Чарльз Вільсон – Левенгук світу атомних частинок
Грудень 1927 року. Королівський палац у Стокгольмі. У тронному залі король і королева, члени королівської родини, міністри шведського уряду, відомі вчені… Серед них і Чарльз Томсон Рис Вільсон. Як незатишно почуває він себе в цьому блискучому суспільстві! Але піти не можна: він один з винуватців сьогоднішнього торжества, один з іменинників.
Видатний шведський фізик професор К. Зігбан зачитує рішення: «Нобелівський комітет Шведської академії наук на своєму засіданні 10 листопада 1927 року постановив присудити Нобелівську премію з фізики Артуру X. Комптону за відкриття ефекту, що носить його ім’я, і Чарльзу Т. Р. Вільсону за відкриття методу, що дозволяє за допомогою конденсації пари бачити траєкторії польоту заряджених частинок».
Боячись і соромлячись, більше звичайного сутулячи свої худі плечі, Вільсон приймає диплом, вислуховує привітання, невиразно бурмоче у відповідь слова вдячності. І є від чого: адже його ім’я поставлено в один ряд з іменами таких корифеїв науки, як Вільгельм Рентген і Гендрік Лоренц, П’єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі, Ернест Резерфорд і Альберт Ейнштейн. Це не вкладається в свідомості Вільсона, але ж ось він, диплом, в руках, і на ньому все написано.
А на завтра призначена традиційна Нобелівська лекція. Текст її вже написаний, не один раз прочитаний, майже вивчений напам’ять, але це не рятує Вільсона від хвилювань: він знає, що варто йому піднятися на кафедру, поглянути в зал, застиглий в напруженому мовчанні, як язик вийде з-під контролю і добре продумана лекція перетвориться в жалюгідний, нескладний лепет. Так бувало вже не раз.
Може бути, не потрібно розповідати про переживання юності, про всю цю лірику? Чи не краще почати прямо з принципу дії приладу, з його фізичних основ? Але тоді навряд чи хто-небудь зрозуміє, що ідея, в результаті якої народилася камера, – це мета всього його життя, його перше і єдине кохання в науці, якій він ніколи не зраджував і – в 58 років можна вже говорити з впевненістю – не зрадить.
… Це почалося у вересні 1894 року, коли 25-річний Вільсон, який закінчив коледж в Кембриджі, приїхав на пару тижнів в обсерваторію, розташовану на вершині Бен-Невіс, найвищу в його рідній Шотландії.
З дитинства він зачарований красою цієї країни і може годинами дивитися на ніжні переливи бірюзових гір, на хмари, слухати дзвінкий плескіт гірських потічків, якому вторять дзвіночки стад, що пасуться на схилах.
Правда, на Бен-Невіс всього цього немає: вершина покрита глибоким шаром снігу, крізь який не прорватися ні деревцю, ні травинці. Але і тут є чим захоплюватися. Метеорологічні спостереження починалися о 5 годині ранку, і Вільсон щоранку вітав схід сонця. Це ні з чим не порівнянне видовище! Внизу розстеляється суцільне – до самого горизонту – море хмар, на якому, як справжні острова, підносяться темні, майже чорні вершини. Сонце підсвічує море хмар знизу, і застиглі було хвилі оживають, переливаючись ніжними фарбами – від блідо-рожевого до пурпурно-червоного. Неможливо відірватися від цієї картини!
І все ж Вільсон відривається, щоб насолодитися ще більш приголомшливим видом, що відкривається з заходу. Тінь, що відкидається вершиною Бен-Невіс на поверхню хмарного моря, спочатку торкається західної кромки горизонту, а потім у міру підйому сонця поступово коротшає. При цьому навколо тіні виникають слабкі, розпливчасті різнокольорові кільця. Вони поступово змінюють своє забарвлення, бліднуть і врешті-решт зовсім зникають, коли сонце прориває хмарну завісу і заливає все навколо своїм переможним сяйвом.
Краса оптичних ефектів вражає молодого Вільсона, але ж він не просто хлопець, що милується природою, а фізик, якому цікаво зрозуміти причини явища, його фізичні основи. На жаль, книги тут ні до чого; сутність оптичних ефектів в атмосфері, зокрема в хмарах, поки ще не розкрита. Значить, вирішує Вільсон, залишається з’ясувати все самому.
