"Время вспять, или Физик, физик, где ты был" - читать интересную книгу автора (Абрагам Анатоль)

Накануне

Осенью 1947 года я начал подготовку к поездке в Бирмингем в следующем году. По совету Коварски я обратился в Бритиш Каунсил (British Council), британскую государственную организацию, БК, как я буду ее называть в дальнейшем, которая предоставляла студентам и молодым научным работникам разных стран возможность работать год или два в британских университетах или институтах, получая скромную стипендию. Я представил им все свои верительные грамоты и довольно легко получил десятимесячную стипендию (которую можно было возобновить один раз) размером в тридцать пять фунтов стерлингов в месяц. Это было маловато, но «дареному коню…»

Я решил отправиться в Центр КАЭ, чтобы узнать о возможности получить от них добавку к подарку БК. Центр тогда находился еще в громадной шикарной квартире вблизи Булонского леса, реквизированной правительством для нужд КАЭ. Начальник отдела по заграничным расходам (наша валюта тогда была еще не совсем твердой), некий господин Перно (Pernot), принял меня очень любезно и предложил мне иной вариант. КАЭ пошлет меня в Англию на свои деньги, пятьдесят-шестьдесят фунтов в месяц, а я буду возвращать им все, что получу от БК. Таким образом, не будет перерыва в моем жаловании в КАЭ, который мог бы принести в будущем (далеком, как мне тогда казалось) ущерб моей пенсии. Конечно, фактически КАЭ будет выплачивать мне только разницу между жалованием и стипендией БК. Я привожу здесь эти неинтересные подробности, потому что они сыграют роль в недалеком будущем.

Перед тем как расстаться с господином Перно, я выразил удивление присутствию в большинстве комнат водопроводных приспособлений, широко известных во Франции под названием «bidet» (биде), что буквально означает «лошадка», но, несомненно, мало знакомых в России, так как ни я, ни мой словарь не знаем их русского названия. Господин Перно объяснил, что при немцах эта квартира была обставлена гестапо, как своего рода Вальхалла для отдыха их воинов и для их временных подруг, после которых это оборудование и осталось как «мимолетный легкий след». Оставалось заручиться согласием научного начальства. Фрэнсис Перрен, второй Полоний, «на мою усиленную просьбу приложил печать соизволения», после чего я смог с легким сердцем посвятить себя науке.

Горовиц был в Копенгагене у Бора, Трошри — в Манчестере у Розенфельда. В Париже оставался Клод Блох, которому его либеральный Горный институт оставлял полную свободу заниматься чем угодно, лишь бы в Париже. Вместе с ним и еще с двумя товарищами мы взялись за изучение книги Вентцеля по квантовой теории поля. Среди блестящих политехников того же выпуска, что и мушкетеры, был Альберт Мессиа, который вертелся среди нас некоторое время, но скоро уехал на несколько лет в Америку. Впоследствии он сделал карьеру в КАЭ и приобрел известность прекрасной книгой о квантовой механике, вышедшей в свет в начале шестидесятых годов. Сказать правду, изучать книги мне порядочно надоело; за последние десять лет я вряд ли занимался чем-нибудь другим. Поэтому я узнал с удовольствием, что КАЭ заинтересовался постройкой ускорителей. Эти машины заменили источники альфа-частиц, с помощью которых Жолио сделал несколько своих замечательных открытий. В 1947 году в его распоряжении имелся циклотрон в несколько МэВ (1 МэВ = 1000 000 эВ) и электростатический генератор в 1,5 МэВ в другой лаборатории в Иври (Ivry), вблизи Парижа. Но после открытий, сделанных в США и в СССР, увидели свет новые типы ускорителей.

Первым из ускорителей был циклотрон с модуляцией частоты. Напомню, что в обычном циклотроне частица с электрическим зарядом вращается в зазоре электромагнита с угловой скоростью Ω, пропорциональной магнитному полю и обратно пропорциональной ее массе. При каждом обороте частица получает ускоряющий импульс от электрического поля, колеблющегося с той же частотой П, которое действует, как дрессировщик в цирке, щелкающий кнутом в такт оборотам лошади на арене. Это так называемое «резонансное условие». Но с увеличением энергии ускоряемой частицы увеличивается ее масса, а угловая скорость уменьшается, нарушая резонансное условие. Чтобы сохранить это условие, частота импульсов от электрического поля должна изменяться (быть модулированной) в течение цикла ускорения.

Пользуясь этим методом, столь простым в теории, но не на практике, стало возможным увеличить энергию частиц от нескольких МэВ в старых циклотронах до нескольких сотен МэВ. На этом принципе больше тридцати лет работает циклотрон ЦЕРН'а с энергией 600 МэВ. Спрашивается, почему нельзя подняться еще выше? Трудность заключается в том, что чем выше энергия частицы, тем больше радиус ее траектории. Она описывает спираль, разворачиваясь из центра зазора с мгновенным радиусом, пропорциональным импульсу и обратно пропорциональным магнитному полю. С увеличением энергии (а значит, и импульса) радиус траектории растет, поверхность, покрываемая спиралью, тоже, что требует недопустимого увеличения веса магнита.

