Камера вильсона, или три нобелевские премии, добытые из тумана
“Это самый оригинальный и замечательный инструмент в истории науки”
(Эрнест Резерфорд)
14 февраля 1869 года, 145 лет назад, на ферме близ Эдинбурга (Шотландия) родился Чарльз Томсон Риз Вильсон. Учился он в одной из частных школ Манчестера, затем в тамошнем университете и мечтал стать врачом.
Завершать образование он отправился в Кембридж, и тут вектор его интересов резко изменил направление. Его заинтересовали естественные науки.
В конце лета 1894 года Вильсон приехал в Шотландию и совершил восхождение на Бен-Невис, самую высокую из местных гор. Это была не научная экспедиция, Вильсон был спортсмен, альпинист и решил прогуляться по родным местам.
С этой прогулки, как мы теперь можем судить, и началась новая жизнь Вильсона-учёного. Там, на вершине, он был просто очарован великолепной игрой света в окружающих его облаках; он любовался цветными гало вокруг теней, отбрасываемых скалами.
В общем, там, на вершине Бен-Невис, ему страшно захотелось все увиденные им явления воспроизвести в лаборатории. Физика атмосферы — вот как теперь называется его новое увлечение.
Нобелевская премия 1927 года. Частицы в тумане
В 1895 году Чарльз Вильсон, будучи аспирантом в Кембриджской лаборатории Дж. Дж. Томпсона, начинает цикл экспериментов, чтобы понять процессы образования облаков.
Он придумывает аппарат в виде прозрачного цилиндра, дно у которого может перемещаться. Быстрое движение поршня вниз приводило к увеличению объёма камеры и падению давления и температуры в ней.
При этом сквозь прозрачное окно цилиндра Вильсон наблюдал в камере сгущающийся туман. Явление это было уже хорошо известно: на мельчайших частичках пыли конденсировалась влага, ничего нового, всё как обычно… Почему Вильсон решил повторить этот опыт, наполнив свой аппарат максимально очищенным от пыли воздухом, — вот где загадка.
Что-то подсказывала интуиция учёного? Или просто решил убедиться, что в «обеспыленном» воздухе конденсации не будет, да и закрыть этот вопрос?
Так или иначе, но опыт дал неожиданный результат: в чистом воздухе туман всё равно образуется. Почему? Что в этом случае может являться центрами конденсации?
Много лет спустя Вильсон так описывал эмоциональное состояние, в котором находился в те дни: «Я был очень возбуждён, ведь почти сразу же я наткнулся на нечто, обещающее быть значительно более интересным, чем те оптические явления, ради которых я всё это начинал». Вильсон делает гениальное предположение, что влага конденсируется на ионах — заряженных частицах, каким-то образом возникающих в воздухе.
Чтобы проверить эту догадку, Вильсон берёт взаймы у профессора Томпсона одну из его драгоценных рентгеновских трубок (ему пришлось постоянно бороться со страхом повредить или ненароком разбить прибор). Изучением ионизирующих свойств рентгеновских лучей в это время как раз и занимался Томпсон, ставший поэтому заинтересованным участником опытов своего аспиранта.
Вот как он описывал творческие муки молодого Вильсона: «Создание туманной камеры [так назывался этот прибор до момента присвоения ему имени изобретателя. — Ю. Р.] оказалось чрезвычайно трудоёмким процессом. Для неё потребовалось несколько очень сложных стеклянных деталей, которые Вильсон изготовил сам, освоив профессию стеклодува.
Пол лаборатории был устлан осколками, колбы лопались вновь и вновь. Вильсон не расстраивался, начинал всё сначала, только приговаривал, пристраивая к аппарату очередную колбу: “Милая, милая, ты же потерпишь немного?”»
Прибор, который нам знаком как «камера Вильсона» и который на 40 лет станет самым важным инструментом в арсенале физики элементарных частиц, был изготовлен в 1910 году. Через год ему удаётся сделать первые фотографии туманных треков (следов) заряженных частиц, пролетавших через камеру.
В 1959-м, в возрасте 90 лет, он не забыл эти события и описал их такими словами: «Я до сих пор хорошо помню моё восхищение от полученных результатов. Эти следы были великолепны.
