Про магнитные органы, про "магнитные Биллы" и "магнитные Форды"; как магнитами просеивать зерно, сортировать руду, чистить пляжный песок и ловить преступников; о магнитных поездах без колес, магнитных игрушках и магнитных щупальцах; наконец, о фокусниках, мистификаторах и проходимцах, которые умеют обманывать людей, пользуясь тем, что магнитное поле всесильно, но невидимо.

После открытий Романьози, Эрстеда, Ампера, Стерджена, Генри и Джоуля человечество получило в свои руки магниты неслыханной доселе силы. Куда направить эту мощь? Легкость получения больших усилий с помощью электромагнитов побуждала использовать эти новинки буквально во всех устройствах, где требовалось приложить хоть мало-мальски серьезное усилие. Ученые на несколько лет уподобились мальчику, который, впервые получив магнит в руки, пытается притянуть им все, что попадается на глаза: гвозди, бритвы, кровать, соседскую кошку. Электромагниты в большом числе появились в физических лабораториях, аристократических салонах, кабинетах врачей.

Uberorbs — игрушка, представляющая собой два магнита эллипсоидной формы с жестким покрытием из никеля. Если два подобных магнита разъединить в руке и подбросить в воздух, то они издают необычный скрежещущий звук. Это происходит из-за того, что эллипсоидная форма магнитов не позволяет соприкасаться им большой площадью. Площадь соприкосновения у них стремится к точке, поэтому, во время столкновения, от воздействия сил магнетизма происходит упругий удар, расцепляющий магниты. После этого они сталкиваются и разлетаются снова. За секунду соприкосновения может произойти до нескольких десятков или сотен микростолкновений, которые и порождают необычный звук. Иллюстрация с сайта www.firebox.com

В одном из старинных журналов есть описание магнитного органа, установленного в соборе американского города Гарден-сити. В этом органе клапаны открывались при помощи специальных магнитов. Когда органист нажимал клавишу, в цепь магнита подавался ток, магнит притягивал стерженек, прикрепленный к клапану той трубки, которая должна была звучать. Этот процесс происходил так быстро, что трубку можно было бы заставить звучать шестьсот раз в минуту. На таком магнитном органе можно было исполнять весьма виртуозные вещи.

Уже в 1869 г. магниты широко использовали в приводе жаккардовых станков и для пробивания отверстий в металлических плитах. Но прежде всего, конечно, электромагниты стали использовать по прямому назначению - для подъема тяжелых железных предметов. Сначала подъемные магниты исследовались в научных лабораториях. Еще в 1864 г. в Свободной академии Нью-Йорка был создан электромагнит, весящий 260 кг, "который поднял семерых человек однажды и сколько он еще может поднять - никто не знает". Этот магнит, сделанный Чарльзом и Чесдером, представлял собой два стержня круглого сечения из мягкого железа диаметром 10 см и длиной по 1 м, соединенных в виде буквы V. На стержни было намотано 80 кг медной проволоки, изолированной хлопчатобумажной тканью. Для передвижения магнита по помещению использовалась вагонетка.

Вскоре после того, как было построено еще несколько таких крупных магнитов и все могли убедиться в их силе, надежности, компактности и удобстве, было предложено использовать электромагниты для подъема железных и стальных деталей на металлургических и металлообрабатывающих заводах. Вот как описывается рождение магнитного крана на сталелитейных заводах в Кливленде в питтсбургской газете "Пресс" за 1888 г.

"Для проверки магнита в производственных условиях он был подвешен на тросе к цеховому крану. Подвеска осуществлялась с помощью веревки, поскольку железная цепь намагничивалась и мешала работе. Для возбуждения магнита было достаточно тока 5,5...6 ампер. При этом легко поднимался груз 320 килограммов, который мог быть легко сброшен при выключении тока... В цехе, где был пущен магнит, рассчитывали получить работу по переноске железа 14 или 15 человек. С пуском магнита они оказались по отношению к нему в позиции Отелло, поскольку один мальчик с помощью кнопки стал теперь выполнять всю работу всей этой банды".

Сквозь грубоватый юмор питтсбургского журналиста просвечивает не слишком привлекательная картина технического прогресса при капитализме. Впрочем, с помощью магнитов некоторым из ставших в цехе ненужными рабочих была найдена работа по магнитной очистке территории завода и улиц. Этих рабочих называли "магнитными Биллами". В их обязанности входило носить на спине батарею, питающую электричеством магнит, который "Билл" держал в руках. С помощью этого магнита он собирал с земли железные опилки, гвозди и мелкие железные детали.

С развитием автомобильного транспорта "магнитный Билл" был заменен "магнитным Фордом", который ездил по плохим дорогам того времени и собирал с дороги все, что могло вызвать прокол камеры. Особенно большое применение "магнитные Форды" нашли во время первой мировой войны, когда резина была весьма дефицитной. "Магнитный Форд" экономически себя оправдывал. Так, доктор Браун из форта Байярд в Нью-Мексико, применив в 1928 г. на автомобиле магнит диаметром 30 см, сократил количество проколов у своей машины на 75% и собрал за короткое время 2 т гвоздей.

В журнале "Сайнтифик Америкэн" дается описание "магнитного Форда": на любую старую автомашину на высоте 5...10 см над землей подвешивается один или несколько небольших магнитов, которые "прощупывают" пространство перед колесами машины и между ними. С помощью одной такой машины за год было собрано около 12,5 т железа, "причем в Северной Дакоте сбор составлял 6,5 фунтов на милю, в то время как в Южной Дакоте - лишь 1,75 фунта на милю".

В России магниту было найдено весьма своеобразное применение - вплоть до революции "Общество конно-железных дорог и омнибусов" использовало магниты для очистки овса, шедшего на корм лошадям, от железных гвоздей. Во всей Европе и Америке магниты широко применялись на мельницах для очистки зерна.

Одним из крупнейших подъемных электромагнитов стал магнит, построенный в 1903 г. в США. С его помощью можно было поднять груз в 20 т, т.е. железнодорожный вагон. Несколько позже был построен еще более мощный электромагнит, способный поднять 75 т, другими словами, целый паровоз.

Один из крупнейших электромагнитов, грузом которого была железная "баба" массой 20 т ("скулодробитель" - английский эквивалент "бабы"), был предназначен для разрушения бракованного литья. Электромагнит в этом случае имел серьезные преимущества, поскольку освобождение "бабы" при необходимости ее сброса вниз производилось просто поворотом выключателя.

Широко известен рекламный снимок, сделанный одной из немецких фирм, производящих магниты. Рабочий удерживается, уцепившись за стоящую вертикально цепь, прикрепленную к полу. Шар, укрепленный на другом конце железной цепи, притягивается к магниту так сильно, что цепь остается натянутой, несмотря на то, что на ней повис человек. Железный шар не прикасается к магниту, и это говорит о колоссальной притягивающей силе этого магнита, так как с увеличением расстояния от притягиваемого предмета до магнита сила притяжения резко падает. Прокладывая между подковообразным магнитом и притянутым им телом лист бумаги, мы тем самым снижаем силу притяжения в 2 раза.

Широкое использование подъемных магнитов началось после того, как японцы чрезвычайно успешно применили их в массовом масштабе на судостроительной верфи в Иокогаме в 20-х годах нашего столетия.

Пленка, "видящая" магнитное поле. Иллюстрация с сайта www.wondermagnet.com

Магнитная очистка зерна на мельницах стала прообразом чрезвычайно важного в настоящее время применения магнитов. Речь идет о так называемых магнитных сепараторах. Принцип их действия состоит в том, что смесь руды и пустой породы подается по конвейеру мимо полюсов магнита. Если пустая порода магнитна, она будет извлечена из смеси. Принцип магнитного сепаратора предложен еще в 1792 г., т.е. до изобретения электромагнита. Затем на аналогичный сепаратор с электромагнитами был выдан патент в 1847 г. Артуру Воллу. За Воллом последовал в 1854 г. Шено, получивший патент на сепаратор с вращающимися магнитами.

В настоящее время магнитный метод разделения применяют во многих отраслях горнодобывающей промышленности, в частности в угледобывающей, где он начинает конкурировать с так называемым мокрым методом обогащения.

Почти повсеместно уголь обогащают в специальных отсадочных или флотационных установках. И отсадочный, и флотационный методы являются мокрыми, так как процесс обогащения происходит в воде, в результате чего и порода, и угольный концентрат нуждаются в сушке. Кроме того, мокрые методы требуют большого расхода (нескольких тысяч кубометров) воды, очистки загрязненной воды и предотвращения смерзания частиц в районах с суровым климатом.

Почти все неиспользуемые в угле примеси магнитны. Это дает возможность избежать мокрых процессов, установив по ходу движения ленты с размельченной породой магнитный ребристый ролик, который захватывает примеси и выносит их из породы. Такой метод очистки, позволивший снизить зольность угольной мелочи с 12...17 до 7...8%, был впервые предложен и испытан в Советском Союзе.

А как очистить породу, например, от пирита, который немагнитен? Здесь ученые тоже нашли выход - пирит пропаривается в паровоздушной среде при 270...300°С и покрывается слоем магнитных окислов.

Другой тип сепаратора был изобретен в 80-х годах прошлого века Эдисоном. Говорят, что это произошло во время одной из ежедневных утренних прогулок Эдисона. Гуляя по берегу Лонг-Айленда, Эдисон заметил, что песок пляжа содержит частички окиси железа. Если сыпать такой песок между полюсами магнитов, можно легко отделить немагнитные частицы от окиси железа. Эта идея Эдисона решила одну из проблем того времени: что делать с залежами руды, в которой содержание железа невелико?

Эдисон предложил преобразовать руду таким образом, чтобы она стала похожей на легко разделяемый песок пляжа, попросту говоря, размолоть ее. После размола в дробилках руда поступает в башню и ссыпается с ее вершины. При падении частицы встречают все усиливающиеся магнитные поля нескольких мощных электромагнитов. Магнитная окись железа оседает на магнитах и снимается с их наконечников, а пустая порода беспрепятственно падает вниз.

Благодаря этому изобретению Эдисона залежи железной руды в штате Нью-Джерси, ранее считавшиеся промышленно бросовыми, стали рентабельными, для их разработки был построен целый город, названный по имени изобретателя - Эдисон-Сити.

Магнитные сепараторы применяют и в сельском хозяйстве для отделения семян клевера, льна, люцерны от семян сорняков. Инженеры воспользовались здесь оружием "врага" и обратили его против него самого. Дело в том, что семена сорняков (горчака, плевела), как правило, более шероховаты, их поверхность покрыта миниатюрными зацепками, позволяющими семенам прикрепляться к шерсти животных, одежде людей и т.п., что помогает сорнякам в их быстром распространении. Если засыпать загрязненные сорняками семена мелкими железными опилками, то опилки скопятся на семенах сорняков, в то время как гладкие семена злаков останутся чистыми. Теперь достаточно легко очистить зерно от сорняков в устройстве типа магнитного сепаратора.

Очень сходный по существу метод используется сейчас и при поимке преступника. Часто потожировые отпечатки пальцев, оставленные нарушителями на месте преступления, очень слабы и вдобавок ко всему оставлены на каком-нибудь материале с грубой фактурой: досках, фанере, картоне. Криминалист В. Сорокин предложил вместо существующего способа опыления следов цветными порошками использовать в подобных случаях магнитную кисть, представляющую собой небольшой магнит с узким полюсом, который проносят над исследуемой поверхностью в нескольких направлениях.

Перед этим магнит опускают в сосуд с мельчайшими железными опилками. Опилки облепляют полюс в виде всем известной "бороды" магнита. Эта борода и играет роль тончайших щетинок кисти. При проведении магнитной кистью над загрязненной поверхностью железные пылинки прилипают к потожировому веществу следа и окрашивают его в характерный темно-серый цвет. Незагрязненная поверхность остается чистой. Окрашенные железной пылью отпечатки пальцев очень хорошо копируются на дактилоскопическую пленку.

Магнитная скульптура. Иллюстрация с сайта www.wondermagnet.com

Это не единственное применение магнита в криминалистике. В журнале "Советская милиция" сообщалось о портативном мощном электромагните, применяемом для добычи вещественных доказательств со дна водоемов. В том же номере описывался случай, когда следователю с помощью такого электромагнита удалось обнаружить на дне заброшенного пруда топор, которым было совершено преступление.

Этот же принцип используют для подъема железных предметов с затонувших судов.

Подъемные магниты очень широко используют там, где необходимы особо большие усилия и несложные крепления. Например, в знаменитом батискафе профессора Пикара, исследовавшего глубочайшие океанские впадины, мощный электромагнит был применен для удержания железного балласта. В случае аварии Пикар мог разомкнуть цепь питания электромагнита и, освободив батискаф от балласта, немедленно всплыть.

