Патрик Блэкетт и Джузеппе Оккиалини
В 1931 году считалось, что материя состоит из атомов, и «атомное меню» весьма простое – электроны и протоны. Позитронам там места не было. Так откуда же они появились и что собой представляют?
Андерсон и Милликен жили на западном побережье США. В те времена еще не было средств связи, позволяющих мгновенно связаться с другими людьми, не было групп по интересам, которые ведут обсуждение в Сети, что является обычным делом сегодня, они имели лишь отдаленное представление о работе Дирака. В то время как Андерсон первым идентифицировал позитрон, Патрик Блэкетт и Джузеппе Оккиалини из Кавендишской лаборатории в Кембридже подтвердили его существование без всякого сомнения и объяснили, откуда он появился.
Патрик Блэкетт учился в Королевском военно-морском колледже и начинал карьеру в армии, участвовал в Первой мировой войне. После окончания войны он уволился из армии и поступил в Кембриджский университет, где изучал физику. После окончания остался работать в этом университете, но в дальнейшем также работал в Лондонском и Манчестерском университетах, а к началу Второй мировой войны перешел в одно из научных подразделений Королевских ВВС и участвовал в разработке воздушной защиты против налетов Люфтваффе.
Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт (1897–1974) – английский физик, президент Лондонского королевского общества в 1965–1966 годы. Он занимался физикой космических лучей с помощью усовершенствованной им камеры Вильсона. Нобелевскую премию получил в 1948 году за усовершенствование камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации
Усовершенствованную камеру Вильсона он сконструировал вместе с Джузеппе Оккиалини, целью было изучение космического излучения, и в 1933 году они подтвердили открытие позитрона, также Блэкетт доказал существование ливней электронов и позитронов. Поскольку в обычной материи не содержится позитронов, Блэкетт разработал концепцию рождения пар на основе теории Поля Дирака – рождения пары частица – античастица за счет гамма-излучения. Кроме того ему удалось экспериментально доказать наличие обратного процесса, то есть аннигиляции.
После Второй мировой войны Блэкетт занимался космическим излучением и истоками межзвездного космического магнитного поля. Эти исследования, которые расходились с современным состоянием науки, привели его к исследованию истории магнитного поля Земли и намагничивания пород.
Джузеппе Оккиалини окончил Флорентийский университет, вначале работал во Флоренции, а потом переехал в Кембридж и стал работать в Кавендишской лаборатории, где познакомился с Патриком Блэкеттом. Он также был удостоен Нобелевской премии по физике в 1948 году за усовершенствование камеры Вильсона и сделанные с ее помощью открытия. В дальнейшем переключился на космические исследования.
Но нас интересует то, что происходило в Каведишской лаборатории после того, как познакомились Блэкетт и Оккиалини. Позитронов нет внутри атомов, по крайней мере, атомов материи, известной нам на Земле. Так откуда позитроны берутся в космических лучах? Андерсон этого не знал, ответ дали Блэкетт и Оккиалини: позитроны не являются внеземными пришельцами, а создаются в атмосфере самой космической радиацией.
Джузеппе Паоло Станислао Оккиалини (1907–1993) – итальянский физик, занимался физикой элементарных частиц. Считается одним из основателей европейской космической программы. Был первым директором Института космической астрофизики и физики космоса, который теперь носит его имя
Изначально Блэкетт работал с камерой Вильсона в группе Резерфорда в Кавендишской лаборатории. Он изобрел камеру, которая была готова к действию каждые десять секунд, и сделал фотографии на обычную кинематографическую пленку. В период с 1921 по 1924 год он зафиксировал более 20 000 фотографий следов, оставляемых альфа-частицами – продуктом радиоактивного ядерного распада – которые бомбардировали азот в камере. Время от времени альфа-частица сталкивалась с ядром атома азота и соединялась с ним таким образом, что азот превращался в другой элемент. Блэкетт таким образом зафиксировал ядерную трансмутацию на пленке и прославился.
Как уже говорилось, в Кавендишскую лабораторию в 1931 году приехал Джузеппе Оккиалини. Он специализировался на обнаружении ядерной радиации с помощью счетчиков Гейгера. Сравнив свои записи с исследованиями Блэкетта, Оккиалини понял, что, объединив усилия и опыт, они смогут изменить камеру Вильсона, превратив ее в очень эффективный инструмент. До них она в общем-то работала неточно.
