Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу - Жорж Шарпак

Розділ перший. Золота доба частинок

Фізика частинок — радикальна галузь, яка взяла собі за мету збагнути структуру матерії в її найдальших закраїнах. Упродовж другої половини минулого століття ця галузь зазнала бурхливого розвитку. Саме цю епопею ми й переповімо, зберігаючи, при цьому, її людське обличчя: адже найскладніші завдання у фізиці здійснюють люди, що працюють і переймаються різноманітними відчуттями.

Відкриття, про які зайде мова, тісно пов’язані з існуючими засобами виявлення. Мета наша буде незмінною: знайти якнайшвидше, якнайточніше і якнайпотужніше на певний момент знаряддя для «бачення» частинок. Ці властивості описуються відповідними величинами — «тимчасова роздільність», «просторова роздільність» і «мертвий час».

Кожне відкриття потребує пристосованого детектора. Для поточних явищ — скажімо, радіоактивності — достатньо відносно грубих детекторів. Нині ж ми стикаємося з дослідженням вельми рідкісних явищ (наприклад, «чи існує бозон Гіґґза?»), які вимагають досконалих детекторів.

У витоків майже всіх засобів виявлення знаходимо явище іонізації. Воно ж виникає з сили електрики, що з’являється під час проходження крізь матерію зарядженої частинки. Тож у давніх катодних рурках потік електронів ставав видимим завдяки світлу на його шляху. Електрони ж із катодного променя, прискорені електричною напругою, мали достатньо енергії, щоби притягти до себе атоми газу. У цей час електрони цих атомів змінюють орбіти, а коли, зрештою, повертаються на свої первісні орбіти, то зберігають надлишкову енергію, випромінюючи характерне світло в газі, який перетинають. Це називають флюоресценцією. Промінь можна бачити простим оком. Якщо густина залишкового газу вища, атоми й далі притягатимуться один до одного і спалахне весь об’єм газу.

Жорж Шарпак поклав життя на нескінченне вдосконалення способів виявлення. Для нас він буде за проводиря, на взірець Вергілія, який вів Данте легендарними стежками, що й досі не доступніші для профанів, ніж ті, якими вирушимо ми.

Але спершу познайоммося з ним ближче. Багато років тому я вмовив його відповісти на знамениті Прустові запитання42. Він дав відповіді лише на частину питальника, упередивши таким текстом:

«Я міркував над питаннями тривалий час. Не маю жодного сумніву, що Пруст — добрий письменник, адже дехто з моїх вельми поважних друзів незрідка зазирає в його твори.

На мене ж він не справив враження — адже великою мірою мої смаки сформувались у підлітковому віці, а юний емігрант, що пожадливо прагнув пізнати Францію, не дуже тягнувся до буржуа, якими рясніють романи Пруста».

Отже:

Ваші улюблені колір і квітка?

Волошки та маки, бо саме вони забарвлювали луки мого дитинства — вони мені до вподоби більше, ніж кручені та позбавлені пахощів квіти тутешніх крамниць.

Якби Ви були кимось іншим, ким Ви хотіли би стати?

Фізиком-теоретиком, і таки став би, якби два роки полону не обрізали мені крила — принаймні в тому, що стосується навчання.

Ваші улюблені прозаїки?

Стендаль, Достоєвський, Мартен дю Ґар43 і ще чимало.

Ваші улюблені поети?

Превер. Він такий примітивний!

Ваші герої в реальному житті?

Нельсон Мандела. Великий політик.

Найменш приємні Вам історичні постаті?

Ідеологи, фундаменталісти, диктатори.

Ваше гасло?

Кваплюся сміятися з усього, адже боюся, що доведеться заплакати.

Який хотіли би мати дар від природи?

Шкодую, що не вмію співати.

А проте, саме Жорж Шарпак відбиватиме такт у нашому «співі про частинки».

Декорації

Перш ніж наша вистава розпочалася на поважних сценах великих лабораторій, фізики розробляли первні фізики нескінченно малого. Втім, навіть не усвідомлюючи цього — так само як месьє Журден вправлявся у прозі44, хоча цього і не знав — вони започаткували фізику частинок.

Пригадаймо кілька результатів, що позначили ґенезу цієї галузі ще до щедрих урожаїв великих прискорювачів.

Термін «нескінченно мале» не є абсолютним. Величини, які вимірюються, залежать від засобів вимірювання і пов’язані з наявною енергією; отже, наприкінці ХІХ ст. «нескінченно мале» зводилося до атома. Саме по собі це було надзвичайне досягнення, адже розміри атома зводяться до якихось 10-10м. Тобто, щоби склався метр, треба покласти поруч 10 млрд атомів, і побачити атом не можна ні простим оком, ні у мікроскоп. Але вже тоді було відкрито першу справді елементарну частинку — хоча про це й не здогадувалися — електрон. З 1897 р. — задовго до інших частинок — його виявляли в катодному промінні. Звісно, у світі елементарних частинок іще панувала глупа ніч, та вже з’являлися перші просвітки.

Першу Нобелівську премію з фізики присудили Вільгельмові-Конрадові Рентгену за відкриття у грудні 1895 р. «надзвичайних променів, що отримали його ім’я». Потім залп із лауреатів, які випливали один із одного — так, 1903 р. прийшла черга Анрі Беккереля за відкриття спонтанної радіоактивності. Беккерель здійснив його навесні 1896 р. в пучку рентгенівського проміння, а отже, воно стало прямим наслідком винаходу Рентгена. П’єр та Марі Кюрі премію одержали за дослідження радіоактивних явищ, відкритих Беккерелем. У 1905 р. Філіпп Ленар отримав премію за вивчення «катодних променів», наступного року — Джозеф Джон Томсон за «теоретичні та експериментальні дослідження здатності газу проводити електричний струм». Насправді саме він остаточно визначив: катодні промені — це як потоки електронів.

Аби осягнути ці результати, варто придивитися до застосованих способів. Що ж це, зрештою, за катодні рурки, які зібрали такий врожай відкриттів?

Відомі вони з середини ХІХ ст. Йдеться про скляні рурки видовженої форми, з яких за допомоги спеціальних помп крізь отвори певного діаметра викачують повітря. Дві металеві пластини утворюють електроди, пов’язані з полюсами електрогенератора, і дозволяють підтримувати різницю потенціалів. Якщо остання досить висока, розріджений газ перетворюється на провідник, і рурка світиться.

У подібному приладі 1879 р. Вільямові Крукзу, який доводив вакуум до максимуму і підвищував тиск, поталанило отримати тоненькі потоки з катода — катодне проміння, що містить легкий електричний струм. Біг струму оприявнюється через флюоресценцію у збуреному газі в рурці. Якщо піднести магніт, можна побачити, як траєкторія відхиляється. Отже, вплив магнітного поля такий самий, як і в електричного струму, ніби випромінювання складається з крупинок електрики. Однак, якщо прикласти поперечне електричне поле, воно не спричиняє жодних змін, на відміну від струму, що відсунуло висновки щодо досліджуваного явища на пізніший час.

Внесок Томсона — у поліпшенні порожнього простору в рурці. Справді, присутність залишкового газу викликає іонізацію, що екранує зовнішнє електричне поле, і воно стає неефективним. Щойно досягнувши достатньо зниженої густини газу, Томсон зміг детально дослідити поведінку катодних променів. Він показав, що промені відштовхуються від негативно зарядженої пластини і, навпаки, притягуються позитивно зарядженою пластиною. Так 30 квітня 1897 р. йому пощастило виявити електрон