«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

 

 

Как работает ускоритель заряженных частиц

 

 

 

Из камеры ускорителя выкачивается вещество, чтобы энергия ускоряемых частиц не растрачивалась попусту в столкновениях с частицами посторонними. А «накачиваются» в камеру поля: на двух небольших участках — поле электрическое, на всем остальном круговом пути заряженного потока — магнитное поле.

 

Если продолжать сравнение с велосипедной шиной, то можйо бы сказать, что участки электрического поля внешне подобны пояскам из резины другого цвета, какие наклеивают ребята на камеры в местах проколов. Эти пояски на языке электротехники называются ускоряющими контурами. Они расположены на противоположных концах одного диаметра, так что каждые полкруга частицы получают новую порцию энергии. Эти-то участки электрического поля играют в ускорителе роль богатого зеваки, транжирящего доллары, роль подхлестывающего бича или толкающей руки.

 

Именно потому, что снабжать ускоряемые частицы энергией призвано электрическое поле, они, эти частицы, обязательно должны быть заряженными'. Но что это значит — быть заряженными?

 

Помните анекдот о студенте, которого профессор спросил, что такое электричество? «Ах, черт возьми, забыл! А ведь еще утром знал...» — ответил студент. «Вы должны обяза

тельно вспомнить это, — сказал профессор. — А то был на свете один человек, который знал, что такое электричество, да и тот забыл!»

 

Этот старый анекдот не стареет. Сегодня наука об электрических явлениях — толстенные тома премудрости, это нервная система современной техники. Но простой вопрос — что такое электрический заряд?—остается без ответа. Как он «выглядит» — :никто не знает.

 

«Я попрошу вас выслушать ответ экспериментатора на основной и часто предлагаемый вопрос: что такое электричество? Ответ этот наивен, но вместе с тем прост и определенен. Экспериментатор констатирует прежде всего, что о последней сущности электричества он не знает ничего», — так говорил в своей нобелевской речи знаменитый Роберт Мил- ликэн, взвесивший электрон. А теоретик Герман Вейль сказал однажды: «...различие между обоими видами электричества представляет собою еще более глубокую загадку природы, нежели различие между прошлым и будущим».

 

Можно только одно сказать совершенно безошибочно: быть заряженным — значит создавать вокруг себя и нести с собою в пространстве электрическое поле.

Все взаимодействия в природе осуществляются, видимо, с помощью полей. У заряженных частиц есть собственное •электрическое поле, и, очевидно, потому ,на них может действовать поле внешнее. В двух местах оно накачивается в камеру ускорителя своеобразными насосами — машинами, которые вырабатывают переменный ток высокой частоты. Этот ток и приносит с собою к пояскам ускорения нужное электрическое поле, а вместе с ним и нужную энергию.

 

Что же происходит с частицами на участках ускорения? Да примерно то же, что с камешками при горном обвале, когда они приобретают, падая вниз, тем большую скорость, чем выше гора. «Высота падения» в электрическом поле может быть измерена в разных единицах, но проще всего измерять ее в вольтах. К концу падения с высоты в 127 или 220 вольт каждый электрон приобретает энергию в 127 или 220 электроновольт. За счет этой-то энергии электроны, бегущие по проводам в наших домах, совершают свою полезную работу — накаляют нити в лампочках или спирали в электроплитках, питают радиоприемники или электромоторчики холодильников.

 

В камере ускорителя электрические горы (этот образ принадлежит покойному ученому и писателю Г. И. Бабату) гораздо выше, чем в нашей электросети. Дважды за время одного оборота частицы попадают на крутые электрические спуски, каждое «падение» с которых увеличивает энергию частиц на тысячу электроновольт. На 2 тысячи — за полный оборот, на 2 миллиарда — за миллион оборотов. И, наконец, энергия частиц достигает 10 миллиардов электроновольт после того, как они прокружились по кольцевой дорожке камеры 5 миллионов раз, совершив 10. миллионов падений.

 

А длина этой дорожки примерно 200 метров. За 5 миллионов оборотов частицы пролетают миллион километров. Это 25 кругосветных путешествий 7ю экватору. Далекий путь. Сколько же времени должен он отнимать у частиц? Как долго вынуждены физики ждать того момента, когда впрыснутые в камеру частицы приобретут, наконец, нужную энергию?