Электромагниты использовались и на транспорте. Так, для улучшения сцепления колес вагонеток с рельсами (увеличение трения) инженеры еще в 1910 г. применили подмагничивание колес с помощью электромагнитов. Используя электромагниты, удалось увеличить коэффициент трения и, следовательно, массу перевозимого груза.

Этим, безусловно, не ограничиваются возможности применения магнитов на транспорте. Существует, например, идея, выдвинутая инженерами фирмы "Вестингауз", предложившими использовать "магнитные подушки" для электровоза. В конструкции американских инженеров магниты, вмонтированные в корпус электровоза, создадут отталкивание между электровозом и железными направляющими рельсами, что позволит обойтись без колес и повысить скорость поездов до 1000 км/ч. Испытания моделей таких электровозов дали обнадеживающие результаты. Во многих странах уже созданы экспериментальные поезда "на магнитной подушке".

Электромагниты можно также использовать для стыковки кораблей в космосе. Другим немаловажным применением электромагнитов может стать магнитная обувь космонавтов, незаменимая, по-видимому, не только в условиях невесомости, но и при ремонтных работах на земле.

В годы войны беспокойная мысль конструкторов электромагнитов сразу же "нащупала" возможность применения их в военных целях. Непосредственно перед войной были изобретены магнитные мины, т.е. мины, боек которых приводился в действие поворотом магнитной стрелки, влекомой стальной махиной корабля.

Другим, значительно более проблематичным предложением стала старая идея использовать электромагнит для ловли ядер противника. Предполагалось осуществить эту идею следующим образом: на корабле "лицом" к противнику устанавливается мощный электромагнит, полюс которого покрыт прочной броней. Ядра неприятеля притягиваются этим магнитом и попадают на броню. Остальная часть корабля может быть незащищенной.

Конечно, такой проект вряд ли осуществим. Стрельба со своего корабля будет малоэффективной, так как траектория будет искажаться магнитом, вследствие чего прицельный огонь станет невозможным. Далее, и это особенно важно в данном случае, для искривления пути неприятельских ядер понадобится такой мощный магнит, который и в настоящее время ученые построить не в состоянии.

Следует, однако, отметить, что проект защиты фортов от ядер противника не остался лишь на бумаге. Магнит-броня, заранее обреченный на бездействие, был построен. Это произошло потому, что техника расчетов магнитного поля в прошлом веке была недостаточно разработанной, и заранее знать, каково будет поле магнита и, следовательно, его эффективность, было нельзя. В 1887 г. майор американского флота Кинг приказал сделать гигантский электромагнит из двух крупнейших береговых орудий калибром 36 см, поставленных рядом в форте Виллетс-Пойнт. Магнитная цепь замыкалась с помощью притороченных к пушкам железнодорожных рельсов. Пушки, каждая из которых была по 5 м длиной и весила 25 т, были обмотаны многожильным торпедным кабелем длиной 14 миль. Для питания использовался электрогенератор, обычно применявшийся для ламп прожекторов. При включении тока к жерлам пушек притягивались толстые стальные плиты, которые могли быть оторваны лишь при усилии 10 т. У жерла пушки могли висеть, как гроздь, одно под другим четыре ядра, каждое массой 120 кг. Те, у кого в карманах или руках были небольшие стальные предметы, начинали чувствовать приближение к пушке за 2 м. Действие же пушек на магнитную стрелку, как писали авторы, распространялось более чем на 10 км! Что же касалось неприятельских ядер... их пушка не притягивала.

Надежды майора Кинга на то, что магнитная пушка станет полезной уже тем, что будет "сбивать с толку" стрелки компасов неприятельских кораблей при их подходе к форту, тоже были необоснованными. Дело в том, что на самих кораблях имеются сотни различных магнитов и массивных стальных устройств, которые, не будь приняты специальные меры, не дали бы возможности правильно вести судно. Существует специальная наука "компасное дело", которая разрабатывает способы защиты от магнитных полей своих корабельных устройств не то что от поля, хотя и мощного, но далекого магнита - гигантской магнитной пушки.

Особым толчком к развитию этой науки послужили аварии у берегов Ирландии в 1860 г. двух пассажирских пароходов, сопровождающиеся большим числом жертв; эти аварии произошли из-за погрешностей компасов.

Идея использовать магнитное притяжение находила все новых приверженцев не только среди ученых, инженеров, писателей, но и... среди мистификаторов. Вот одна из нашумевших историй.

Как-то в одном европейском военном ведомстве произошел большой переполох. Ведомство всегда осаждали изобретатели, предлагая то сверхдальнобойные пушки, то сверхмощные взрывчатые вещества. И на этот раз изобретатель представил новое взрывчатое вещество. Но удивительное было не в этом. В отличие от других изобретателей он попросил посмотреть на свое изобретение в действии. Была составлена авторитетная комиссия, которая прибыла в лабораторию изобретателя.

Посреди лаборатории стоял стол. На этот стол насыпали щепотку новой взрывчатки, на которую ставили тяжелый, в несколько пудов, кусок железа. Изобретатель замыкал ток в цепи, "поджигавшей" новую взрывчатку, и громадная железная глыба подлетала к потолку. Падая обратно, она в щепы разбивала стол.

Военные были потрясены. Об открытии узнали газетчики. Всю прессу наводнили сообщения о новом сверхмощном взрывчатом веществе, которое сулило переворот в военном деле. Но вот что было удивительно - руководитель военного ведомства не привлек к ответу газетчиков, разгласивших новую военную тайну. Наоборот, он всячески поощрял их.

Изобретатель получил солидную сумму денег и... скрылся в неизвестном направлении. Это показалось подозрительным, и эксперты произвели обследование заброшенной лаборатории. И вот что оказалось: прямо над потолком лаборатории, в комнате наверху, был установлен мощный электромагнит. Замыкая цепь для взрыва, изобретатель замыкал цепь электромагнита. Железная глыба подскакивала к потолку, к магниту. Для того чтобы глыба "не прилипла" к потолку, цепь электромагнита тотчас же разрывалась, и глыба летела вниз.

Знал ли руководитель военного ведомства об этом, остается загадкой. Однако психологическое воздействие на другие страны газетная шумиха оказала большое.

Другой мистификатор путешествовал по Европе. В середине 80-х годов пронеслась волна об ученом слоне, который умел не только складывать и вычитать, но даже умножать, делить и извлекать корни. Делалось это следующим образом. Дрессировщик, например, спрашивал слона: "Сколько будет семью восемь?" Перед слоном стояла доска с цифрами. После вопроса слон брал хоботом указку и уверенно показывал цифру 56. Точно так же производились деление и извлечение квадратного корня. Фокус также был достаточно прост: под каждой цифрой на доске был спрятан небольшой электромагнит. Когда слону задавался вопрос, в обмотку магнита, расположенного под цифрой, означающей правильный ответ, подавался ток. Железная указка в хоботе слона сама притягивалась к правильной цифре. Ответ получался автоматически. Несмотря на всю простоту этой "дрессировки", секрет фокуса долгое время не могли раскрыть, и "ученый слон" пользовался громадным успехом.

В средние века весьма распространенным иллюзионным номером были так называемые послушные рыбы, изготовлявшиеся из дерева. Они плавали в бассейне и повиновались малейшему мановению руки фокусника, который заставлял их двигаться во всевозможных направлениях. Секрет фокуса был чрезвычайно прост: в рукаве у фокусника был спрятан магнит, а в головы рыб вставлены кусочки железа. Один из вариантов этого фокуса вы можете приобрести в "Детском мире" - это игра "Удильщик".

Более близкими к нам по времени были манипуляции англичанина Джонаса. Его коронный номер: Джонас предлагал некоторым зрителям положить часы на стол, после чего он, не прикасаясь к ним, произвольно менял положение стрелок. Трюк, естественно, проводился с помощью магнита.

Магнитные фильтры для жидкостей. Иллюстрация с сайта www.eclipse-magnetics.com

Современным воплощением такой идеи являются хорошо известные электрикам электромагнитные муфты, с помощью которых можно вращать устройства, отделенные от двигателя какой-нибудь преградой, например стеной.

До сих пор не ясен трюк с магнитом, который проделывал в своем "Храме очарований, или механическом, оптическом и физическом кабинете Гамулецкого де Колла" известный русский иллюзионист Гамулецкий. Его "кабинет", просуществовавший до 1842 г., прославился помимо всего прочего и тем, что посетители, поднимавшиеся по украшенной канделябрами и устланной коврами лестнице, еще издалека могли заметить на верхней площадке лестницы золоченую фигуру ангела, выполненную в натуральный человеческий рост, которая парила в горизонтальном положении над дверью кабинета не будучи подвешенной. В этом мог убедиться каждый желающий. Когда посетители вступали на площадку, ангел поднимал руку, подносил ко рту валторну и "играл на ней, шевеля пальцами самым естественным образом".

"Десять лет, - говорил Гамулецкий, - я трудился, чтобы найти точку и вес магнита и железа, дабы удержать ангела в воздухе. Помимо трудов немало и средств употребил я на это чудо".

По-видимому, роль атрибута иллюзионистов как нельзя более подходила таинственному камню - магниту.

На рубеже XIX и XX столетий необыкновенной популярностью пользовались так называемые спиритические сеансы. Сеансы эти проводились по-разному, однако суть их всех сводилась к тому, что спирит или медиум, ведущий этот сеанс, получал тем или иным способом "сигналы" из загробного мира. С помощью этих сигналов участники спиритических сеансов могли "связаться" с любым умершим лицом - великими полководцами и куртизанками древности, умершими родственниками и т.п. Сигналы из загробного мира были различными. Иногда это были толчки стола, на котором лежали руки людей - участников сеанса.

Секрет стола был необычайно прост - в его ножке помещалась батарея, а под столешницей - небольшой электромагнит с якорем. Лицо, ведущее спиритический сеанс, могло посредством особой кнопки замыкать цепь электромагнита, и якорь магнита ударял по столешнице.

Оглавление

Д. Дальтон и Ч. Вильсон никогда не встречались, они жили с разрывом времени порядка ста лет, но тем не менее именно их труды помогли заметить то, что не видно невооруженному человеческому глазу – движение элементарных частиц. Тут снова придется вспомнить П.Л. Капицу, предложившего совместить первый обнаружитель частиц с магнитом, что породило семейство полезнейших научных приборов...

Эту историю надо начать с Джона Дальтона (1766...1844)., того самого самоучки, который сначала преподавал математику детям в Манчестере, а потом занялся исследованиями воздуха, газовых смесей, составил первую таблицу атомных масс, изучал свойства перегретого пара.

Затем пришла пора Джеймса Прескотта Джоуля (1818...1899). Он учился дома, а к физике его приохотил именно Дальтон. Ученики знали о профессоре по «дальтонизму», цветовой слепоте, но серьезные люди слышали и о соревновании учителя с Гей-Люссаком, помогавшем самому Бертолле, летавшему над Парижем в монгольфьере, но все же отставшем от Дальтона в установлении закона расширения газа при нагревании.

Джоуль стал большим ученым. Он много и весьма успешно занимался магнетизмом. Джоуль поведал миру о существовании предела намагничивания стали, о магнитном насыщении. Джоуль измерил тепло, выделяемое электрическим током. Джоуль заметил магнитострикцию, т.е. изменение объема намагничиваемого железа.

А тем временем, словно следуя заранее известному сценарию, сотни исследователей день за днем приближали появление удивительного магнитного прибора, рождение которого никто, конечно, не мог заранее предполагать.

В 1880 г. Э. Гольдштейн отклонил пучок катодных лучей (позднее узнали, что это поток электронов), поднеся к нему магнит. Отрицательный знак заряда этих лучей определил Ж. Перрен, увязав направление магнитного поля с траекторией пучка. Его опыт уточнил Дж.Дж. Томсон, потом Дж. Лармор предсказал прецессию электронов во внешнем магнитном поле.

В конце прошлого века физики активно разрабатывали интереснейший раздел теории – строение вещества, и самыми действенными инструментами в руках исследователей оказались электрическое (оно ускоряло заряженные частицы) и магнитное (оно искривляло путь частиц) поля.

Взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли. Иллюстрация с сайта image.gsfc.nasa.gov

Сегодня каждому школьнику известно, что магнитное поле отклоняет летящий электрический заряд, ничего другого неизменное во времени магнитное поле делать не «умеет». А тогда, при жизни наших дедов и прадедов, это правило только-только обретало плоть: то Зееман расщепил магнитным полем спектральные линии (1896), то Браун построил катодно-лучевую трубку (1897), то магниты смогли отклонить лучи, испускаемые радием (1899).

В 1907 г. Дж.Дж. Томсон, только что получивший Нобелевскую премию за открытие электрона, предложил построить масс-спектрометр, сыгравший огромную роль в физике элементарных частиц. Это сейчас магниты широко применяют для исследования поведения веществ в сильных магнитных полях, для излучения гальваномагнитных, термомагнитных, магнитострикционных явлений, для получения сверхнизких температур (всего лишь на тысячную долю градуса выше абсолютного нуля) методом адиабатического (т.е. без обмена теплом между телом и окружающей средой) размагничивания. Они применяются в квантовых генераторах – мазерах и для анализа частиц по их массе в магнитных масс-спектрометрах.

