Думая о современных идеях и технологиях, мы редко связываем их с экспериментальной физикой, но эта связь тесна. Все приведенные выше достижения были получены в результате экспериментов, направленных на то, чтобы узнать больше о материи и силах природы, и этот список – лишь верхушка айсберга. Всего за два поколения мы научились управлять отдельными атомами, чтобы создавать настолько маленькие вычислительные устройства, что даже микроскоп с трудом их видит, использовать нестабильную природу материи для диагностики и лечения болезней и заглядывать внутрь древних пирамид с помощью высокоэнергетических частиц из космоса. И все это возможно благодаря нашей способности манипулировать материей на уровне атомов и частиц, знаниям, полученным в результате исследований, движимых любопытством.

Я решила стать физиком-экспериментатором в области физики ускорителей: я специализируюсь на изобретении реального оборудования, которое манипулирует материей в крошечном масштабе. Специалисты по физике ускорителей постоянно открывают новые способы создания пучков, чтобы больше узнать о физике элементарных частиц, но наша работа все больше необходима другим сферам общества. Студенты, друзья и читатели до сих пор удивляются, когда я говорю им, что в их ближайшей больнице почти наверняка есть ускоритель частиц, что их смартфон основан на квантовой механике и что мы можем просматривать веб-страницы только благодаря физике элементарных частиц. Мы строим ускорители частиц для изучения вирусов, шоколада и древних свитков. Наше детальное понимание геологии и древней истории нашей планеты многим обязано исследованиям в области физики элементарных частиц.

Исследования выводят нас за пределы того, что мы знаем и чего ожидаем, приводят к идеям и решениям, которые меняют ход истории. В поиске новых знаний мы сокращаем пропасть между тем, что кажется нам возможным, и тем, что мы считаем невозможным. Именно здесь любопытство приводит к поистине прорывным инновациям. Физика – в частности физика элементарных частиц – предлагает, пожалуй, самые яркие примеры этого феномена. Так как же серия физических экспериментов привела нас ко всем этим особенностям современного мира?

Конечно, были проведены тысячи опытов, и все они каким-то образом внесли свой вклад в наши знания. В этой книге я познакомлю вас с 12 ключевыми экспериментами, которые ознаменовали первые шаги к пониманию мира, в котором мы живем. Мы начнем с экспериментов, проведенных несколькими учеными в небольших лабораториях в Англии и Германии на рубеже XIX и ХХ веков, – экспериментов, которые предрекли крах классической физики, заявляя нам о существовании объектов меньших, чем атомы. Далее мы увидим, как эксперименты в Чикаго помогли подтвердить зарождающиеся идеи квантовой механики, для подтверждения которых физики по всему миру воспарили на воздушных шарах и поднялись на горные вершины в поисках новых частиц. Каждый эксперимент напоминает мне о смеси разочарования и радости, которая хорошо мне знакома по работе собственной лаборатории. Но преимущество ретроспективного взгляда позволяет мне увидеть то, чего не могли видеть первые экспериментаторы: что стало с их открытиями и изобретениями.

Затем история приведет нас к гонке между Соединенными Штатами, Германией и Великобританией за создание первого ускорителя частиц и расщепление атома. Создание искусственных радиоактивных элементов в Калифорнии привело промышленных ученых к случайному открытию, которое создало как новый инструмент для исследований, так и новое понимание астрономии. Наконец, мы проследим истории команд, объединившихся для проведения грандиозных экспериментов, которые легли в основу моей собственной карьеры: от американских лабораторий, таких как Брукхейвен и Беркли, до Стэнфордского линейного коллайдера, Фермилаба и, в конечном счете, Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН).

Рассмотренные вместе, эти эксперименты воплощают дух исследования, проистекающий из человеческого любопытства. За столетие они изменили нашу жизнь почти во всех аспектах – в вычислительной технике, медицине, энергетике, коммуникациях, археологии, искусстве… Физика всегда будет направлена на понимание нашего места во Вселенной, и эту истину я почувствовала, когда увидела то ночное небо.

Наше путешествие проиллюстрирует, как физика привела к появлению многих современных технологий, которые мы сейчас считаем само собой разумеющимися, и к практическим результатам, которые мы даже не могли себе представить. Оно покажет, что физика может научить всех нас любопытству и дать силы совершать прорывы, которые могут изменить мир.

Часть I
Демонтаж классической физики

Воображение – это в первую очередь открытие новых способностей. Оно проникает в невидимые миры вокруг нас, миры науки. Оно чувствует и находит то, что есть, реальное, чего мы не видим, что неуловимо для наших чувств.

Ада Лавлейс, из письма лорду Байрону, январь 1841 года

Глава 1
Электронно-лучевая трубка: рентгеновское излучение и электрон

Наша история начинается в 1895 году. Германия, лаборатория в Вюрцбурге… Тогдашние лаборатории были не очень похожи на чистые белые пространства, в которых работают современные ученые. Здесь были красивые паркетные полы и впечатляющие высокие окна, выходящие на парк и виноградники напротив. Физик Вильгельм Конрад Рентген закрыл ставни и вернулся к своей работе. На длинном деревянном столе он установил стеклянную трубку размером с небольшую винную бутылку, из которой с помощью вакуумного насоса была удалена большая часть воздуха^[2]. От металлических электродов отходили провода – один в конце трубки (отрицательно заряженный катод) и один примерно посередине (положительно заряженный анод). При подаче высоковольтного электричества внутри появлялось свечение – так называемые катодные лучи, которые и дали трубке название^[3]. Пока все шло так, как Рентген и ожидал. Затем краем глаза он заметил маленький светящийся экран на другой стороне лаборатории.