 

Скорость спутников по земным масштабам кажется нам громадной — 8 километров в секунду. Обладай такою скоростью частицы в ускорителе, им на миллион километров пути понадобилось бы 125 тысяч секунд—более 2 тысяч минут— 34 часа. Ускоритель был бы пращой, которая стреляет один раз на протяжении полутора суток. С такой пращой нечего было бы и думать об успешной охоте. Но скорости, которые в мире больших тел представляются колоссальными, в мире элементарных телец показались бы совершенно ничтожными.

 

 Восемь километров в секунду? Какие пустяки!

 

Когда спутник выходит на орбиту с этой поражающей наше воображение скоростью, на долю каждого грамма его вещества приходится действительно грандиозная величина — 10 с двадцатью четырьмя нулями, или триллион триллионов электроновольт энергии. Но ведь в каждом грамме примерно столько же, триллион триллионов, ядерных частиц — протонов и нейтронов. И вот получается, что полет даже с космической скоростью спутника сообщает каждой ядерной частице всего около одного электроновольта энергии. Нищенская порция, с точки зрения микромира.

 

В дубенском ускорителе протоны выходят из камеры настоящими миллиардерами. И потому в отличие от спутников они летят со скоростями, очень близкими к световой, преодолевая примерно 300 тысяч жилометров в секунду. Космический корабль, запущенный с такою скоростью, немедленно перестал бы быть спутником Земли: через секунду с небольшим он миновал бы Луну, через восемь с лишним минут покинул бы солнечную систему, а через четыре года уже подлетал бы к альфе Центавра — ближайшей к нам звезде, став первым галактическим кораблем. Однако мечты о таких скоростях осуществимы пока только в мире мельчайших крупиц вещества, где космические кораблики так малы, так легки, что в однограммовый кулечек их можно насыпать триллионы триллионов штук! Оттого-то, что они так невесомы, их удается 'разогнать почти до скорости света — до самой большой из возможных в природе физических скоростей.

 

Исчезающая малость размеров и масс в сочетании с невообразимо громадными скоростями делает мир элементарных частиц совсем не похожим на тяжелый и медленный мир земных вещей, среди которых живем и движемся мы, люди.

Весь путь в миллион километров — все 25 кругосветных путешествий по камере ускорителя — протоны совершают не за 34 часа, а за три секунды с третью. Синхрофазотрон в Дубне — ядерная праща, всегда готовая к бою.

 

На этом можно бы пока и остановиться, но нужно еще заполнить один зияющий пробел: не было сказано ни слова о том магнитном поле, которое рядом с электрическим заполняет камеру ускорителя. Ведь только на двух небольших участках частицы ускоряются, скатываясь с электрического спуска, а весь остальной их путь по камере пролегает в поле магнитном. Зачем же оно нужно? Зачем нужен круговой магнит весом в 36 тысяч тонн, который, как ребристая покрышка на колесе тяжеленного самосвала, плотно облегает тонкую велосипедную камеру ускорителя?

 

Он играет роль той карусели, на которой кружится безнравственный мальчик, таскающий доллары; роль той круглой загородки на арене, которая принуждает лошадь бежать по кругу; роль самой пращи, которая крепко держит камень, не давая ему преждевременно сорваться с кругового пути. Магнитное поле держит заряженные частицы на привязи; электрическое — гонит их вперед, а магнитное — все время заворачивает. Без него частицы немедленно врезались бы в стенку камеры, и тогда все усилия пропали бы даром — частицы сгинули бы бесследно! Магнитное поле не обогащает протоны энергией, но оно заставляет их каждые полкруга возвращаться к источникам ускорения — к пояскам электрического поля. Без магнита круговой ускоритель невозможен.

 

Когда впервые узнаешь об этом скромном предназначении уникальной громады дубенского магнита, срывается с языка вопрос- а зачем гонять заряженные частицы по кругу? Разве нельзя устроить так, чтобы они просто падали по прямой с высоченной электрической горы и к концу такого прямолинейного падения приобретали нужное ускорение?

 

Физик тотчас соглашается, что это совершенно правильная идея. Вся трудность в том, что для этого нужно было бы соорудить гору «высотою» в 10 миллиардов зольт. Другими словами, надо было бы создать электрическое поле в тысячу раз более сильное, чем поля в грозовых облаках, вызывающие разряды молний. Это была бы игра со сверхчудовищными грозами. Но нетрудно догадаться, что и этот опасный путь был все-таки испробован физиками, которых ничто и никогда не могло устрашить. «Дух приключений»!