Идея была блестящей и простой. Камера Блэкетта работала, автоматически снова и снова делая снимки, и ждала своего шанса – когда случится что-то выдающееся. На большинстве снимков ничего интересного не было, следы фиксировались примерно на одном из двадцати. Счетчик Гейгера усиливал сильные стороны и ослаблял слабые стороны камеры Вильсона. Он реагировал, если сквозь него проходила заряженная частица, но практически ничего не показывал для того, чтобы определить, откуда она появилась. Блэкетт и Оккиалини решили поместить один счетчик Гейгера над камерой Вильсона, а второй – под ней. Если оба счетчика отреагируют одновременно, это будет подтверждением прохода космического луча сквозь камеру, – решили они. В результате удалось зафиксировать следы космического излучения на пленке. Главное – это то, что следы остаются после прохождения луча, ведь к тому времени, как делался снимок, луч уже давно прошел, но важные капли все еще оставались в газе.
Классическая фотография (ок. 1930 г.) получена в опыте Блэкетта, где радиоактивный источник помещен в камеру Вильсона, наполненную смесью газов. Эту реакцию можно описать как захват ядра гелия ядром азота, который превращается при этом в короткоживущий изотоп фтора, мгновенно распадающийся (с высвобождением энергии) на кислород и протон. На фото полностью виден трек протона – без преувеличения можно сказать, что вероятность наблюдения такого трека не превышает одной миллионной
Если раньше у Блэкетта получалась одна успешная фотография из двадцати, то теперь результат показывали четыре из пяти! Первые фотографии этим методом были сделаны в июне 1932 года, а к концу осени у исследователей набралось уже около тысячи снимков. Они обратили внимание на то, что ряд следов, которые на первый взгляд казались электронами, на самом деле отклонялись не в ту сторону в магнитном поле. Блэкетт обсудил этот вопрос с Дираком.
Дирак не только не воскликнул «Эврика!», но даже и «Позитрон!», хотя это было доказательством его теории. Но этого не произошло. Почему-то Блэкетт с Дираком не смогли сделать должный вывод. Возможно, это объясняется осторожностью Дирака (или Блэкетт не смог оценить глубину теории Дирака, или просто не воспринимал ее достаточно серьезно). Но как бы это ни объяснялось, Блэкетт с Дираком расстались, и ни один из них не осознал до конца истины, которая была у них перед глазами. Как незадолго до них Скобельцын упустил Нобелевскую премию, так и Блэкетт с Оккиалини не заметили, какое открытие совершили. И только услышав об открытии Карла Андерсона, они наконец поняли, что обнаружили.
Карл Дэвид Андерсон (1905–1991) – американский физик-экспериментатор, открывший позитрон и удостоенный за это Нобелевской премии по физике (1936). Разделил премию с Виктором Гессом, открывшим космические лучи и доказавшим их внеземное происхождение
Но, к счастью, они могли предложить больше, чем Скобельцын и Андерсон в своих неточных и неустойчивых экспериментах. На многих фотографиях было видно до двадцати следов, оставленных частицами, которые выходили из какой-то точки на медной пластине, расположенной сразу же над камерой, словно вода из душа. Сильное магнитное поле во всей камере отклоняло треки, показывая, что примерно половина частиц заряжены отрицательно, а остальные – положительно. Блэкетт и Оккиалини поняли, что позитроны не появляются на Земле естественным образом. Появление равных количеств позитронов и электронов должно происходить потому, что они производятся некоей невидимой космической радиацией с большим количеством энергии. То есть позитроны формируются в результате столкновений космических лучей и атомов в камере Вильсона.
Камера, с которой работали ученые, имела стеклянные стенки в медной обшивке, и ливни были результатом ударов космических лучей о металл. Таким образом, одного электрона в космическом луче достаточно для получения каскада электронов и позитронов. Сильные электрические поля внутри атомов меди заставляли проходящие электроны излучать гамма-лучи и обеспечивали достаточное количество энергии этим гамма-лучам. Они в свою очередь обеспечивали пары электронов и позитронов. Уравнение Альберта Эйнштейна E = mc2 подразумевает, что энергию (Е) можно превратить в массу (m) – радиацию в материю – а Блэкетт с Оккиалини впервые продемонстрировали создание материи и антиматерии из радиации. Они доказали, что новая частица Андерсона не является каким-то странным внеземным пришельцем, вторгающимся на чужую территорию.
Ироничным в этой драме является то, что Блэкетт с Оккиалини чуть не опередили Андерсона, а ведь вся слава могла достаться им. Андерсону было трудно убедить своего учителя Милликена в том, что он обнаружил положительную версию электрона, а не просто видел протоны. Работа Блэкетта и Оккиалини доказала, не оставив никаких сомнений, что это так, и Милликен с неохотой согласился с правотой Андерсона. А последний оказался достаточно смелым, чтобы опубликовать результаты своей работы в 1932 году несмотря на скептицизм Милликена. И его декабрьская публикация опередила появление работы Блэкетта и Оккиалини в феврале 1933 года. Поэтому первооткрывателем позитрона и считается Карл Андерсон.