Принцип магнитной спектрографии используют для разделения изотопов различных элементов. Изотопы, как известно, – это атомы одного и того же элемента, в ядрах которых содержится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Следовательно, массы ядер изотопов различны, и их орбиты при движении в магнитном поле тоже различны. Траектории движения более тяжелых ядер меньше искривлены, вследствие чего легкие и тяжелые ядра движутся в магнитном поле по разным орбитам. В сильном магнитном поле могут быть разделены даже очень «похожие» изотопы.

Магнитные спектрографы создавались как бы в три этапа. Сначала Чарльз Вильсон (1869...1959) изобрел камеру для фиксации следов пролета заряженных частиц (1912), за что много позже получил Нобелевскую премию. Вот где пригодились знания Дальтона о перегретом паре! Если резко расширить объем влажного воздуха, то он охладится, и в состоянии перенасыщения ничтожной причины достаточно для конденсации пара. Вот почему камеру Вильсона тщательно очищают от пыли, оберегают от сотрясений. Теперь достаточно одной-единственной заряженной частице пролететь через камеру, чтобы ее путь был отмечен туманным следом. Трек надо осветить, сфотографировать, и визитная карточка гостьи попадет в распоряжение ученых.

Камера Вильсона появилась, а тем временем А. Демистр по идее Дж.Дж. Томсона построил первый масс-спектрограф (1918). Через год Ф. Астон создал уже хороший аппарат: частицы не только пролетали зазор конденсатора и пятнышко между полюсами магнита, но, пройдя серию узкоориентированных щелей, попадали на фотопластинку.

Но вот магнит «встретился» с камерой Вильсона, и помог этой встрече П.Л. Капица! Дело в том, что паровая камера не могла ответить на вопрос, какая же частица пролетела. Камера Вильсона предупреждала о появлении частиц, не «опознавая» их.

Выход из этого положения был найден советским физиком П.Л. Капицей, опубликовавшим в 1923 г. в журнале Кембриджского философского общества небольшую статью, в которой описывал некоторые эксперименты по наблюдению, следов альфа-частиц в камере Вильсона. Установка П.Л. Капицы представляла собой камеру Вильсона, помещенную в сильное магнитное поле. Что это давало? Мы знаем о том, что в магнитном поле любая заряженная частица движется по кривой, радиус которой обратно пропорционален напряженности магнитного поля и прямо пропорционален массе частицы и ее скорости. Таким образом, зная напряженность магнитного поля и измерив радиус трека частицы в камере Вильсона, можно узнать ее массу и энергию.

Идея П.Л. Капицы о магнитной камере Вильсона нашла приверженцев. Среди них был и американец К. Андерсон, который в 1932 г. поместил камеру Вильсона внутри крупного электромагнита со стальным сердечником и полем около 2 Тл. Полюсы магнита были сконструированы таким образом, что создаваемое магнитное поле оказалось совершенно однородным, т.е. во всех точках камеры поле было одинаковым. Это давало возможность более точно определять энергию частиц. Андерсона кроме энергии интересовали еще и знаки заряда частицы. При заданном направлении магнитного поля и известном направлении движения положительно заряженные частицы будут отклоняться в одну сторону, а отрицательно заряженные – в другую.

Исследуя вильсонограммы (так иногда называют фотографии следов в камере Вильсона) космических лучей, Андерсон внезапно увидел поразительную вещь: частица, по импульсу аналогичная электрону, отклонялась магнитным полем так, как если бы она была заряжена положительно. Андерсон твердо знал, что электрон так отклоняться в магнитном поле не может, поскольку он обладает отрицательным зарядом и должен отклоняться в противоположную сторону.

Противоречия можно было бы примирить, если бы приписать этому «электрону» положительный заряд. Существование «антиэлектрона», обладающего положительным зарядом, было предсказано в 1928 г. молодым английским физиком Полем Дираком на основе анализа «квантовых» уравнений движения электрона.

Частица, открытая Андерсоном, действительно оказалась антиэлектроном, или, как его теперь называют, позитроном. Это была первая обнаруженная человеком частица из антимира. Ее открытие было бы крайне затруднительно без сильного магнитного поля, без мощного магнита. Так, академик Д.В. Скобельцын, напавший на след позитрона гораздо раньше Андерсона, упустил его, поскольку магнит Скобельцына давал поле лишь 0,3 Тл.

Камера Вильсона была незаменимым лабораторным устройством до тех пор, пока энергии (скорости) излучаемых в ней частиц были относительно невелики. Но в 50-х годах в СССР, США и других странах вступили в строй гигантские ускорители, способные сообщать частицам колоссальную скорость. Энергия частиц была при этом столь велика, что они беспрепятственно пронизывали камеру Вильсона и почти не отклонялись магнитным полем. Это и не удивительно – камера Вильсона заполнена газом, почти не представляющим собой преграды для частиц. Частицы столь больших энергий необходимо было исследовать по-другому.

Камеру Вильсона Капица «доделал» основательно, но резервы ее улучшения уже иссякали. В 1948 г. Нобелевскую премию получил П. Блэкетт, который пристроил к камере Вильсона множество счетчиков элементарных частиц, которые при необходимости включали камеру и отключали ее, когда она простаивала без дела. Но гораздо более серьезное предложение сделал американец, физик Дональд Глезер, ученик Андерсона. И если Андерсон открыл позитрон-антиэлектрон, то заслуга Глезера была не меньше: он открыл «антикамеру Вильсона» – пузырьковую камеру.

Поучительна история этого открытия. Поучительна потому, что она еще раз убедительно показывает, что человек, одержимый какой-то идеей, способен видеть в известных вещах только ему одному понятные явления, улавливать лишь для него очевидные ассоциации, приводящие в конце концов к открытию.

Дональд Глезер в течение долгого времени мучительно искал материал, твердый или жидкий, находящийся в таком неустойчивом равновесии, которое могла бы нарушить даже одна-единственная атомная частица. В этом случае частица, непредставимо эфемерная, могла бы оставить за собой видимый глазом след, который состоял бы, например, из пузырьков испарившейся жидкости. Временами Глезер терял надежду – слишком ничтожной казалась вероятность испарить энергией единственной частицы заметное количество жидкости.

Однажды Глезеру попалась на глаза тридцатилетней давности статья Кенрика, Гильберта и Визмера о «странной жидкости» – диэтиловом эфире, нагретом до 140°С. «Странность» жидкости заключалась в том, что при этой температуре она обязательно бурно вскипала, однако всегда через различные промежутки времени. Проведя тридцать экспериментов, авторы убедились в том, что промежутки времени перед вскипанием этой «капризной» жидкости образовывали ряд, соответствующий закону случайных событий.

Глезер засел за расчеты, которые показали, что частота вскипания жидкости в точности соответствует возможности попадания в колбу космических лучей, т.е. отдельных атомных частиц с высокой энергией. Так была открыта первая жидкость, пригодная для использования в пузырьковой камере, за создание которой Глезер получил в 1960 г. Нобелевскую премию.

Пузырьковая камера действительно может быть названа «антикамерой Вильсона»: если в камере Вильсона след частицы составлен капельками жидкости, осевшими на ионизированных атомах, то в пузырьковой камере, наоборот, след состоит из пузырьков газа, образовавшихся в исходной жидкости за счет тепла, выделенного при образовании заряженных ионов. В пузырьковой камере применяют органические жидкости или ожиженные газы. Первая лабораторная модель камеры была с наперсток. Сегодня полезные объемы пузырьковых камер различны – от нескольких долей литра до нескольких сот литров. Различаются и магниты, используемые с этими камерами. Для советской фреоновой камеры диаметром 115 см и глубиной 50 с изготовлен магнит с полем 2,65 Тл и массой 72 т.

Существуют еще более крупные камеры и магниты. В США построена, например, жидководородная пузырьковая камера объемом 600 л. В Советском Союзе, в Дубне пущена крупнейшая в мире пропановая камера диаметром 2 м. Эта камера установлена на одном из антипротонных каналов дубнинского синхрофазотрона.

Довольно крупная жидководородная камера диаметром около 5 м «Мирабель» установлена в Протвино на Серпуховском ускорителе для фиксации последствий удара протонов, ускоренных до 76 ГэВ, в ядро-протон атома водорода. Именно камеры такого типа дают две трети всей новой информации об элементарных частицах, поэтому нет ничего удивительного в готовности физиков идти на любые расходы по созданию магнито-жидководородных регистраторов. «Мирабель», например, выглядит трехэтажной башней, в центре которой расположена камера, окруженная сложными инженерными сооружениями, куда входит магнит, ожижитель водорода (–246°С!), системы автоматического управления режимами и измерений. Полученная информация использовалась для совместной работы советских ученых и физиков из Французского центра ядерных исследований в Саклэ.

В последнее время для создания пузырьковых камер, особенно больших, широко используют сверхпроводниковые магниты. Это позволяет резко снизить размеры, массу и энергопотребление магнитной системы. В недалеком будущем такие системы, по-видимому, будут обходиться и дешевле обычных.

Оглавление

И вновь рассказ про П.Л. Капицу; про «открытого» им физика, в свою очередь сделавшего открытие, связанное с электромагнетизмом электронов.

Настольный ЭПР спектрометр RI Model 8400 с электромагнитом. Иллюстрация с сайта www.resonanceinstruments.com

О применении магнетизма можно рассказывать много, но никак нельзя умолчать об открытии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Дело было так.

После революции магнитная лаборатория Московского университета, которой было присвоено имя Максвелла, вписала яркие главы в теорию магнетизма. Еще в 1913 г. ученик П.И. Лебедева В.К. Аркадьев заметил первый магниторезонансный эффект – поглощение ферромагнетиками высокочастотных электромагнитных колебаний.

«Исследования полного спектра вещества, – писал Аркадьев, – открывают перед нами возможность проникнуть в геометрическое распределение зарядов отдельных атомов и молекул, изучить строение их и подойти к решению самых разнообразных физико-химических вопросов, Эта огромная задача, которую электронная теория материи ставит спектральному анализу, открывает спектроскопии широкое поле интересной и плодотворной работы, но она требует для своего решения ряда систематически проведенных исследований в разных частях спектра... Ближайшей задачей является определение полос поглощения по всей доступной нам шкале электромагнитных волн...»

ЭПР спектрометр Bruker EMXplus с электромагнитом. Иллюстрация с сайта www.bruker-biospin.de

Это все та же великая лебедевская программа изучения процессов взаимодействия излучения с веществом. Работы Аркадьева вызвали большой интерес. П. Эренфест писал ему в Москву 20 июня 1913 г.: «Я вчера рассказывал о Ваших магнитных работах Вейссу и Эйнштейну. Оба проявили большой интерес к Вашим опытам и к Вашим идеям».

Е.К. Завойский начал свои исследования еще до войны, в 1939 г., и уже в мае 1941 г., экспериментируя на протонах, впервые с группой коллег наблюдал странные сигналы, которые из-за старого, то и дело замыкающего электромагнита, носили нерегулярный характер. Война прервала работы, провести контрольные опыты не удалось, материалы не были опубликованы. А эти сигналы подавала им природа, готовая поведать ученым об одном из заветнейших ее секретов. За открытие ядерного магнитного резонанса американские физики Ф. Блох, Р. Паунд и Е. Пэрселл были удостоены в 1946 г. Нобелевской премии по физике.

Во время войны Завойский, изучая поглощение радиоволн парамагнетиками, обратил внимание на явно выраженный максимум поглощения, смещавшийся в сторону более сильных магнитных полей при повышении частоты волн, – это определенно указывало на резонансную природу эффекта.

В 1943 г. из эвакуации в Москву возвращается П.Л. Капица (опять Капица, патриарх магнетизма XX века!). Он привез с собой Е.К. Завойского, который в ту пору заведовал кафедрой физики Казанского университета имени В.И. Ульянова-Ленина. Без сильных сотрудников, с плохеньким оборудованием ему удалось открыть ЭПР! Парамагнетик мог поглощать энергию, когда при некоторых частотах поля электроны «переворачивались» другим, высокочастотным полем. Как тут не вспомнить про исследования Столетова, изучавшего намагничивание мягкого железа!

3-мм ЭПР спектрометр Bruker E600 со сверхпроводящим соленоидом. Иллюстрация с сайта www.bruker-biospin.de

Капица предложил Завойскому продемонстрировать эффект на оборудовании Института физических проблем в Москве и исследовать эффект при низких температурах. Вместе с Завойским над созданием экспериментальной установки работал будущий академик А.И. Шальников.

В 1974 г., когда праздновали восьмидесятилетие П.Л. Капицы, Е.К. Завойский преподнес ему в качестве подарка макет своей знаменитой теперь установки. Вот какой текст сопровождал подарок:

«Глубокоуважаемый Петр Леонидович!