 

В журналах тридцатилетней давности можно найти сообщения о попытках ученых приручить атмосферные электрические поля в горах для ускорения протонов. Трагическое в истории науки постоянно соседствует с героическим. При одном из таких опытов в Альпах был убит физик Курт Урбан.

 

Но дело не в опасностях, а в том, что другой путь создания частиц высоких энергий — космических частиц на Земле — оказался перспективней. Этот путь уже нам знаком: не сразу, а порциями увеличивать энергию частиц. Можно сделать так, чтобы они не падали прямо со всей высоченной электрической горы, а спускались как бы по лестнице, со ступеньки на ступеньку, понемногу наращивая энергию на длйнном пути. Такие, правда не очень мощные, линейные ускорители есть во многих лабораториях. Да и в самой Дубне протоны сначала разгоняют до 8 миллионов электроно- вольт в прямой трубе, а потом только впрыскивают в круговую камеру. Но теперь уже и на таких линейных ускорителях начинают получать частицы-миллиардерши. Известный физик Панофский сооружает в Америке подобную машину для ускорения электронов — она будет иметь в длину примерно две мили.

 

А можно поступать по-другому: можно ускорять частицы, не спуская их с чудовищно длинной лестницы, но сотни, тысячи, миллионы раз возвращая их к скромному источнику энергии — к электрическому полю сравнительно небольшого напряжения. А возвращать частицы к одному и тому же месту естественней всего вращением. Вот тут-то и пригодились свойства магнитного поля.

 

Дело в том, что заряженные частицы в движении отличаются от заряженных частиц в покое. И отличаются очень важной чертой: движущиеся заряды создают вокруг себя не только электрическое, но и магнитное силовое поле. А раз так — они могут взаимодействовать с магнитом. Магнитное поле — ловушка для таких частиц: оно старается не выпустить их за свои пределы.

 

Поле кольцевого магнита заставляет частицы лететь по кругу. Но чем быстрее летят они, тем труднее справиться с ними магнитному полю, тем сильнее оно должно быть. Оттого так огромен дубенский магнит. Оттого он устроен таким образом, что по мере нарастания скорости частиц и магнитное поле все нарастает. Оно как бы и впрямь накачивается в пустоту ускорительной камеры. А своеобразным насосом для этой цели и служит магнит весом в 36 тысяч тонн.

 

 

Покачиваясь в машине, летевшей к Дубне по безупречному асфальту, мы разговаривали о том, что нам предстояло увидеть, таном хорошо осведомленных людей. Это обычный грех новичков, впервые едущих в места знаменитые. Именно оттого, что впереди места знаменитые, каждый о них уже что-то слышал, что-то читал, где-то видел какие-то снимки. Труднее всего сознаться, что едешь туда впервые. Маленькое самолюбие.

 

Одно утешает, что его не лишены и твои соседи по машине. И вот начинается околесица.

—        Это похоже на храм! Знаете, такой настоящий, круглый, громадный храм.

—        Да ничего подобного! Это похоже на цирк — знаете, такой настоящий, круглый!

—        Ну, что за вздор! Изнутри по крайней мере это больше всего напоминает машинное отделение океанского корабля. Знаете, такого настоящего, большого, океанского.

 

В конце концов все начинают смеяться. И вправду, согласитесь, если в течение минуты три очевидца стараются перещеголять друг друга, сравнивая то, чего они воочию еще не видели, с первыми попавшимися им на язык вещами, «большими, настоящими, круглыми», то воображение отказывается служить вам.

 

Слушая споры соседей по машине и сам норовя от них не отстать, я все думал: а почему мы, собственно, не можем никак сойтись ни на одном сравнении? Не потому ли, что гигантский синхрофазотрон Дубны в действительности просто не похож ни на что другое, виденное нами доселе?

 

Есть вещи как бы первоначальные, создающие новые представления. Их трудно уподоблять вещам, уже ставшим обиходными в опыте прежних поколений. Конструкции таких первоначальных вещей, их масштабы, их формы продиктованы новыми нуждами, новыми целями, новыми идеями. И потому для них так легко подыскиваются сравнения смысловые: едва дополз первый трактор, как его окрестили «стальным конем», едва взлетел первый самолет, как поэты заговорили о «стальных птицах», И если ускоритель назвать «атомной пращой», по смыслу все будет правильно. Но сходства с реальностью тут будет так же мало, как в сравнении подводных лодок с населением морских глубин — с акулами или с чем-нибудь в этом роде.