Поэтому пришлось изобрести машину нового типа — протонный синхротрон, в котором частота электрического поля и величина магнитного поля модулируются одновременно таким образом, чтобы сохранить не только резонансное условие, но еще и постоянный радиус для орбиты частицы. Тогда достаточно поддерживать магнитное поле в узком кольце, окружающем орбиту, что, конечно, уменьшает значительно вес магнита. Таков принцип цернского суперсинхротрона SPS, который ускоряет протоны до энергии в 450 ГэВ (1 ГэВ = 1000000000 эВ).

С помощью очень остроумного изобретения, сделанного в ЦЕРН'е Симоном ван дер Меером (Simon van der Мееr), описание которого завлекло бы нас слишком далеко, в 1983 году две группы физиков под руководством Карло Руббиа (Carlo Rubbia) и Пьера Дарьюла (Pierre Darriulat) обнаружили в ЦЕРН'е так называемые промежуточные бозоны W я Z, предсказанные так называемой теорией электрослабого взаимодействия Глэшоу, Салама и Уайнберга (Glashow, Salam, Weinberg). В американской лаборатории Фермилаб построена машина того же типа, которая ускоряет протоны до 1 ТэВ. (1 ТэВ = 1000 ГэВ); поэтому она и названа Теватрон.

А как обстоит дело с электронными ускорителями для очень высоких энергий? — Гораздо сложнее. Это связано с тем, что масса электрона меньше массы протона приблизительно в 2000 раз. Можно показать, что энергия, излучаемая заряженной частицей в кругообразном движении, обратно пропорциональна четвертой степени ее массы покоя.

Для энергий электронов, сравнимых с энергиями протонов ЦЕРН'а или Фермилаба, потери на излучение становятся недопустимо большими. Поэтому для электронного ускорителя LEP (Large Electron-Positron (collider)), который теперь запущен в ЦЕРН'е, для первой очереди была выбрана более скромная энергия 50 ГэВ, которая позже будет доведена до 100 ГэВ. Даже это стало возможным только благодаря очень значительному увеличению радиуса машины, которое уменьшает центростремительное ускорение частиц, а значит, и излучение.

Одним из замечательных свойств электромагнитного излучения вращающихся ультрарелятивистских частиц, масса которых во много раз превышает их массу покоя, является его непомерная спектральная ширина. Излучение содержит не только частоту самого вращения, но и чрезвычайно высокие гармоники, простираясь до оптического, ультрафиолетового и даже рентгеновского диапазона. Эта особенность электронных синхротронов, считавшаяся вначале простым курьезом и даже неудобством, приобрела недавно огромное значение, сделав их мощными и непрерывными источниками рентгеновского излучения. Дошло до того, что строятся электронные синхротроны, специально предназначенные для применения этого излучения в физике твердого тела, химии и биологии.

Теория синхротронного излучения была хорошо известна в 1947 году. Мне пришло в голову, что число «жестких» (коротковолновых) фотонов, испускаемых каждым электроном за один поворот, невелико и может сильно флуктуировать, — факт, который классическая теория излучения была неспособна учесть. Я предпринял полуклассической расчет, обратный обыкновенной процедуре: описал движение электрона классически и проквантовал электромагнитное поле, что научился делать, изучая монографию Гайтлера. Это была типичная тема диссертации, которую руководитель мог предложить своему начинающему ученику. Руководителя у меня не было, и я сам себе ее предложил. Я довел расчет до конца и не был разочарован, наоборот, скорее доволен, когда убедился, что мой результат совпадает с классическим вычислением. Это показывало, что я подсчитал правильно то, что всем было известно. Свою работу я опубликовал в «Journalde Physique». Это была моя первая статья.

Начальник отдела ускорителей в КАЭ был столь восхищен результатом, что захотел представить его на конференции в Америке. Отговорил я его не без труда.

Я заинтересовался и линейными электронными ускорителями. Их принцип работы можно объяснить элементарно, переходя в систему координат, движущуюся в волноводе со скоростью электромагнитной волны. В этой системе электрону кажется, что он видит электростатическое поле. Поле ускоряет электрон, но, если электрон ультрарелятивистский, при ускорении его скорость практически не меняется, и он остается в фазе с волной. Такое рассмотрение привело меня к изучению структуры электромагнитной волны, которая распространяется в волноводе точно со скоростью света. Заключения, к которым я пришел, не представляют достаточного интереса, чтобы приводить их здесь. Они были опубликованы в Докладах нашей Академии наук. Подражая Паули, я скажу, что они даже не были ошибочными. Я очень сомневаюсь, что эту статью читал кто-нибудь, кроме меня.