Однак як підступитися до проблеми? Адже хмари не «помацаєш», навіть коли вони обволікають вершину, на якій ти стоїш. Очевидно, спостереження на Бен-Невіс мало що дадуть. Потрібно відтворити хмари в лабораторії.
Через кілька місяців, на початку 1895 року, Вільсон стає співробітником знаменитої Кавендішської лабораторії в Кембриджі. Він отримує стипендію імені Максвелла, а з нею можливість протягом трьох років повністю віддатися науковій роботі. Метеорологічна рада доручає йому вести дослідження в області атмосферної електрики. Нарешті він займеться цим ділом! Вільсон збирає прилад, в якому можна штучно створювати хмари, – так звану «хмарну», або «туманну», камеру, – встановлює біля неї вольтову дугу і експериментує, експериментує, експериментує…
Але що таке? Чим більше він працює, тим ясніше усвідомлює, що невідоме головне: як виникають хмари? Чому при, здавалося б, одних і тих же умовах в камері то утворюється густий туман, то його ніякими силами не викличеш? Ось чому слід спочатку зайнятися, вирішує Вільсон і всю свою енергію спрямовує на з’ясування проблеми формування хмар.
Ще до Вільсона було встановлено, що дрібні крапельки води, з яких складаються хмари, виникають при швидкому охолодженні насиченого вологою повітря, причому для цього потрібні ядра конденсації – порошинки, крупинки морської солі і т. д. Інакше молекулам води нема за що зачепитися і крапелькам немає на чому рости. Вільсон ж хотів дізнатися, що відбувається при охолодженні вологого повітря, очищеного від пилу. Він методично, день за днем вів свої спостереження, коли в кінці того ж 1895 року світ був приголомшений сенсацією: німецький фізик Рентген відкрив свої знамениті ікс-промені, що володіють винятковою проникаючою здатністю.
Фізики всього світу кинулися вивчати ці надзвичайні промені. Було виготовлено рентгенівські трубки й у Кавендішській лабораторії. Природно, що Вільсона зацікавило питання: як впливають рентгенівські промені на утворення туману? І він виконав дуже простий дослід: встановив біля своєї «хмарної» камери рентгенівську трубку і зробив серію розширень, що викликають охолодження. Ефект виявився негайно: в камері, очищеної від пилу, утворювався густий туман.
Молодий вчений не поспішає ділитися своєю новиною. Перевірити ще раз, десять разів, сто разів. Тільки тоді можна стверджувати, що це результат дії ікс-променів. Він вимикає трубку. Туман, хоча і слабший, все ж утворюється. Почекати, очистити камеру, дати осісти краплям. Знову розширення. Туману немає. Включає рентгенівську трубку – густий туман! Результат безсумнівний. Тепер треба знайти причину. Адже не наповнюють ж рентгенівські промені камеру пилом! Значить, існує якийсь інший механізм конденсації? Але який?
Приблизно в той же час вчені виявили, що рентгенівські промені викликають іонізацію повітря. Чи не іони служать ядрами конденсації? Треба перевірити. Легко сказати – перевірити! А як?
Знаменитий англійський фізик Дж. Дж. Томсон, який керував тоді Кавендішською лабораторією, зацікавився дослідами Вільсона і запропонував дотепне рішення: ввести в камеру електричне поле, яке розсмоктувало б іони, очищаючи камеру. Якщо конденсація відбувається дійсно на цих іонах, то при включеному полі туман виникати не повинен. І туман зник!
Це було перше, але виключно важливе відкриття 27-річного Вільсона: ядрами конденсації є не тільки частинки пилу, але і заряджені іони! День за днем, з місяця в місяць Вільсон продовжував досліджувати умови утворення туману, створюючи самі різні режими роботи камери, наповнюючи її всілякими газами, пробуючи на ній дію різних випромінювань. У 1896 році Анрі Беккерель відкрив явище радіоактивності урану, і Вільсон відразу ж відчуває дію нових променів на своїй камері, переконуючись, що і вони, подібно рентгенівським променям, викликають утворення крапель.
Вільсон мав виняткову цілеспрямованістю, неймовірну працьовитість, нескінченне терпіння. У нього були золоті руки; він сам виготовляв всі деталі своїх приладів, робив і важку і найтоншу, ювелірну роботу, постійно вносячи якісь удосконалення в конструкцію.