 

Машина шла заснеженным сосновым бором, когда мы неожиданно обнаружили, что едем уже по городу. Улицы Дубны— лесные просеки. Площади — лесные поляны. И господствующие звуки — лесная тишина. Такими, наверное, будут города будущего.

Дубна — город сосредоточенности. Вот первое ощущение человека со стороны. И вряд ли оно обманчиво.

 

Мы молча пересекали этот город сосредоточенности, чтобы не пропустить той минуты, когда замерцает сквозь древесные стволы так хорошо знакомое нам по фотографиям, единственное в своем роде здание десятимиллиардного ускорителя. Вот он сейчас покажется, этот храм, этот корабль, этот цирк. И когда он появился наконец, сразу стало ясно, что все спорщики были правы в одном — это было нечто действительно большое, круглое и настоящее. Очень большое! Очень круглое! И очень, очень настоящее! Этот корабль был явно предназначен для великого плавания.

 

Я начал с того, что мы ехали в Дубну, как и на высокогорную станцию космических лучей, дабы посмотреть, как незримое и неслышное становится явным. Это верно, но все- таки влекло нас в Дубну и еще кое-что. В космических лучах многие элементарные частицы материи были впервые открыты. «На мощных ускорителях многие из них были впервые созданы.

Созданы? Не описка ли это?

Нет, не описка, и не преувеличение, и даже не литературная вольность. Это вполне строгий научный термин — смысл его прям и точен.

 

Вот нам и хотелось увидеть, как несуществующее становится сущим, возможное — действительным, невещественное — вещественным, и наоборот; как вечная материя превращается из одной невечной формы в другую.

 

Оттого-то, как ни будничны были подмосковная природа за окнами и заботы дубенцев, ехавших вместе с нами, у нас — новичков — настроение было всю дорогу совершенно таким, как у горожан в горах: чуть-чуть приподнятым.

 

Мы старались этого не обнаружить — неловко как-то, все- таки взрослые люди. Но, видимо, нам это плохо удавалось. И тогда мы решили не замечать снисходительных улыбок наших ученых спутников, для которых и путь в Дубну и все связанное с ней давно стало обыденностью. Мы были счастливее их.

 

Они там говорили о чем-то непонятном, что никак не ладилось, ругали какой-то отдел какого-то ведомства, поносили каких-то юнцов за то, что у них хоть и хорошие головы, да руки ни к черту. А нас эти подробности не касались. Правда, мы не без зависти почтительно поглядывали на людей, живущих в науке, как у себя дома, — так мальчишки в далеком плаванье завидуют не пассажирам-бездельникам, а усталым матросам. Но все равно мы были счастливее, как те, кому впервые предстоит, скажем, взлететь на реактивном самолете. Нам предстояло прикоснуться к тонкой алхимии нашего века. Только прикоснуться, но уже и это было необычайно!

 

А вместе с тем — так уж устроен человек — было очень приятно, что наши ученые спутники и ворчат, и ругаются, и озабочены всякими пустяками: это уравнивало нас с ними. От этого и сама их высокая область знания, их тонкая алхимия, начинала казаться более доступной нам, непосвященным.

 

 

К содержанию книги: Научно-художественная книга о физике и физиках

 

 Смотрите также:

  

Физика. энциклопедия по физике

Книга содержит сведения о жизни и деятельности ученых, внесших значительный вклад в развитие науки.
О физике

заниматься физикой как наукой или физикой, которая...

Эта книга адресована всем, кто интересуется физикой. В наше время знание основ физики необходимо каждому, чтобы иметь правильное представление об окружающем мире

Энциклопедический словарь

И старшего. Школьного возраста. 2-е издание исправленное и дополненное. В этой книге  Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках

 

И. Г. Бехер. книга Бехера Подземная физика

В 1667 г. появилась книга И. Бехера «Подземная физика», в которой нашли отражение идеи автора о составных первоначалах сложных тел.

 

Последние добавления:

 

Право в медицине      Рыбаков. Русская история     Криминалист   ГПК РФ