Они напоминали волоски или огоньки, возникающие то тут, то там… Это было потрясающе».
В 1927 году ему присуждают Нобелевскую премию по физике «за метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара». Заниматься дальнейшими усовершенствованиями своей камеры он не стал: проблемы электрофизики атмосферы его интересовали значительно больше.
В конце жизни он переселился с семьёй в деревушку Карлопс. Бывший депутат парламента Тэм Дэлиелл, проживавший с ним по соседству, так вспоминает первую встречу с Вильсоном: «Шёл дождь. В мою дверь постучали, я открыл.
На пороге стоял сосед, и он спросил, не хочу ли я прийти к нему выпить чашечку чаю. Пока он занимался чайником, я заметил на стене фотографию, которая заставила меня замереть.
На ней были 15 мужчин и одна женщина. Альберт Эйнштейн, Мария Кюри и все великие физики того времени. Среди них был мужчина, он был моложе на 40 лет, чем сейчас, но это был пригласивший меня на чай сосед. Я чуть не упал.
Оказывается, он и есть тот самый великий Вильсон, который помог человечеству вступить в ядерный век».
Нобелевская премия 1948 года. Туман под контролем
Принципиально улучшить камеру Вильсона удалось Патрику Мейнарду Стюарту барону Блэкетту. Кадровый офицер ВМФ принимал участие в боях Первой мировой войны на Фолклендских островах и в Ютландии.
После войны ушёл в отставку и занялся физикой под руководством Эрнеста Резерфорда в Кембридже.
Позднее он добьётся замечательных научных результатов и сделает несколько выдающихся открытий, но всё это — тема отдельного разговора. Сейчас важно другое.
В 1932 году, работая с молодым итальянским физиком Джузеппе Очиалини (на фото ниже), он разработал изящную комбинацию камеры Вильсона и двух счётчиков Гейгера — Мюллера, один из которых помещался над камерой, а второй — под нею. Специальная электронная схема запускала камеру Вильсона в работу, только если оба счётчика срабатывали одновременно.
Благодаря изобретению Блэкетта камера Вильсона приобрела «диаграмму направленности»; её теперь можно было настраивать на фиксацию частиц, прилетающих с заданного направления. Более того, устанавливая порог срабатывания счётчиков Гейгера, оказалось возможным фильтровать наблюдаемые частицы по энергиям.
Оба эти фактора привели к колоссальному прогрессу в области исследований космических лучей, астрофизики и физики элементарных частиц в целом. В 1948 году Блэкетт был удостоен Нобелевской премии по физике «за усовершенствование метода камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации».
Нобелевская премия 1960 года. Пузыри и туман
Если в камере Вильсона треки заряженных частиц образовывались за счёт конденсации переохлаждённого пара на ионах, то в приборе, который изобрёл в 1953 году и назвал «пузырьковой камерой» Дональд Артур Глейзер, следы частиц возникали в перегретой жидкости при понижении давления. В этом случае возникал как бы «туман наоборот»: по ходу движения частицы в жидкости образовывались цепочки пузырьков, наполненных паром.
Глейзер провёл множество экспериментов с различными жидкостями, включая даже пиво (сначала он утверждал, что сама идея пузырьковой камеры пришла ему в голову, когда он наблюдал «вскипание» пива при откупоривании бутылки; позже признался, что «пивного вдохновения» не было, но факт остаётся фактом: в первые модели пузырьковой камеры он заливал светлое пиво, и камера отлично работала!)
Пузырьковая камера Глейзера оказалась настолько удачным прибором, что с 60-х годов она полностью вытесняет камеры Вильсона. И Нобелевская премия по физике 1960 года досталась Дональду Глейзеру именно «за изобретение пузырьковой камеры».
Эксперименты на ускорителях во всём мире начинают проводиться с использованием всё более крупных криогенных пузырьковых камер, которые превращаются в сложнейшие инженерные комплексы, нафаршированные электроникой.
Сейчас «эпоха тумана и пара» в экспериментальной физике частиц завершается, и на смену пузырьковым камерам приходят новые типы детекторов. Но это уже совсем другая история…
10 НЕОЖИДАННЫХ ФАКТОВ ПРО НОБЕЛЕВСКУЮ ПРЕМИЮ