Вы – первый физик, оценивший электронный парамагнитный резонанс. В день Вашего юбилея в память об этом прошу принять Вас то, что сохранилось... 1946 г. Институт физических проблем. Подвал. Установка по изучению ЭПР в диапазоне длин волн 10 см на клистроне, собранная из деталей: клистрон – американский, высокочастотный кабель – немецкий. Остальная аппаратура была отечественной. Не все сохранилось. Но в памяти осталась атмосфера дружелюбия. Вы и Александр Иосифович Шальников во многом определили счастливую судьбу ЭПР. 1974 г.

Ваш Е.К. Завойский»

Открытие Завойского сильно продвинуло исследования, которые позднее привели к созданию мазеров и лазеров, а также способствовали обнаружению новых, близких по природе к ЭПР, физических эффектов – ядерного парамагнитного резонанса, ферромагнитного и антиферромагнитного резонанса, акустического парамагнитного резонанса и др. За свое открытие Завойскому в 1957 г. была присуждена Ленинская премия.

Оглавление

Еще Демокрит был уверен, что, разрезая яблоко пополам, половинки – еще пополам, четвертинки – снова пополам и так далее, можно дойти до мельчайших «атомов» материи. Древнегреческий философ был прав; на 90-м раздвоении перед ним «лежало бы» два атома. Но где взять «нож» для столь тонких разрезов? Сегодня нужные инструменты есть, к их созданию причастны великий Лоуренс и не менее великий Векслер, трудами которых вошли в практику ускорители элементарных частиц. Существование последних без магнитов немыслимо.

О людях эпохи, об уровне развития ее науки и искусства мы судим прежде всего по сохранившимся памятникам. Египетские пирамиды, римские акведуки, русские иконы, флорентийские фрески, пещеры Аджанты, средневековые европейские соборы, более близкие к нам по времени плотины и телескопы являются уникальными символами ушедших эпох, подчас точнее воссоздающими те времена, чем пухлые тома хроник. А среди памятников, которые оставит после себя наш беспокойный век, быть может, наиболее яркими будут заброшенные к тому времени гигантские ускорители, которые, как нельзя лучше, характеризуют ядерный век: состояние его науки, техники, искусства, его материальные возможности и даже отношения между людьми и народами. Ускорители – это пирамиды нашего века... Люди, причастные к этим творениям, окружены заботой и вниманием; на них смотрит с восхищением весь мир; они находятся на самом переднем крае человеческих знаний и мастерства; перед ними неизведанные глубины вечности, космоса, материи, человеческой души... Счастливы те известные и безвестные избранники, которые создают современные ускорители – пирамиды ядерного века...

Это очень человеческая черта – присваивать одной яркой и незаурядной личности заслуги, которые правильнее было бы отнести ко многим.

Принцип работы циклотрона, патент США 1948384 Э.О. Лоуренса (Ernest O. Lawrence). Иллюстрация с сайта en.wikipedia.org

Так стало с Эрнестом Лоуренсом – «изобретателем» циклотрона. Как Колумб не открыл Америки, так Лоуренс не изобрел циклотрона – ускорителя атомных частиц, который за короткое время, благодаря неутомимому любопытству физиков, вырос до исполинских, невероятных прежде размеров. До Лоуренса, вместе с Лоуренсом и после него было много талантливых ученых, которые были бы вправе разделить с ним честь открытия. Так, можно было бы упомянуть харьковских физиков, испытавших на два года раньше Лоуренса устройство, напоминавшее циклотрон. Можно упомянуть и многих других. Но спросите любого физика: «Кто изобрел циклотрон?» И он ответит без колебаний: «Лоуренс».

Человек, который бы вдруг оказался на захламленной территории Калифорнийского университета в 1932 г., мог заметить небольшое, буквально разваливающееся на глазах здание, размещавшееся на пути в учебные химические лаборатории. Из здания доносился натужный вой генераторов, сыпались искры, тлели огоньки в ртутных выпрямителях. Все вокруг было залито светом мощных ламп. Суетились какие-то люди. Здесь создавался циклотрон. Руководил работами Лоуренс.

Жизнь Эрнеста Лоуренса напоминает жизнь «типичного» счастливчика. Да, у Лоуренса были все основания считаться счастливым. Как и большинство известных физиков своего времени, он учился в нескольких университетах: Миннесотском, Чикагском и Йельском. Еще раньше, в школе, его интерес к физике был поддержан учителем Эйкли. В Йельском университете Лоуренс получил степень доктора философии (примерно соответствует степени кандидата физико-математических наук) за его исключительные способности к экспериментированию. Так, во время обучения в Йельском университете еще в 1925 г. он предложил принципы осуществления цветного телевидения, а позже самостоятельно построил такой телевизор (В 1965 г. японскими фирмами был выпущен в продажу цветной транзисторный телевизор, работающий по принципу, предложенному Лоуренсом.), предложил способ измерения отрезков времени порядка одной миллионной доли секунды и т.д.

Особый интерес Лоуренса вызывало в то время ускорение ионов. Как это сделать? В книге одного из наиболее известных создателей уникальных советских ускорителей Е.Г. Комара «Ускорители заряженных частиц» сопоставляются различные методы ускорения вещества. Действительно, что значит ускорить частицу, придать ей энергию? Это значит увеличить ее скорость. Бросая камень, вы ускоряете заряженные частицы, входящие в атомы камня. Ускорить частицы можно и другим способом, например, выстреливая ими из ружья.

Рассмотрим этот случай. Пусть пуля массой 100 г летит со скоростью 1 км/с. Какова кинетическая энергия пули? Она может быть рассчитана по известной формуле: E = mv²/2 = 100 ·10¹⁰/2 эрг = 3,13·10¹⁷ МэВ. Казалось бы, стрельба – идеальный метод для ускорения частиц, поскольку с небольшими затратами мы получили огромную энергию. Однако все обстоит не так просто. Эта колоссальная энергия распределяется между частицами, и энергия каждой частицы в отдельности, определяющая интенсивность ядерных превращений, будет, конечно, ничтожной. Так, на каждый протон такой системы приходится всего 0,005 эВ энергии, чего, естественно, совершенно недостаточно.

А что, если увеличить скорость пули? Скорость стоит в формуле для энергии в квадрате и сильно влияет на степень ускорения. Расчеты, однако, показывают, что увеличение скорости даже до космической также не приводит к достижению достаточной энергии элементарных частиц.

Может быть, использовать для ускорения частиц идею, положенную в основу работы всех электродвигателей? Пусть у нас будет очень длинный электромагнит – порядка нескольких километров с полем в зазоре около 2 Тл. Если теперь в зазоре этого электромагнита разместить проводник с током, то проводник начнет двигаться. К концу своего движения он может приобрести значительную энергию, если, конечно, не расплавится (чем большее хотим получить ускорение, тем большую плотность тока в проводнике мы должны обеспечить). Это расплавление происходит в обычных проводниках уже при скорости 10⁷ см/с, его явно недостаточно для ускорения при высоких энергиях.

Наиболее эффективным методом ускорения заряженных частиц оказывается их ускорение в электрическом поле. Под влиянием разности потенциалов 1 млн В частица приобретает энергию 1 МэВ.

Однажды, занимаясь в библиотеке, Лоуренс прочитал статью немецкого автора о двух вакуумированных трубках, между которыми было электрическое поле. Заряженная частица, перескакивая из трубки в трубку, значительно увеличивала свою энергию.

«А почему бы, – подумал Лоуренс, – – не соединить подряд четыре, десять, сто трубок? Тогда мы могли бы в соответствующее число раз увеличить и энергию частицы, может быть, довести ее до такой, которая будет достаточной, чтобы разбить атом?.. Наверное, это возможно... Но тогда установка будет очень длинной, может быть, несколько километров в длину... А что, если свернуть эти трубки в спираль? Тогда их можно будет разместить на небольшом пространстве... Но частицы движутся прямолинейно... Как заставить их бежать по спирали? Частицы движутся прямолинейно не всегда: попав в магнитное поле, частицы начинают двигаться по кругу... Значит, нужно применить магнитное поле – разместить эту спираль из трубок между полюсами магнита...»

Так Лоуренс открыл принцип действия циклотрона. Это открытие оказало сильнейшее влияние не только на жизнь самого Лоуренса, но и на дальнейшее развитие ядерной физики.

Однако идея – это еще не все. И хотя две небольшие модели, построенные Лоуренсом, свидетельствовали о правильности нового принципа, нужно было довести этот принцип до возможности его практического использования. В течение пяти лет Лоуренс вместе со своими студентами работает над проблемами обеспечения сверхвысокого вакуума, создания мощных высокочастотных генераторов, подбора магнита.

Нужно было спешить. Ускорители того времени уже давали протоны с энергией до 0,8 МэВ. Согласно работам Эрнеста Резерфорда и некоторым выводам квантовой механики, протоны с энергией около 1 МэВ должны расщеплять атомы. Честь первым расщепить атом была настолько заманчивой, что за нее с колоссальным энтузиазмом соревновались несколько всемирно известных лабораторий.

Под руководством Резерфорда работали Кокрофт и Уолтон в Кембридже, самые «опасные» для Лоуренса соперники. Манера исследования Резерфорда заключалась в максимальной простоте, изяществе и чистоте опытов.

На горе Дженеросо в Швейцарии европейские физики Браш, Ланж и Урбан для ускорения протонов попытались использовать молнию, что дало бы им сразу весьма значительный перевес, поскольку разность потенциалов, которую можно было получить с помощью молнии, очень велика и частицы были бы ускорены молнией до 15 МэВ и выше. Исследователи натянули между соседними скалами металлическую сетку. Во время грозы на этой сетке скапливался значительный положительный заряд. Однажды ученым удалось получить искусственную молнию длиной около 5 м. Это означало, что достигнута энергия 10 МэВ. Однако такое достижение обошлось очень дорого: в результате несчастного случая погиб доктор Урбан...

Тем не менее соревнование продолжалось. И Лоуренс надеялся быть первым. Он всегда улыбался. Он не признавал никаких препятствий: ни финансовых, ни научных, ни технических. Он игнорировал трудности экспериментального и, что гораздо опасней, теоретического характера.

Небольшое деревянное здание, в котором производились первые эксперименты Лоуренса, дало начало грандиозной радиационной лаборатории в Беркли, раскинувшейся на берегу моря на живописных холмах Сан-Франциско, где впоследствии был установлен гигантский фазотрон, на котором сделано одно из волнующих открытий нашего времени – открыт антипротон.

Магнит циклотрона в Lawrence Hall of Science. Иллюстрация с сайта en.wikipedia.org

«Антимир начинается в Беркли», – с гордостью говорили берклийцы следующих поколений. Но когда Лоуренс приступал к строительству первого циклотрона, у него были только идея, тысяча долларов и уверенность в том, что он все может, уверенность, не такая уж необоснованная, для «счастливчика».

Первое, с чего нужно было начать, – сделать магнит. Однако такой традиционный подход потребовал бы слишком много времени, и поэтому Лоуренс купил громадный восьмидесятитонный магнит, залежавшийся на складе и ранее предназначавшийся для не выкупленного заказчиком радиопередатчика; Лоуренсу удалось приобрести его буквально за гроши.

Отсутствие радиодеталей восполнялось за счет собственных старых радиоприемников, «заимствования» бесхозных приемников и радиодеталей, а то и просто в результате посещения ближайших свалок.

Механические детали физики делали сами или заказывали на небольших заводах. Вакуумная камера первого циклотрона представляла собой сплющенную в пламени горелки лабораторную, колбу.

Помогали Лоуренсу в основном студенты. Это, естественно, не было их основным занятием, а потому все было направлено на то, чтобы изготовить циклотрон как можно быстрей. Очень часто работы велись ночью, и перерыв делался лишь в четыре часа утра, когда уставшие студенты и их руководитель шли перекусить в ближайший ночной ресторан «Белая таверна». Все в лаборатории делалось только бегом. Лоуренс был полон энергии и оптимизма, он не замечал мелких неполадок и ошибок и акцентировал внимание только на успехах. Казалось, что его высокую и плотную фигуру можно было видеть сразу в нескольких местах. Его звали «маэстро» за виртуозность в экспериментах и абсолютно точные и уверенные советы, которые он давал сотрудникам. В то же время Лоуренс стремился, чтобы каждый работал творчески и разделял радость открытия, которое, однако, впоследствии будет приписано только ему одному, великому «маэстро».

В 1932 г. первый в мире циклотрон был построен. Он давал пучок протонов с энергией 1,2 МэВ, т.е. намного превосходящей ту, при которой атомы могли быть расщеплены. Но Лоуренс опоздал...

Кокрофт и Уолтон, ученики Резерфорда, использовав принципиально другой метод исследования и получив пучок с энергией всего лишь 0,7 МэВ, уже добились в Кавендишской лаборатории искусственного расщепления атома...