Пока я все это проделывал, Горовиц в Копенгагене находился в самом центре новейших достижений физики. Он написал мне про открытие американского физика Виллиса Лэмба (Willis Lamb), которое, по мнению Бора, должно было произвести переворот в квантовой теории излучения. И я решил, что квантовая теория поля была тем самым «баркасом», на который я должен вскарабкаться, чтобы спастись. Однако два обстоятельства меня смущали. Во-первых, баркас был страшно перегружен. На его борту уже были все участники семинара Прока. Кроме того, там были те, кто работал с Розенфельдом в Манчестере и с Пайерлсом в Бирмингеме — месте моего ближайшего назначения.

Но было нечто другое, что еще больше смущало меня. В 1947 году во время поездки у меня было время хорошенько разглядеть славный город Бирмингем. Вызывающее безобразие архитектуры, безвкусная тоскливость улиц, гортанный говор местных жителей, который в моих ушах, привыкших к гармоническим звучаниям Би-би-си, походил на все, что угодно, кроме английского языка, пища, отвратительная для вкуса француза, даже такого, которого не баловали во время четырех лет германской оккупации, все это вместе взятое заставило меня усомниться, «стоит ли игра свеч». Для того ли провел я два года в армии, четыре года под германским игом и еще, по крайней мере, год лишений после войны, чтобы тридцати трех лет от роду оказаться на год (а скорее, на два) в этом мрачном изгнании?

Я давно понял, что мое первое суждение было преувеличенным. Бирмингем не уродливее многих других крупных английских городов и даже скрывает несколько весьма приятных уголков; пища в Англии более или менее одинаковая повсюду; а с аборигенами с ужасающим акцентом я бы в университете не встречался. Во всяком случае, подчиняясь первому импульсу, я отправился в Бритиш Каунсил, чтобы сообщить им, что раздумал ехать в Бирмингем, и спросить, не могли ли они предложить мне другое назначение. Приняли меня очень любезно. (Здесь я хотел бы подчеркнуть замечательную вежливость всех власть имущих в Англии. Приехав с Сюзан в первый раз в Оксфорд, мы отправились в полицейский участок, чтобы прописаться. Первое, что сделал полицейский, это встал и подвинул Сюзан стул. Ни французские, ни иные полицейские меня к подобному не приучили. А вот еще пример. Мой товарищ П., пребывая в Англии, просрочил по небрежности свою визу. Через некоторое время он получил из министерства внутренних дел следующую бумагу. «Министр внутренних дел (Home Secretary) желает выразить господину П. свое почтение и считает своей обязанностью уведомить его, что, если он не соблаговолит урегулировать свое положение в недельный срок, будет предпринята его высылка с территории Объединенного Королевства (United Kingdom) с употреблением силы в случае необходимости. Ваш покорный слуга министр внутренних дел…»

Возвращаюсь к милому БК. «Куда хотели бы вы поехать?» — «Я еще не решил. А какие есть возможности?» Чиновник открыл свою папку. «Осталось не много. Вот, в Оксфорде теперь новый профессор теоретической физики Морис Прайс (Maurice Ргусе). У него, может быть, найдется место для одного студента. Я хорошенько не знаю, чем он интересуется, но это, вероятно, довольно далеко от ваших интересов по квантовой теории поля. Он сотрудничает с экспериментаторами кларендонской лаборатории (Clarendon Laboratory), исследующими магнитный резонанс, если вы знаете, о чем идет речь». (Я не знал и знать не хотел. Я услышал: «Оксфорд!» По дороге из Бирмингема я останавливался в Оксфорде и провел там три дня. Оксфорд прекрасен, как Венеция или Флоренция, и я не буду здесь описывать его красоту и «стараться важно в том уверить, в чем все уверены давно». Довольно сказать, что я вернулся домой совершенно счастливый. Мысль, что там можно не только наслаждаться красотой, но ещеи заниматься физикой, мне не пришла в голову.) «Да, конечно, я давно интересуюсь магнитным резонансом; могу ли я записаться в Оксфорд?» — «Мы запишем вашу кандидатуру, но вы должны заручиться согласием профессора Прайса. К тому же, вы потеряете свое место в Бирмингеме, на него есть другие кандидаты».

Прайс! Коварски давно рассказывал чудеса про своего друга Прайса, с которым он познакомился в Кембридже во время войны. Он охотно порекомендовал меня Прайсу, и тот принял меня в свою «паству». Прайс написал, что я могу или приехать так просто, «руки в карманах», и тогда рассчитывать, что вознаграждением за мои труды будет лишь слава, которую мне принесут мои открытия (боюсь, что тут была доля иронии со стороны моего будущего руководителя), или работать над докторской диссертацией, но в этом случае необходимо было быть принятым в один из колледжей, составляющих Оксфордский университет. Я решил не слишком полагаться на славу и выбрал второй путь. Секретариат университета уведомил меня, что я должен был представить нотариально заверенный перевод моих дипломов, но если дипломы на латинском языке, перевод не требуется.