном руслами трех рек — Дубны, Сестры и Волги, — в конце сороковых годов был получен пучок протонов с рекордной по тем временам энергией. Ранее такие высокоэнергетические частицы можно было встретить лишь в космических лучах. В газетах так и сообщалось: группе ученых (некоторые из них принимали участие еще в строительстве ленинградской машины) присуждена Сталинская премия за создание генератора космических лучей.

По сравнению с его высокоэнергетическими младшими братьями, построенными и строящимися в Советском Союзе, в США, в странах Западной Европы, первый дубненский ускоритель выглядит весьма скромно. Даже у его соседа — знаменитого дубненского фазотрона, построенного на несколько лет позднее, — энергия почти в пятнадцать раз больше. Однако «зрение» первого дубненского ускорителя было в свое время самым острым, почти в сто тысяч раз острее, чем у электронных микроскопов, и с его помощью физики впервые смогли «прощупать» расположение протонов внутри атомного ядра.

Но внутреннее строение самого протона этот ускоритель еще не чувствовал. Протон для него оставался точкой. Заглянуть внутрь этой частицы удалось лишь пять лет спустя, когда на Тихоокеанском побережье США, вблизи города Сан-Франциско, был построен мощный ускоритель электронов.