Это было для Лоуренса жестоким, но полезным уроком. Он решает теперь направить свои усилия на совершенствование циклотрона и увеличение энергии частиц, получаемых с его помощью, прекрасно понимая, что увеличение энергии частиц даст возможность заняться вопросами взаимодействия частиц, открывающими путь к познанию законов атома. Открытие сделано, теперь необходимо добиваться систематических и достоверных результатов. Вот что по этому поводу говорил Джозеф Томсон, который, по выражению П.Л. Капицы, «из всех физиков конца прошлого и начала этого века сделал самые фундаментальные открытия (открыл электрон и изотопы), в своей книге «Воспоминания и раздумья».

«...Обычно не первый шаг в открытии нового физического явления стоит больших денег. Так, открытие Рентгеном Х-лучей, или Кюри радия, или продолжительные опыты Ч.Т. Вильсона над образованием капелек на частицах, заряженных электричеством, – все они стоили ничтожные суммы. Открытия, подобные этим, обязаны тому, что не может быть куплено, – именно остроте и силе наблюдательности, интуиции, непоколебимому энтузиазму до окончательного разрешения всех затруднений и противоречий, сопутствующих пионерской работе. Когда первоначальное открытие сделано, наблюдаемый эффект очень мал и требует целого ряда длительных опытов для получения достоверных результатов. Вот это стремление добиться большого эффекта и стоит дорого. Это может означать затрату многих тысяч фунтов стерлингов для постройки сильных магнитов, или же для получения электродвижущих сил во много сот тысяч вольт, или же для приобретения больших запасов радия. Но все эти деньги хорошо израсходованы, так как они дают нам возможность добиваться новых знаний гораздо быстрее и с большей достоверностью».

Академик П.Л. Капица сделал по этому поводу такое сравнение:

«Когда Колумб отправился в экспедицию, результатом которой было открытие Америки, он ехал на простом маленьком фрегате, на лодчонке, с современной точки зрения. Но чтобы освоить Америку как страну, потребовалось построить большие корабли, как «Лузитания», «Титаник», и это полностью себя оправдало».

Если первый циклотрон Лоуренса стоил 1 тыс. дол., то синхротрон на 6 тыс. МэВ – 3 млн. дол., а синхротрон Брукхейвенской лаборатории на 30 тыс. МэВ – уже 34 млн. дол. Если при постройке первого циклотрона у Лоренса было всего несколько помощников-студентов, то впоследствии в радиационной лаборатории штат возрос до нескольких тысяч человек.

Сам Лоуренс в свои 38 лет стал одним из признанных великих физиков. Один из его друзей в день получения Лоуренсом Нобелевской премии шутливо телеграфировал ему: «Дорогой Эрнест, ты подаешь некоторые надежды в смысле карьеры...» Вот уже поистине, анекдоты, как сказал Вольтер, есть колоски, остающиеся на поле истории, когда урожай собран.

Какие же задачи призваны решать столь большие коллективы на этих громадных магнитах, перевозимых в нескольких железнодорожных составах и располагающихся в подземных галереях? Член-корреспондент АН СССР Д.И. Блохинцев говорил, что в развитии физики XX века можно выделить три этапа: изучение атома, изучение атомного ядра и, наконец, изучение структуры элементарных частиц. Наряду с продолжением второго и первого этапов сейчас ведутся интенсивные исследования на третьем этапе.

Ускорители имеют в этом смысле двоякое значение. Во-первых, при взаимодействии ускоренных частиц с ядрами других элементов возникают новые частицы, еще не известные науке. Во-вторых, ускоренные частицы, согласно представлениям квантовой механики, можно трактовать как волны определенной длины, причем длина волны тем меньше, чем больше энергия ускоренной частицы. Из физики также известно: с помощью любых волн можно «видеть» лишь те предметы, линейные размеры которых больше длины волны. В противном случае волна «не заметит» препятствия. Поэтому для исследования структуры мелких объектов микромира необходимо иметь волны с возможно меньшей длиной, т.е. максимально ускоренные частицы.

Для решения задач, связанных с исследованиями структуры пространства (не обладает ли пространство квантовыми свойствами?) на расстоянии 10^–15 см и меньше, а также структуры времени (может быть и время течет не непрерывно, а некоторыми порциями?) в промежутках, равных 10^–25 с и менее, необходимы ускорители частиц на энергию 1 млн. МэВ (почти в 1 млн. раз больше энергии, полученной Лоуренсом в 1932 г.).

С помощью новых мощных ускорителей ученые надеются разрешить многие вопросы. Почему природа избрала именно водород элементом, из которого синтезированы все остальные? Почему материя устойчива? Почему электрический заряд электрона точно равен противоположному по знаку заряду протона? Почему этот заряд равен именно 1,6·10^–19 Кл? Почему протон тяжелее электрона именно в 1846 раз? Не могут ли оказаться гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия лишь различными аспектами единой физической реальности?

Существует ли «пятая сила», кроме перечисленных?

Есть ли в природе монополи – частицы, имеющие только один магнитный полюс и эквивалентные электрическим зарядам? Наконец, можно ли обнаружить «бесы» – кварки, из которых, быть может, состоят все «элементарные» частицы? Не может ли время течь в обратную сторону? Все эти вопросы касаются самых глубин нашего миропонимания.

Профессор Роберт Оппенгеймер, в свое время глава американского атомного проекта, не исключал, что в процессе экспериментов на таких грандиозных ускорителях могут быть сделаны просто потрясающие открытия. Кто сказал, например, что причина всегда предшествует следствию?

«Неизвестно, будет ли иметь смысл традиционное причинное описание событий, т.е. описание, при котором будущее зависит от прошлого непрерывно прослеживаемым образом. В хорошо изученных областях энергии не замечено ничего, что делало бы такие представления о пространстве, времени и причинности неправильными. Высокий уровень энергии запланированных ускорителей поможет разрешить эти вопросы».

Упоенные успехами, Лоуренс и его помощники сразу же после запуска первого циклотрона заложили новую гигантскую машину – «циклотрон-мамонт», «циклотрон-гигант», «циклотрон-монстр». На постройку его были выделены колоссальные средства. Сотни людей участвовали в строительстве.

Квадрупольное магнитное устройство, используемое для фокусировки пучка частиц. Иллюстрация с сайта en.wikipedia.org

И вот циклотрон-колосс построен. Мерцающие полированные плоскости его гигантских многометровых магнитов уже готовы к тому, чтобы между ними начал вращаться рой атомных частиц, ускоренных до гигантской по тем временам энергии – 60 млн. эВ.

Но что произошло? Почему проектировщики торопливо проходят мимо еще не пущенного гиганта, стараясь не глядеть на него? Почему все разговоры о махине, сожравшей миллионы, встречают холодное молчание?

При уточнении расчетов выяснилось, что вся эта масса металла бесполезна – лоуренсовский циклотрон в силу присущих ему особенностей и в соответствии с неумолимой теорией относительности в принципе не может давать частицы энергией выше 25...30 МэВ.

Масса любой частицы возрастает при приближении скорости частицы к скорости света. Но частица с большей массой менее подвижна – она начинает отставать от частиц с меньшей энергией и запаздывает к ускоряющему промежутку, т.е. попадает к нему в тот момент, когда ускоряющее электрическое поле мало или направлено навстречу частице и тормозит ее. Все попытки вырваться из этого порочного круга были тщетны. Ненужный многотонный магнит несостоявшегося рекордного циклотрона пылился в лаборатории уже более четырех лет, когда появились статьи Векслера, где впервые была высказана идея «автофазировки», с помощью которой можно теоретически безгранично повышать энергию частиц, получаемых в ускорителях. Может быть, только физики в состоянии оценить эстетическую сторону этого нового принципа. Частицы сами по себе, повинуясь влиянию электрического поля изменяющейся частоты, приходят к ускоряющему промежутку как раз в тот момент, когда это необходимо – ни на мгновение раньше, ни на мгновение позже.

Те самые исторические три статьи, подписанные до того неизвестным именем – В.И. Векслер – появились в 1944 г. в журнале «Доклады Академии наук СССР». Эти статьи открыли новую эпоху в создании ускорителей.

«Нельзя ли использовать это «вредное» для циклотрона нарастание массы частиц при увеличении их скорости в наших целях? – так писал Векслер. – Иными словами, нельзя ли создать такие условия, при которых период обращения частиц, по крайней мере в среднем за много оборотов, автоматически поддерживался бы всегда равным периоду ускоряющего переменного поля именно за счет возрастания энергии частиц? Если бы нам удалось осуществить это требование, то очевидно, что важный для ускорения резонанс мог бы сохраняться сколь угодно долго, т.е. можно было бы ускорять частицы до сколь угодно больших энергий».

Идея Векслера сводилась к тому, чтобы при росте массы частиц повышалось и магнитное поле, что уменьшало бы радиусы их орбит: «При каждом прохождении через щель частицы испытывают разное приращение массы (и соответственно разное приращение радиуса, по которому их заворачивает магнитное поле) в зависимости от напряжения поля между дуантами в момент ускорения данной частицы. Оказывается, что среди всех частиц имеются такие выделенные «удачливые» частицы (они обычно называются равновесными). Для этих равновесных частиц механизм, автоматически поддерживающий постоянство периода обращения, особенно прост.

«Удачливые» частицы при каждом прохождении через щель дуантов испытывают приращение массы и увеличение радиуса окружности. Оно точно компенсирует уменьшение радиуса, вызванное приращением магнитного поля за время одного оборота. Следовательно, «удачливые» (равновесные) частицы могут резонансно ускоряться до тех пор, пока происходит возрастание магнитного поля».

Удивительна, почти неправдоподобна судьба академика В.И. Векслера. Семи лет, в начале первой мировой войны, остался он без отца, погибшего на фронте, и в 1921 г. во время голода на Житомирщине, страшной разрухи, навсегда бросил свой сиротский дом и один, без денег оказался в Москве. Он становится беспризорником. Ночует, греясь у асфальтовых чанов, на Хитровом рынке. Во время одной из облав его забирает милиция и направляет в детский дом имени Коминтерна, в дом-коммуну, устроенную в старинном, покинутом хозяевами особняке в Хамовниках.

В том доме поселились 25 бывших беспризорных. Жизнь их была строго регламентирована: ранний подъем, кухонные работы, уборка, завтрак, школьные занятия, обед. Вечером в коммуне работали всевозможные кружки. После ужина в точно обусловленное время – сон. В доме-коммуне царили свои законы. По всем вопросам жизни решение принимали на общем собрании, и оно не подлежало обсуждению, критике и обжалованию.

Здесь, в коммуне, Владимир Векслер необычайно увлекся физикой и однажды поразил своих друзей тем, что сам построил детекторный радиоприемник.

Он оказался прирожденным общественником, всегда был впереди, не пропускал ни одного культурного мероприятия, ни одного посещения театра; он – активный участник антирелигиозной пропаганды, всевозможных коллективных выходов, работ на общественных огородах.

Владимир довольно прилично окончил школу и в 1925 г. был отправлен Хамовническим райкомом комсомола Москвы электромонтером на фабрику имени Свердлова. Там он проработал более двух лет и, разумеется, отлично проявил себя как с производственной, так и с общественной стороны. Завод дал ему комсомольскую путевку в институт. В то время шла кампания по совершенствованию вузовской работы, полная всяческих перемен и реформ, частых изменений программ и профилей обучения. Так и получилось, что В.И. Векслер, поступив на очное отделение Плехановского института народного хозяйства, окончил в конце концов экстерном в 1931 г. Московский энергетический институт, получив диплом инженера-электротехника. Его узкой специальностью стало рентгеновское оборудование.

К этому времени он работал во Всесоюзном электротехническом институте, в лаборатории рентгеноструктурного анализа, где разрабатывал методы измерения ионизирующего излучения, собственными руками изготовляя нужные установки. Один из его учеников вспоминал впоследствии: «Почти 20 лет он сам собирал, монтировал различные придуманные им установки, никогда не чураясь любой работы. Это позволило ему ясно видеть не только фасад современной физики, не только ее идейную сторону, но и все, что скрывается за окончательными результатами, за точностью измерений. Весьма характерно, хотя это и не единственный в истории науки пример, что один из крупнейших современных физиков по образованию инженер. Правда, к В.И. Векслеру не следует подходить с обычной меркой. Формальный образовательный ценз для него очень мало значил. Он всю жизнь учился и переучивался. И до самых последних лет жизни, вечерами, в отпуске, он тщательно изучал и конспектировал теоретические работы. Многократные длительные поездки из Дубны в Москву он также использовал для бесед на научные темы и учебу.

В 1936 г. в жизни Векслера произошло важное событие. Им заинтересовались молодые сотрудники Физического института Академии наук (ФИАН) И.М. Франк, П.А. Черенков, Л.В. Грошев.