Якось на обіді з нагоди свого повернення з Австралії Ернест Резерфорд, який любив жартувати, розповів: «Перед від’їздом з Кембриджа я зайшов попрощатися з моїм старим другом Сі-Ті-Аром. Він у себе в лабораторії методично шліфував вручну велику брилу скла. За цим заняттям я і залишив його… Перший, кого я побачив, повернувшись після декількох місяців відсутності, був мій старий друг Сі-Ті-Ар, який все ще шліфував велику брилу скла”.
«Сі-Ті-Ар» – так вимовляються по-англійськи ініціали Ч. Т. Р. Вільсона, і так його звали друзі і колеги. До нього ставилися з великою теплотою. Та й яке інше почуття, крім симпатії, міг викликати цей скромний чоловік захоплений, щоб не сказати одержимий, своєю ідеєю!
Від цієї ідеї Вільсона не могли відвернути ніякі нові сенсаційні відкриття, ніякі нові теорії. Деяким співробітникам Кавендішської лабораторії здавалося, що він у своїх дослідженнях тупцює на місці і вже у всякому разі, знаходиться десь в стороні від головного напрямку розвитку науки. На перший погляд це було дійсно так.
Адже на рубежі XIX і XX століть народилася ядерна фізика. Вчені в усьому світі прагнули збагнути природу радіоактивного випромінювання, вивчити властивості електронів і альфа-частинок, з’ясувати структуру атома, а Вільсон продовжував возитися зі своєю камерою, єдиним, здавалося б, корисним призначенням якої було визначення іонізації повітря. У 1901 році він опублікував статтю, яка так і називалася: «Конденсаційний метод демонстрування іонізації повітря».
Зате вже в питаннях електричних властивостей повітря і формування хмар Вільсон був визнаним авторитетом. Не випадково в 1900 році він був обраний за рекомендацією Дж. Дж. Томсона членом Королівського товариства, тобто, користуючись нашою термінологією, став академіком. Академіком в 31 рік!
Це був зовсім незвичайний випадок: простий лаборант став академіком! Адже тільки через рік його призначили лектором і старшим демонстратором з фізики, а звання професора він отримав лише через 25 років! Втім, Вільсон так і не став хорошим лектором, швидше навпаки: кожна його лекція була справжніми тортурами і для нього і для слухачів.
Але в лабораторії він був божеством. Три дні на тиждень з десятої ранку до п’ятої вечора Вільсон спостерігав за практичними заняттями студентів-старшокурсників. Дуже м’який, бездоганно ввічливий, він разом з тим не терпів недбалості в експериментальній роботі. Якщо у студента виходили результати, які розходилися з загальновизнаними, він заставляв знову і знову переробляти роботу, а нерідко і сам крок за кроком перевіряв всі деталі експерименту, щоб дошукатися причин помилки або розбіжності.
Ще більш прискіпливим був «Сі-Ті-Ар» до власних досліджень. Він рідко публікував свої результати, але кожна його стаття – це об’єктивний звіт про бездоганно проведену роботу.
Поряд з лабораторними дослідженнями Вільсон вивчав атмосферну електрику і в природних умовах. Він сконструював і виготовив безліч електрометрів, розмістив їх в горах поблизу Бен-Невіс і намагався з’ясувати, – як впливає гроза на щільність заряду і електричне поле Землі. Але для цього потрібно було знімати показання приладів безпосередньо під час грози. І той, хто бачив грозу в горах, зрозуміє, якою мужністю і самовідданістю володів Вільсон.
Але основний свій час Вільсон як і раніше віддавав «туманній» камері. Він інстинктивно відчував, що ця скромна «попелюшка» здатна на щось більше, ніж просте демонстрування іонізації повітря. Ретельно і наполегливо, як педагог, який вірить в свого учня, він розвивав і «виховував» її, прагнучи виявити всі приховані в ній здатності.
І ось прийшла перемога? Грандіозна, приголомшлива! Подібно до того, як мікроскоп Левенгука зробив зримим світ найдрібніших живих істот, так камера Вільсона дозволила людям заглянути в невідомий світ незрівнянно більш дрібних об’єктів – світ елементарних частинок. Вона показала справжні, «живі» ядерні частинки, зробила видимим невидиме. «Попелюшка» перетворилася в «принцесу»!
Далі буде.
Автор: І. Беккерман.