Он подошел к экрану. Экран с люминофорным покрытием излучал зеленый свет. Когда Рентген выключил электроннолучевую трубку, свечение исчезло. Когда снова включил, оно вернулось. Может быть, это просто обман зрения, отражение света от светящейся электронно-лучевой трубки? Он накрыл трубку черным картоном, но обнаружил, что экран по-прежнему светится. Рентген никогда раньше не видел ничего подобного, но посчитал свою находку важной.

С этого момента физика уже никогда не будет прежней. Это первое случайное наблюдение вывело эксперименты с использованием электронно-лучевых трубок и физику в целом на совершенно новую территорию, перевернув принятые веками представления о природе. Со временем электроннолучевая трубка приведет к появлению технологий, которые изменят образ жизни, работы и общения людей. Все началось здесь, в Вюрцбурге, с этого светящегося экрана и любопытства одного человека.

Вильгельм Рентген, как и большинство ученых по всему миру в конце XIX века, согласился с тем, что физика почти разгадана. Вселенная создана из материи, которая состоит из «атомов». Было выяснено, что существуют различные типы атомов, которые соответствуют различным химическим элементам. От деревьев до металлов, от воды до меха – все разнообразие окружающего нас материального мира отличается твердостью, цветом и текстурой, потому что все построено из разных атомов, которые ученым представлялись крошечными сферическими деталями вроде Lego. Будь у вас правильная инструкция, вы могли бы взять определенный набор атомов и создать все, что захочется. Физики также знали, что существуют силы, благодаря которым все взаимодействует. Гравитация удерживает звезды в нашей галактике и заставляет Землю вращаться вокруг Солнца. Даже таинственные силы электричества и магнетизма в конце концов были объединены в единую силу – электромагнетизм. Вселенная стала предсказуемой: если вам известен принцип работы внутренних механизмов и вы приводите их в движение, то можете с точностью предсказать поведение всей материи.

Теперь оставалось исследовать только детали – например, то, как именно работает электронно-лучевая трубка. Одна из немногих мелочей, которые ученые не могли до конца объяснить. Конечно, выдвигались разные теории, в том числе идея о том, что свечение внутри связано с колебаниями гипотетического эфира – среды, через которую, как считалось, свет распространяется почти так же, как звук передается по воздуху. Но, исследуя особенности электронно-лучевой трубки, Рентген столкнулся с трудностями: мало того, что внутри трубки происходит что-то необъяснимое, так еще и снаружи обнаружился странный эффект.

В детстве Вильгельм казался обычным ребенком. Сын торговца тканями, он любил исследовать природу в сельской местности и лесах^[4]. Единственное, в чем у него действительно были незаурядные способности, – создание механизмов^[5], и это оказалось весьма полезным для его дальнейшей экспериментальной работы. Когда Рентген стал взрослым, его темные волосы постоянно вставали дыбом на лбу, «как будто он постоянно был наэлектризован собственным энтузиазмом»^[6].

Рентген был застенчивым человеком, читал лекции невыносимо тихим голосом, был строг со своими студентами и даже испытывал легкий дискомфорт при мысли о том, что в его лаборатории будут ассистенты. Но он искренне любил науку, иногда цитируя великого инженера Вернера фон Сименса, который сказал: «Интеллектуальная жизнь порой доставляет нам, возможно, самую чистую и высшую радость, на которую способен человек».

И вот Рентген обнаружил то, чего раньше никто не видел. Когда он заметил странный светящийся экран, то предположил, что смотрит не на тот же «луч», который заставлял светиться электронно-лучевую трубку, поскольку этот эффект, казалось, заключен внутри трубки. Он нашел новый вид невидимого луча, который мог простираться гораздо дальше. Рентген сразу же направил все свое время и энергию на дальнейшие исследования. Когда позже его спросили, что он в то время думал, он сказал: «Я не думал, я исследовал».

Он расставил несколько подобных трубок по лаборатории^[7], методично и тщательно настраивая каждую, чтобы определить природу новых лучей. Он помещал различные материалы между трубкой и люминофорным экраном, опробовав бумагу, дерево и даже твердую резину. Лучи проходили сквозь них, почти не ослабевая. Когда Рентген направил лучи через толстую деревянную дверь в соседнюю лабораторию, он смог их обнаружить с другой стороны. Только когда он поместил алюминиевую фольгу перед трубкой, лучи, казалось, проникли сквозь нее с трудом.

Рентген провел семь напряженных недель в своей лаборатории, его жена Анна Берта время от времени напоминала ему, что надо поесть. На этом их общение заканчивалось: Рентген работал почти полностью в одиночку и молчал о своих исследованиях. Он ничего не сказал своим помощникам, не говоря уже о зарубежных коллегах, хотя знал, что, если не объявит о своем открытии первым, сотни других ученых, проводивших аналогичные эксперименты в своих лабораториях, опередят его. Только однажды Рентген сказал о своей работе хорошему другу: «Я обнаружил кое-что интересное, но не знаю, верны ли мои наблюдения»^[8].

Затем он поставил руку на пути лучей и сообщил: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, видна темная тень костей на фоне чуть менее темного изображения самой руки…». Он использовал лучи, чтобы сделать изображение руки жены на фотографической пластинке, что подтвердило его мысль: лучи легко проходят через кожу и плоть, но не так легко – через кость или металл. Кости руки и обручальное кольцо темнели на фоне плоти, которую мы обычно видим глазом. Способность блокировать новые лучи была связана с плотностью объекта. Согласно легенде, когда Анна Берта увидела кости своей руки, она воскликнула: «Я видела свою смерть!» – и никогда больше нога ее не ступала в лабораторию мужа.

Оставалось дать новым лучам название. В науке мы обычно обозначаем неизвестное буквой X, и поэтому Рентген придумал, возможно, лучший непреднамеренный брендинг в истории физики. Он назвал свое новое открытие икс-излучением.