И вот И.М. Франк предложил ему сделать доклад на семинаре, потом Векслера пригласили к С.И. Вавилову, последовало обучение в докторантуре ФИАН.

Поначалу Векслер занялся космическими лучами, потом пришлось заняться лоуренсовским циклотроном. Построить циклотрон, подобный лоуренсовскому, оказалось делом нелегким. Хотя уже в середине 30-х годов циклотрон с диаметром полюсных наконечников примерно в метр, как у Лоуренса, был создан в Ленинграде, только к 40-му году, благодаря кипучей энергии И.В. Курчатова и его коллег, удалось запустить в работу первую в Европе «атомную дробилку», как тогда называли циклотрон. Вавилов понимал, что глубокие исследования в области ядерной физики невозможны без постройки мощного ускорителя. Уже в то время он предложил создать самый крупный в мире ускоритель, диаметр полюсных наконечников которого должен был составить несколько метров. Многим и через тридцать лет такое смелое решение казалось невероятным. Но оно было принято и начало воплощаться в жизнь. Была укомплектована циклотронная бригада. В нее вошли В.И. Векслер, С.Н. Вернов, Л.В. Грошев, П.А. Черенков и Е.Л. Фейнберг. Тут же П.А. Черенков и С.Н. Вернов стали изготавливать модель будущего циклотрона. Подобрали магнит, еще небольшой, с диаметром полюсов около тридцати сантиметров, тщательно обработали полюсы. Продолжению этих работ помешала война».

Вновь эта идея возникла в 1943 г., когда для осуществления советской атомной программы потребовалось создать мощный ускоритель, настолько мощный, что принцип циклотрона Лоуренса уже не годился. Полностью идея нового ускорителя созрела у Векслера на рубеже 1944 г. Уже в начале 1944 г. С.И. Вавилов собрал в своем директорском кабинете экстренное заседание Ученого совета. Там Векслер сделал свое сообщение. Обсуждение было бурным. Предложение Векслера казалось фантастическим, нереализуемым. Но – физически неуязвимым...

«Сотрудников В.И. Векслера, – вспоминает профессор М.С. Рабинович, – всегда поражала его не столько потрясающая работоспособность, сколько не знающая удержу фантазия. Беседуя со своими учениками, он часто говорил: «У меня есть некоторая идея, которую я хотел бы обсудить». Начинался жаркий спор. Идея подвергалась ожесточенной критике. Температура дискуссии быстро поднималась. Все присутствующие изо всех сил старались опровергнуть новое предложение. Спор продолжался и в следующие дни. Иногда, чтобы разобраться, требовалась большая теоретическая работа. После такой работы спор продолжался. На возражения следовали контрвозражения. Для нас – учеников В.И. Векслера – такой метод разработки различных физических идей явился превосходной школой. Она много давала, но одновременно и много требовала. Не каждый мог выдержать такую работу в течение многих лет, но можно назвать многих ученых, которые прошли подобную школу идей у В.И. Векслера. Многие из его учеников сами в настоящее время стали руководителями больших коллективов научных сотрудников».

Больше всего В.И. Векслер любил работать с молодежью, особенно с молодыми теоретиками. И это понятно. При бурной творческой работе у В.И. Векслера возникало много идей, иногда были и неправильные, но большей частью весьма интересные и настолько на первый взгляд необычные, фантастические, что они вызывали у многих физиков, привыкших к традиционному, медленному, «солидному» движению по дороге науки, возражения, порой даже насмешку и нежелание спорить по существу. К сожалению, некоторые, даже очень хорошие физики настороженно встретили его самую блестящую идею – принцип автофазировки, который привел к принципиально новым методам создания ускорителей заряженных частиц. Поэтому В.И. Векслеру было проще с молодежью, которая только вырабатывала свой стиль работы.

Идея автофазировки понравилась Л.Н. Мандельштамму, статьи В.И. Векслера были молниеносно переведены на английский язык (несколько позже аналогичное предложение выдвинул американец Э.М. Макмиллан).

Наконец-то Лоуренс смог возобновить работы на заброшенном циклотроне, и уже через несколько месяцев на нем были получены частицы с энергией 500 (!) МэВ. По это был уже не циклотрон, а совершенно новая машина – синхроциклотрон.

Электромагнит для создания сверхсильных полей. Иллюстрация с сайта hoek.bsd.uchicago.edu

Однако, прежде чем перейти к описанию этой повой машины, обратимся к некоторым физическим явлениям, лежащим в основе процесса ускорения заряженных частиц.

Лоуренс первым использовал магнитное ноле для возвращения частиц к одним и тем же ускоряющим промежуткам. Известно, что любая заряженная частица, двигаясь в магнитном поле, будет двигаться по окружности. В двух точках такой окружности Лоуренс расположил ускоряющие промежутки. Вот для этого Лоуренсу и понадобился старый магнит, завалявшийся на складе Калифорнийского университета.

С ростом энергии частиц, получаемых в ускорителе, увеличивается радиус орбит, по которым вращаются частицы, а вместе с ним и диаметр магнитов. Поэтому-то самые большие магниты в мире – это магниты ускорителей.

Заряженная частица подвержена в циклотроне влиянию двух сил: центробежной, которая стремится «выбросить» частицу из циклотрона, и центростремительной лоренцевой силы, которая заставляет частицу двигаться по окружности. Если в какой-то точке орбиты напряженность, скажем, резко падает до нуля, частица в этой точке, не сдерживаемая лоренцевой центростремительной силой, выскочит из циклотрона.

Исходя из этих соображений, напряженность поля по орбите циклотрона устанавливают строго постоянной. Равенство центробежной и центростремительной сил на равновесной орбите обеспечивает так называемую горизонтальную устойчивость частицы. Что это значит? Предположим, что частица под влиянием каких-либо сил перешла с равновесной орбиты на орбиту большего радиуса. В этом случае лоренцева центростремительная сила будет больше центробежной, и в результате частица начнет смещаться в сторону орбиты меньшего радиуса до тех пор, пока не достигнет равновесной орбиты. При уменьшении радиуса орбиты частицы наблюдается обратная картина.

А что случится, если частица перейдет на более низкую или более высокую орбиту? Если полюсные наконечники магнита параллельны друг другу и магнитные силовые линии, которые должны быть перпендикулярны к стальным поверхностям, представляют собой параллельные прямые, то при смещении орбиты вверх или вниз частица не «заметит» каких-либо изменений в магнитном поле. Все орбиты – средняя, более низкая и более высокая – будут для частицы равноценными, что приведет в конце концов вследствие неидеальности изготовления поверхностей полюсов к тому, что частицы «потеряются» в полюсах магнита.

Чтобы этого не произошло или, как говорят, для обеспечения «вертикальной устойчивости» или «вертикальной фокусировки» движения частицы, полюсы магнитов скашивают так, чтобы зазор к краю полюса становился больше. В действительности, однако, скашивают не сами полюсы, а магнитные крышки вакуумной камеры, в которой происходит ускорение.

В этом случае поле магнита ускорителя изменится: если непосредственно под центром полюса силовые линии по-прежнему будут прямыми, перпендикулярными плоскостям полюсов, то на внешнем крае полюса силовые линии будут выгибаться наружу, образуя так называемое бочкообразное выпучивание силовых линий. Бочкообразное магнитное поле характерно тем, что на его «экваториальном обруче» поле минимально, а с продвижением вверх или вниз оно увеличивается. Частица, движущаяся в таком поле, не может «упасть» на полюс магнита, так как в этом случае ей пришлось бы перейти из области со слабым полем в область с сильным полем, т.е. затратить некоторую энергию.

Сам полюс имеет коническую форму, поскольку по высоте полюса от него отпочковываются магнитные силовые линии потока рассеяния. Таким образом, чем дальше идти вдоль полюса от рабочей зоны, тем больший магнитный поток по нему проходит.

Что было бы, если бы полюс был цилиндрическим, а его сечение постоянным по высоте? В этом случае индукция в полюсе, в его части, близкой к рабочей зоне (B = Ф/S, где Ф – магнитный поток; S – сечение пути магнитного потока), была бы очень низкой, а вдали от рабочей зоны – чрезмерно высокой. Получилось бы, что полюс в различных его сечениях загружен по-разному и, главное, неразумно. Чтобы этого не происходило, полюсам придают коническую форму. Тогда меньшему потоку будет соответствовать меньшее сечение, и индукция во всех сечениях станет одинаковой, а полюс равномерно нагруженным. Стараются сделать так, чтобы индукция в полюсе была равна индукции в рабочей зоне, т.е. 1,4...1,7 Тл.

Почему нельзя выбрать большую индукцию? В принципе это возможно, однако при более высокой индукции сердечник магнитопровода будет сильно насыщен, и чтобы провести по нему магнитный поток, потребуется большой намагничивающий ток. Кроме того, если полюсы насыщены, трудно обеспечить нужное распределение магнитного поля в рабочей зоне.

Конические полюсы электромагнита циклотрона чаще всего изготовляют из одной стальной поковки. На полюсах закрепляют главные катушки, создающие сильное магнитное поле. Их обычно изготовляют из толстой (сечением 50...100 мм²) медной или алюминиевой шины с отверстием внутри для охлаждающей воды.

Кроме основной в циклотронах имеется дополнительная обмотка, расположенная около зазора. Она состоит из двух катушек, размещенных вблизи среза полюса. Эти катушки предназначены для «нацеливания» частиц на мишень, иными словами, для регулирования высоты плоскости, по которой движутся частицы в циклотроне. Эта плоскость, вопреки ожиданиям, обычно находится не посредине между полюсами из-за различных случайных факторов. Сейф, стальная дверь, баллон с газом, оказавшиеся поблизости, могут вызвать смещение средней плоскости.

Один из крупнейших электромагнитов описанного типа установлен в синхроциклотроне на 660 МэВ в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Диаметр полюсов этого магнита 6 м, масса 7 тыс. т. Несколько уступает ему в размерах синхроциклотрон в Беркли.

Массу магнитов (т) циклотронов можно подсчитать по приближенной формуле G = 4,8·10^–3·r ^2,5, где r – радиус полюса, см.

Масса обычных магнитов ускорителей составляет несколько тысяч тонн. Магниты циклотронов и, следовательно, сами циклотроны – это громадные и дорогостоящие сооружения. Их обычно размещают в специальных корпусах, огороженных бетонными стенами толщиной несколько метров, которые служат защитой от излучения. Поворотные двери также делают из бетона.

Циклотроны применяют в основном для научных исследований. Однако в последнее время они служат и для получения радиоактивных изотопов, необходимых промышленности и сельскому хозяйству. Сейчас в ряде стран имеется несколько циклотронов, на которых не проводят никаких научных исследований. Эти атомные машины играют роль своеобразного технологического оборудования фабрики, производящей изотопы.

Оказывается, есть предел энергии частиц, ускоряемых в циклотроне. Его диктует теория относительности. Известно, что масса любой частицы в соответствии с теорией относительности возрастает по мере приближения скорости частицы к скорости света. Но частица с большой массой менее «поворотлива»: она начинает отставать от частиц с меньшей энергией и запаздывает к ускоряющему промежутку, т.е. попадает туда в тот момент, когда ускоряющее электрическое поле мало или направлено навстречу частице.

По расчетам верхний предел энергии протонов, получаемых в обычном циклотроне, равен 25 МэВ. Чем больше напряженность магнитного поля, тем больше оборотов делает заряженная частица в единицу времени. Возникает вопрос: нельзя ли сделать так, чтобы от центра к краю полюсов магнитное поле увеличивалось. Тогда приращение массы и, следовательно, «неповоротливость» частицы с ростом ее энергии могли бы быть скомпенсированы, а энергия частиц, получаемых в циклотроне, увеличена.

Но в циклотронах делают наоборот: магнитное поле к краю полюса снижают, осуществляя этим вертикальную фокусировку. Как примирить эти противоположные требования? Как одновременно иметь вертикальную фокусировку и увеличить поле от центра полюса с периферии?

Этой задачей интересовались давно. Еще в 1938 г. американский ученый Томас предложил формулу, в соответствии с которой должно изменяться магнитное поле в зазоре циклотрона с тем, чтобы эти два условия обеспечивались одновременно. Однако форма полюса при этом оказалась чересчур сложной. Поэтому идея «изохронного» циклотрона имела в то время немного приверженцев.

Со временем положение изменилось. Инженеры-физики предложили вместо сложных полюсов Томаса использовать обычные цилиндрические полюсы, покрытые стальными накладками простой формы. Как выяснилось, такие накладки обеспечивают одновременное нарастание поля по радиусу и вертикальную фокусировку. Для коррекции поля в зазоре изохронного циклотрона обычно применяют сложную систему концентрических и секторных корректирующих обмоток и накладок.

Изохронные циклотроны позволяют повысить энергию частиц, получаемых на ускорителях этого типа, до 700...800 МэВ. Дальнейшее увеличение энергии – довольно сложная проблема, так как по технологическим причинам трудно точно выдержать все требования к конфигурациям магнитного поля циклотронов столь высоких энергий.

В синхроциклотронах, или фазотронах, установлены аналогичные магнитные системы с тем лишь отличием, что частота ускоряющего напряжения по мере возрастания энергии частиц уменьшается; это позволяет отяжелевшим частицам вовремя проходить ускоряющий промежуток. Такое изменение частоты эквивалентно изменению поля в изохронном циклотроне. Предел энергии частиц, получаемых в синхроциклотронах, также составляет 700...800 МэВ. Магниты циклотронного типа устанавливаются и на микротронах, которые служат для резонансного ускорения электронов в электрическом поле высокой частоты. В магнитах микротронов обычно используется магнитное поле примерно в 10 раз меньшее, чем в циклотронах.

Дипольный магнит, использующийся в ускорителях частиц. Иллюстрация с сайта en.wikipedia.org

В силу различных причин физического и технического характера (о некоторых из них мы уже говорили) невозможно создать обычные циклотроны с энергией выше 25 МэВ, а изохронные циклотроны и синхроциклотроны – с энергией выше 800 МэВ. Однако имеются еще экономические факторы, ограничивающие создание сверхмощных ускорителей. Подсчитаем, например, массу циклонического ускорителя на энергию 10 тыс. МэВ или 10 ГэВ. Если магнитное поле на конечной орбите составит 1,45 Тл, то ее радиус должен быть примерно равным 25 м. Подставив это значение в приведенное ранее выражение для массы магнита G = 4,8·10^–3·r^2,5, получим, что масса такого магнита составляет 1,5 млн. т. Сама постановка вопроса о построении такого магнита была бы беспредметной.

Почему это происходит? Почему циклотрон на большую энергию имеет такую большую массу? Первая причина, очевидно, заключается в том, что мы выбрали небольшое магнитное поле. Если бы удалось это поле в несколько раз повысить, во столько же раз можно было бы снизить радиус и во столько же в степени два с половиной раза снизить массу магнита. Однако значительно повысить магнитное поле в циклотронах нельзя, так как сталь будет сильно насыщаться.

Другая причина, вызывающая необходимость столь большой массы магнита, объясняется самим принципом работы циклотрона. Поскольку его магнитное поле постоянно во времени, частица, приобретающая в ускоряющем промежутке очередную «порцию» энергии, движется по орбите большего радиуса, и траектория ее движения напоминает спираль. Именно эта спиралевидность орбиты вынуждает иметь в циклотроне полный набор орбит различных радиусов – от нуля до радиуса конечной орбиты.

Однако, видимо, нет неизбежной необходимости иметь в ускорителе полный набор орбит различных радиусов. Если бы магнитное поле в ускорителе с ростом энергии частиц менялось, то согласно формуле r = mv/H радиус орбиты мог бы оставаться всегда постоянным. Для этого нужно лишь обеспечить закон изменения магнитного поля магнита во времени, приближающийся к закону изменения во времени энергии частиц. В этом случае стало бы возможным вместо цилиндрических полюсов оставить узкое кольцо по краю полюса, а сердцевину полюса убрать вообще. Такие ускорители позволяют при относительно небольшой (по сравнению с гипотетическим циклотроном на ту же энергию) стоимости получать пучки частиц с колоссальными энергиями.

Кольцевые ускорители были главным достижением создателей ускорительной техники после Лоуренса и Векслера. Природа давно оценила преимущества трубчатых конструкций. Распилите кость – она внутри полая. Если бы она не была пустотелой, она была бы тяжелее, но не прочнее. И природа выбрала инженерно правильное и, следовательно, эстетически безупречное решение.

Кольцевой ускоритель – это ускоритель Лоуренса и Векслера, у которого вынута сердцевина полюса магнита и оставлено лишь узкое кольцо. Масса магнита снижается при этом в сотни раз, а ускоритель приобретает правильные, почти архитектурные формы. Красота этого решения – в глубочайшей технологической целесообразности.

Кольцевые ускорители включают синхротроны и синхрофазотроны – самые крупные и дорогостоящие физические приборы, когда-либо находившиеся в распоряжении человека. Диаметр кольцевых магнитов таких ускорителей равен нескольким километрам, магнитная система кольцевых ускорителей обычно состоит из нескольких отдельных секторных магнитов, составляющих в плане кольцо. Между этими секторными магнитами находятся ускоряющие промежутки. Стоимость магнитов синхротронов и синхрофазотронов (между этими двумя типами ускорителей различие невелико) составляет около половины стоимости всего синхротрона.

Как осуществляется вертикальная фокусировка в синхротронах? Принцип тот же, что и в циклотронах: магниты изготовляют так, чтобы магнитное поле на внешнем радиусе было меньше, чем на внутреннем. Тогда каждая частица, вышедшая из серединной плоскости, испытывает со стороны бочкообразного поля силы, заставляющие ее вернуться обратно.

Такую фокусировку называют мягкой. На синхротронах с мягкой фокусировкой можно получить энергию примерно до 15 тыс. МэВ. По-видимому, дубнинский синхрофазотрон был и остается крупнейшей в мире установкой подобного типа (энергия частиц 10 тыс. МэВ, масса магнита 36 тыс. т).

Почему при использовании мягкой фокусировки нельзя достичь больших значений энергии частиц? Дело в том, что с увеличением энергии частиц должен, естественно, расти и радиус ускорителя. Это увеличение радиуса происходит в соответствии с формулой E = 300·Н, где Е – энергия, эВ; H – напряженность магнитного поля, Э. Но чем больше радиус, тем больше амплитуда колебаний частицы вокруг своей равновесной орбиты. Сбить частицу с орбиты могут случайные молекулы газа в вакуумной трубке, флуктуации ускоряющего напряжения и частоты. В связи с этим рабочую зону (апертуру пучка) приходится увеличивать, чтобы частица не потерялась в металле магнита во время своего пути, составляющего в ускорителе примерно 0,5 млн. км. Это обходится очень дорого. Так, масса ускорителя на 30 тыс. МэВ с мягкой фокусировкой составила бы 100 тыс. т. Чтобы свести к минимуму всякие колебания частицы вокруг равновесной орбиты и снизить сечение пучка, нужно ввести более жесткую фокусировку, т.е. заставить частицы как можно меньше отходить от своей равновесной орбиты.

Как это сделать, никто до 1951 г. не знал. Решение проблемы было выдвинуто группой физиков Брукхейвенской лаборатории в составе Куранта, Ливингстона, Снайдера. Ливингстон как-то предложил рассчитать, как поведет себя частица, ускоряемая в системе из нескольких магнитов, если в каждом следующем магните будет меняться направление, в котором поле снижается. Расчет на электронной машине показал, что частица в этом случае движется по стабильной орбите и, кроме того, подвергается сильным фокусирующим усилиям. В том секторе, где полюсы наклонены внутрь, осуществляются сильная вертикальная фокусировка и горизонтальная дефокусировка; в следующем секторе, где полюсы наклонены наружу, фокусировка обратная. Эффект в целом заключается в том, что при определенном расположении секторов пучок сильно фокусировался, и отклонение частиц от равновесной орбиты было очень небольшим. Действие магнитов равнозначно в этом смысле действию двух линз вогнутой и выпуклой, которые, будучи поставлены одна за другой, дают в целом эффект собирания лучей. Эта идея оказалась очень плодотворной. На ее основе построены все крупнейшие ускорители. На принципе жесткой фокусировки работает и Серпуховский ускоритель протонов на 76 ГэВ.

В основу постройки крупнейшего в мире ускорителя 60-х годов – Серпуховского – были положены идеи В.И. Векслера.

Пучок протонов, разогнанный в этом исполинском ускорителе, достиг энергии 76 ГэВ (миллиардов электрон-вольт!). Под стать этой грандиозной энергии и сам ускоритель.

Новый синхротрон стал базой нового физического института, размещенного в Серпухове, – Института физики высоких энергий (ИФВЭ). Здесь были получены важнейшие научные результаты: открыт новый в физике высоких энергий тип симметрии – масштабная инвариантность, положенная теперь в основу теории сильных взаимодействий на малых расстояниях с участием кварков – так называемой квантовой хромодинамики.

В Серпухове открыт и новый физический эффект сложной природы, описывающий поведение сталкивающихся частиц, – «серпуховский эффект».

Ученые США не остались в долгу и начали строить свой, еще более мощный ускоритель. В этом, может быть, сыграл свою роль «эффект подстегивания», о котором остроумно рассказывал академик Л.А. Арцимович:

«Делегация ученых великой державы А, возвращаясь после поездки в великую державу Б, докладывает:

– По богатству идей, глубине понимания научных проблем и квалификации научных кадров мы не только не уступаем нашим зарубежным коллегам, но даже стоим впереди них. Однако там не пожалели денег, и они смогли построить новую замечательную установку X, и если мы немедленно не начнем строить уже давно задуманную нами установку Y, то почти сразу же окажемся в жалком и отчаянном положении.

Вслед за этим делегация державы Б возвращается из державы А и декларирует:

– Мы, конечно, в идейном отношении гораздо выше их, но нельзя ждать ни одного часа более. Они уже приступают к строительству установки Y, и если мы прозеваем, то через несколько лет нам стыдно будет показаться на любой научной конференции. Поэтому надо немедленно строить установку, которая во столько же раз мощнее установки Y, во сколько последняя превосходит нашу старую машину X. И так далее...»

Для создания жесткой фокусировки в серпуховском и подобных ему ускорителях поставлены друг за другом секции магнитов с разным направлением спада поля; если в первом магните поле спадает по направлению к внешнему радиусу (вертикальная фокусировка), то в следующем магните оно спадает к центру, уменьшая сечение пучка в горизонтальном направлении. В результате сечение пучка и, следовательно, размеры рабочей зоны магнита становятся меньше, что позволяет увеличить энергию частиц без существенного утяжеления магнита.

Магнит Дюбуа - основная часть прибора, на котором работал Е.К. Завойский. Иллюстрация с сайта www.ksu.ru

Принцип жесткой фокусировки стал широко применяться не только в ускорителях. Например, для фокусировки пучка и подачи его к столу экспериментатора широко используются поворотные магниты и квадрупольные линзы, работающие на этом принципе.

Создание ускорителей с жесткой фокусировкой позволит увеличить энергию получаемых частиц при снижении массы магнитной системы. Однако и в этом случае строительство синхротрона будет под силу лишь экономически мощным государствам. Решение вопроса о строительстве такой машины возможно только в государственном масштабе, как, например, вопрос о строительстве нового города. Сравнение с городом здесь не случайно – рядом с ускорителем неминуемо вырастет научный центр с целым городом ученых, технического персонала и т.п.

Один из таких новых городов вырос недавно в Батавии, в США. Там построен крупнейший в мире ускоритель на 500 ГэВ.

Неудивительно, что идея нового ускорителя родилась в Радиационной лаборатории имени Лоуренса, где был построен и первый циклотрон, и «Беватрон» 1954 г. Предварительный эскизный проект синхротрона на 200 ГэВ был разработан инженерами-физиками в Беркли еще в 60-годах, когда определялось направление следующего этапа работ США в области физики высоких энергий. Несмотря на успехи ускорительной техники, обнадеживающие результаты экспериментов на крупных ускорителях, ряд коренных вопросов строения материи продолжает волновать неутоленное воображение ученых. Все эти вопросы «прекрасного, но все еще загадочного мира», возможно, могли бы быть решены в процессе экспериментов с соударениями частиц, еще более энергичных, чем те, которые получаются с помощью наиболее мощных синхротронов, включая даже Серпуховский. Кроме того, путешествие в мир столь экзотических энергий могло бы привести к весьма неожиданным открытиям. Настойчивость физиков привела к тому, что конгресс США одобрил в 1967 г. ассигнования в 250 млн. дол. на постройку «малого варианта» нового ускорителя («большой вариант» стоил бы 350 млн. дол.). Из 125 мест, предложенных для постройки ускорителя, была выбрана плоская местность Кун-Холлоу вблизи Батавии в штате Иллинойс площадью 10 квадратных миль. Для постройки и эксплуатации будущего ускорителя была создана Исследовательская ассоциация университетов. Так возникла база для будущей Национальной ускорительной лаборатории США, директором которой был назначен Роберт Вильсон. Это он вспоследствии рассказывал о драматических событиях постройки уникального ускорителя.

Получив 250 млн. дол., Вильсон и его новые сотрудники решили сделать ускоритель не на 200 ГэВ, как было запланировано, а сразу на 500 ГэВ. Отважные участники встречи 15 июня 1967 г. на месте постройки будущей машины решили построить ускоритель всего за пять лет (в этот день они не знали хотя бы приблизительно даже диаметра будущего ускорителя).

Вообще говоря, диаметр ускорителя для получения большей энергии целесообразно было делать возможно большим, и поэтому его, казалось, должен был бы определить размер заданного участка. Однако стоимость ускорителя тем больше, чем больше диаметр магнитов, а она ограничена сверху ассигнованной суммой. Если задаться желаемой энергией частиц, то диаметр будет определяться уже тем максимальным магнитным полем, которое удастся обеспечить, и расстояниями между поворачивающимися магнитами.

Был выбран диаметр, равный ровно 2 км. Часть окружности, примерно четверть ее, должна была быть освобождена для устройства ввода и вывода протонного пучка, ускоряющих и измерительных устройств. Тогда при магнитном поле 1,8 Тл можно было бы достичь энергии 400 ГэВ, а при магнитном поле 2,25 Тл – 500 ГэВ.

Такое магнитное поле и даже значительно большее в принципе можно было бы довольно легко получить при помощи сверхпроводящих магнитов. Однако проектировщики решили не рисковать и остановились на хорошо освоенных электромагнитах со стальным сердечником.

Важным параметром магнитов, определяющим их стоимость, является, как мы видели, апертура, рабочее пространство между полюсами магнита. Чем больше апертура, тем легче предотвратить рассеяние протонов на стенках камеры из-за их взаимного электростатического отталкивания и неточного «прицеливания». Большая апертура, однако, – это серьезное возрастание затрат на материалы сердечника и обмоток, на земляные работы (туннель становится шире и выше), на радиационную защиту и электроэнергию, затрачиваемую в обмотках. Точно рассчитать увеличение надежности работы ускорителя за счет увеличения апертуры вряд ли возможно, и проектировщики остановились на значении, подсказанном опытом и интуицией. Для примененной системы жесткой фокусировки был выбран зазор между полюсами 5 см и ширина полюсов 10 см на одной стороне магнитов и соответственно 3,8 и 12,5 см – на другой. Интересно обратить внимание на очевидную «нерасчетность» этих цифр (особенно если перевести их в дюймы), так же как и на случайный размер диаметра (2 км).

В результате расчетов, проведенных на основе учета приведенных данных, длина каждого из 660 поворачивающихся магнитов (каждый массой 11 кг) оказалась равной 6,5 м, высота 30 см и ширина около 80 см. 180 фокусирующих магнитов имеют длину 2,3 м, весят каждый по 5 т. Функции поворота и фокусировки здесь, как мы видим, разделены.

Крайне упрощена была система питания магнита. Вместо надежной, но дорогостоящей системы мотор-генераторов, дающей постоянный ток, здесь была установлена система мощных селеновых выпрямителей для выпрямления обычного трехфазного тока из сети. Крайне упрощен и фундамент – он не имеет бетонных опор, покоящихся на скальном основании. Возможные в этом случае перекосы магнитов снимаются специальными юстировочными устройствами. Сам туннель составлен из стандартных бетонных секций, установленных на не очень мощном бетонном монолите.

И все же вся эта затея была, по выражению ее авторов, «бравадой». Некоторая доля риска и самонадеянности была социально обусловлена – нужно было привлечь к делу нужных людей. То, что эта идея в конце концов осуществлена и крупнейший в мире ускоритель заработал, – результат сочетания интуиции, осторожной смелости и упорства физиков и инженеров, случайного благополучного стечения обстоятельств и крайне удачного «поворота дела» в правительстве США, неожиданно для самих создателей ускорителя отпустившем им огромную сумму денег. Построенный ускоритель успешно работает. Исследователи планируют сделать его еще мощнее, заменив обычные магниты более сильными, сверхпроводниковыми.

Ускорители – удовольствие дорогое. Например, ускоритель на 1000 ГэВ будет стоить около 1 млрд. руб., диаметр его секционированного кольцевого магнита составит около 7 км. На строительстве такого ускорителя будут заняты тысячи человек и сотни организаций. Правда, масса магнита при введении жесткой фокусировки для такой энергии частиц весьма умеренна – «всего» 30 тыс. т. Для защиты от излучения придется построить вокруг ускорителя бетонные стены толщиной 12 м.

Возрастание энергии до столь высоких значений приводит к новым трудностям, касающимся фокусировки. Ведь диаметр ускорителя на 1000 ГэВ около 7 км, а для того, чтобы частица не уклонялась от равновесной орбиты и не терялась бы в полюсах магнита, необходимо устанавливать магнит с погрешностью до 0,01 мм. Магнитные системы этих гигантских ускорителей действуют по кибернетическому принципу. Любая погрешность в» изменении направления пучка тотчас же фиксируется приборами, и в ускоряющую систему из вычислительного центра подается команда об изменении ее параметров, которая должна перевести пучок-нарушитель на свою орбиту.

А может быть, физики найдут какое-нибудь более изящное решение, которое позволит достичь новых колоссальных энергий путем сравнительно небольших затрат?

Относительно недавно были предложены совершенно новые идеи создания сверхмощных ускорителей. Одна из них заключается в том, что ядро и цель – частица и мишень – «выстреливаются» навстречу друг другу с помощью сравнительно небольших ускорителей и сталкиваются с громадной, невиданной ранее силой.

Детектор КМД-2М ускорителя на встречных электрон-позитронных пучках ВЭПП-2000: вид вдоль направления пучков; 1 — вакуумная камера, 2 — дрейфовые камеры, 3 — BGO калориметр, 4 — Z-камера, 5 — сверхпроводящий соленоид, 6 — LXe калориметр, 7 — CsI калориметр, 8 — ядро магнита, 9 — сверхпроводящие фокусирующие соленоиды. Иллюстрация с сайта www.nsu.ru

В числе лауреатов Ленинской премии 1967 г. были физики из Новосибирска Г.И. Будкер, А.А. Наумов, А.Н. Скринский, В.А. Сидоров, В.С. Панасюк. Им первым удалось осуществить на практике идею встречных электрон-позитронных пучков. В установке ВЭПП-2, магниты которой имеют диаметр всего лишь 3 м, новосибирским физикам удалось достичь энергии взаимодействия частиц, равной 2 млн. МэВ! Обычный линейный ускоритель на ту же энергию уместился бы не во всяком европейском государстве.

Идея ускорителя без магнитов принадлежит Энрико Ферми, который, конечно, имел в виду обойтись именно без магнитов, но не без магнитного поля, иначе ускоритель получился бы колоссальной длины. Вместо поля магнитов Ферми предложил использовать магнитное поле Земли. Ускоритель типа синхротрона должен был бы представлять собой вакуумную трубу, опоясывающую земной шар вдоль магнитного экватора. Осуществление такого проекта могло бы дать пучки чрезвычайно энергичных частиц, однако стоимость ускорителя, по-видимому, оказалась бы громадной – ведь орбита частиц должна быть круговой, а Земля – далеко не идеальный шар. Чтобы обеспечить идеальную окружность, пришлось бы прорывать туннели, строить виадуки над океанами и т.д. А проблема обеспечения герметичности и высокого вакуума устройства, опоясывающего земной шар!

Какую же энергию частиц можно получить с помощью ускорителей? Естественно, что самый большой возможный на нашей планете ускоритель должен располагаться по экватору Земли. Индукция магнитного поля определяемая насыщением стали, равна, скажем, 2 Тл. При этих условиях максимальная энергия ускоряемых протонов будет равна 10¹⁰ МэВ.

Космической эре свойственны и космические проекты. Таким является проект «лунатрона». Ускоритель можно разместить на нескольких спутниках, вращающихся вокруг Земли. На спутниках можно установить фокусирующие магниты, ускоряющие пластины, инжекторы. С помощью такой системы можно будет достичь энергии порядка 10⁸ МэВ. Большое преимущество такой системы – отсутствие необходимости вакуумировать рабочее пространство – ведь лунатрон будет размещен вне атмосферы (т.е. в условиях естественного высокого вакуума).

Чрезвычайно интересная идея ускорителя предложена советским физиком академиком Г.И. Будкером. Она заключается в том, чтобы слабым наводящим полем создавать мощный круговой пучок электронов. Этот пучок стал бы, по сути дела, гибким шнуром, по которому течет очень сильный электрический ток. Электрический ток всегда создает магнитное поле, стремящееся уменьшить сечение проводника (пинч-эффект). Однако, чем меньше диаметр шнура, тем больше при том же токе магнитное поле, создаваемое на поверхности шнура. Г.И. Будкер предложил использовать это очень сильное магнитное поле как рабочее поле ускорителя. В пучке электронов диаметром 6 м можно удержать протоны с энергией вплоть до 10⁴ МэВ.

Большие надежды возлагают физики и на сверхпроводимость. Ограничителем магнитного поля ускорителей является индукция насыщения стали (около 2 Тл). Однако, если сталь из ускорителя убрать, возникнет много других проблем. Сопротивление магнитному полю ускорителя, например, сразу увеличится. Чтобы сохранить поток прежним, нужно сильно увеличить мощность питания обмоток, которая и при ускорителе со сталью была огромной. Мощность питания американского синхрофазотрона «Беватрон» составляла 100 тыс. кВт. Такую мощность потребляет город со стотысячным населением.

При рассмотрении проекта ускорителя «Газовая и электрическая компания» тихоокеанского побережья специально занималась вопросом: не будут ли «садиться» все лампы в городах Беркли и Окленде, когда в ускорителе разгоняется пучок протонов.

А ведь «Беватрон» – относительно небольшой ускоритель и к тому же со стальным сердечником. В ускорителях на 300 тыс. – 1 млн. МэВ без стали потребление электроэнергии будет гораздо больше. Соответственно более дорогостоящим и громоздким окажется сам ускоритель. Но если разобраться, эта колоссальная энергия будет в большей мере тратиться попусту. Для поддержания магнитного поля не требуется энергия: постоянный магнит ниоткуда не получает энергию, а его магнитное поле не расходуется, когда им что-либо притягиваешь. Энергия необходима лишь на установление поля: если в этой области пространства магнитного поля раньше не было, а теперь оно есть – это значит, что затрачена некоторая энергия. Остальная электроэнергия тратится на нагревание обмоток, обладающих электрическим сопротивлением. Не будь сопротивления, потери бы исчезли. Если подсчитать, какая часть энергии в ускорителях используется полезно, то окажется, что она ничтожна.

Именно с этим обстоятельством и связаны попытки использовать в качестве материала обмоток магнитов ускорителей сверхпроводник. У сверхпроводника омическое сопротивление отсутствует и, следовательно, потери энергии также отсутствуют. Другая положительная сторона применения сверхпроводящих обмоток – возможность сильного увеличения магнитного поля, а стало быть, и уменьшения радиуса ускорителя. Если удастся достичь магнитного поля 10 Тл, размеры ускорителей уменьшатся впятеро.

В поисках новых путей, позволяющих более дешевым и эффективным способом получать частицы высоких энергий, ученые ФИАНа выдвинули идею построить в Протвино ускорительно-накопительный комплекс (УНК) на энергию ускоряемых протонов 3000 ГэВ. Большой вклад в развитие и осуществление этой идеи внес академик А.А. Логунов. Частицы энергий 70 ГэВ, ускоряемые на уже существующем Серпуховском ускорителе, будут «впрыскиваться» в УНК для дальнейшего ускорения. В УНК будут использоваться мощные сверхпроводящие магниты, которые позволят снизить длину окружности ускорителя с 60 до 20 км, резко уменьшить энергозатраты на питание магнитов. Несмотря на гигантские финансовые расходы, комплекс решено строить, и строительство начато. Ученые предполагают, что уникальный физический прибор поможет раскрыть самые сокровенные тайны строения вещества. Новый ускоритель будет стоить около миллиарда рублей, диаметр его секционного кольцевого магнита – около 7 км, а займутся строительством его несколько тысяч человек и сотни организаций. Защищаться от излучения такого ускорителя придется бетонными стенами двенадцатиметровой толщины.

Строительство новых сверхмощных ускорителей вызовет определенное напряжение даже для таких стран, как СССР и США. Это напряжение будет не только финансовым, но и «умственным». С новым ускорителем так или иначе свяжут свой труд около 200 кандидатов и докторов наук – целая армия ученых. Поэтому в европейской печати довольно часто начинает проскальзывать мысль о том, что ускорители на такие большие энергии следует строить «всем миром» – т.е. в буквальном смысле силами всех развитых стран.

Еще в 1963 г., когда В.И. Векслер получал международную премию «Атом для мира», он призвал к международному сотрудничеству ученых в деле постройки сверхмощных ускорителей: «Природа одна; проблемы, которые она представляет нам на данном этапе развития науки, очень часто имеют единственное решение, конечно, не зависимое от того, где живут – в Советском Союзе или в Соединенных Штатах – люди, стремящиеся найти это решение».

Неизвестно, как в конце концов разрешится эта проблема – будут ли такие ускорители строить отдельные государства или группы государств, или, наконец, проблема попадет в ранг вопросов, решаемых ООН. А пока энергия ускорителей десятикратно увеличивается каждые шесть лет. Что же будет дальше?

Оглавление