В 1933 году радиоинженер из компании Bell Labs Карл Янский сканировал небо на «коротких волнах» или радиочастотах с помощью антенны. Он пытался выяснить наличие каких-либо источников шума, которые могли бы помешать телекоммуникационной компании AT&T передавать телефонные сигналы через Атлантику. Вместо этого он обнаружил таинственное шипение, которое он поэтически окрестил «звездным шумом», – космические радиоволны, наиболее сильные в направлении края нашей галактики. Тысячелетиями люди смотрели в ночное небо, не зная, что видят всего лишь часть происходящего снаружи, не дальше видимого спектра. Открытие Янского показало, что большая часть света, исходящего из Вселенной, находится не в видимом спектре, а в радиоспектре.

Так совпало, что это открытие случилось тогда же, когда физики-ядерщики изучали природу в ее мельчайших масштабах. Две области – астрономия и ядерная физика – поначалу казались не связанными, пока случайное открытие с использованием ускорителей частиц не привело к объединению знаний двух областей. Результатом стало не просто более глубокое понимание астрофизики, но и создание мощных инструментов, сейчас использующихся практически во всех областях науки, открытия которых повлияли на всю нашу жизнь.

Поначалу астрономическое сообщество проигнорировало открытие Янским космических радиоволн. Но вскоре эту тему подхватил другой радиоинженер, Гроут Ребер. Ребер профинансировал и построил первый радиотелескоп в Иллинойсе в 1937 году и обнаружил яркие источники радиоволн в созвездиях Лебедя и Кассиопеи. Со временем астрономы обратили на это внимание, и этот новый инструмент привел к заметному сдвигу в нашем взгляде на космос. К 1950–1960-м годам радиоастрономия дала нам совершенно иной взгляд на Вселенную, открыв то, о чем мы раньше не знали. Небесные объекты излучали радиоволны, включая нашу галактику Млечный Путь. Астроном Джесси Гринштейн позже говорил в интервью The New York Times, что заря радиоастрономии «привела к появлению информации, которая перевернула идею рационально развивающейся Вселенной… и заменила ее релятивистским космосом сверхвысоких энергий, полным страшных, жестоких, неконтролируемых сил, таких как черные дыры и квазары. Это была революция».

Радиоастрономия привела ко многим открытиям. Например, в 1945 году геолог и физик Фрэнсис Элизабет Александер установила, что радиосигналы исходят от Солнца. В 1967 году Джоселин Белл Бернелл обнаружила объекты, излучающие интенсивные регулярные импульсы радиоволн, напоминающие внеземной маяк, за что они получили прозвище «маленькие зеленые человечки». Пульсары, как мы называем их сегодня, – это чрезвычайно компактные вращающиеся звезды, испускающие излучение со своих полюсов, из которых астрономы многое узнали о процессах в конце жизни звезды. Открытие пульсаров было настолько важным, что за него удостоили Нобелевской премией, но не Белл Бернелл – очевидно, из-за ее статуса аспирантки в то время: вместо нее награду получил ее научный руководитель Энтони Хьюиш.

Сегодня многое из того, что мы знаем о космологии, черных дырах, сверхновых и других впечатляющих объектах во Вселенной, – результат десятилетий работы в области радиоастрономии, но еще в 1940-х годах ученые искали ответ на важный вопрос: как эти объекты, от пульсаров до Млечного Пути, излучают радиоволны? Ответ был найден здесь, на Земле, физиками, строящими ускорители, чтобы проникнуть в атом.

Почему бы просто не использовать циклотрон? Оказывается, он отлично подходит для протонов и дейтронов, но плохо ускоряет электроны. Циклотрон, как мы видели в предыдущей главе, представляет собой машину, которая использует магнитное поле для изгиба заряженных частиц по кругу и колеблющееся электрическое поле, которое придает частицам большую скорость. Будучи самыми легкими представителями мира частиц, электроны очень легко достигают скорости, близкой к скорости света, и, согласно теории относительности, хотя частицы могут получать больше энергии на этих скоростях, они уже не становятся быстрее. Это означает, что колеблющееся электрическое поле теряет синхронность с электронами и начинает их замедлять. Физики, стремящиеся заполучить высокоэнергетические электроны для генерации рентгеновских лучей или проведения экспериментов по рассеянию, оказались в тупике. Но бетатрон доказал, что на циклотроне свет клином не сошелся, как любил говорить Лоуренс.

Бетатроны работают по несколько иному принципу. Они используют принцип магнитной индукции, то есть идею о том, что изменяющееся магнитное поле индуцирует ток в замкнутом проводящем контуре, точно так же, как индукционная плита генерирует ток, чтобы нагреть сковороду. Пучок электронов, движущийся по кругу, может действовать так, будто он находится в проволоке или сковороде. Таким образом, помещение электронов в изменяющееся магнитное поле может придать пучку энергию, одновременно удерживая и фокусируя его, но при этом не надо беспокоиться о синхронизации колебаний напряжения. Эта идея фактически схожа с мыслью, которую молодой Эрнест Уолтон предложил Резерфорду в конце 1920-х годов. Попытки Уолтона разработать такой аппарат тогда не увенчались успехом, что стало одной из причин, по которой он в конечном итоге создал ускоритель с Джоном Кокрофтом. Хотя его первые эксперименты потерпели неудачу, Уолтон внес ключевой вклад в теорию такой машины, и в том числе выяснил, как заставить частицы оставаться на желаемой орбите. На самом деле добиться этого куда сложнее, чем вы думаете.

В циклическом ускорителе цель состоит в том, чтобы частицы идеально вращались по кольцеобразной траектории, проходящей внутри круглой трубки, известной как «пончик». При работе с реальным пучком частиц мы должны думать о них не по отдельности, а как о совокупности независимых частиц, каждая из которых никогда не находится идеально посередине трубки. Вместо этого каждая частица следует по своей собственной траектории, которая не совсем соответствует идеальной орбите. Уолтон справедливо опасался, что по мере ускорения частиц их нужно будет постоянно отталкивать обратно к центру трубки, чтобы они не отлетали и не терялись. Он произвел подробный расчет того, как это сделать, придав магнитному полю такую форму, чтобы оно уменьшалось с увеличением радиуса и искривлялось у внешнего края кольца. Такая установка, как он выяснил, фокусирует частицы и гарантирует, что они всегда возвращаются на идеальную орбиту.

К 1940 году первый работающий бетатрон был, наконец, создан Дональдом Керстом в Соединенных Штатах. Новая машина быстро стала многообещающей технологией для ускорения электронов примерно до 99,99 % скорости света. Теперь, когда электроны можно было ускорять, им быстро нашлось применение не только в науке, но и в реальном мире. В частности, появился рынок ускорителей частиц в медицине и промышленности. В 1944 году физик Херб Поллок возглавил команду исследовательской лаборатории General Electric (далее GE) в Скенектади, штат Нью-Йорк, для создания бетатрона, рассчитанного на энергию в 100 Мэ В. Ребристый железный фасад 130-тонной машины возвышался над головами физиков и был больше похож на линкор, чем на медицинское устройство, поперек него шла надпись General Electric. Зазор примерно на высоте головы создавал пространство для кольцеобразного вакуумного сосуда. Работая, машина издавала оглушительный жужжащий шум, поскольку мощные электрические токи циркулировали в катушках электромагнита, ускоряя пучки от нуля до 100 МэВ 60 раз в секунду.

Физик и инженер Уильям Кулидж, по совместительству директор исследовательской лаборатории GE, намеревался использовать бетатрон для создания высокоэнергетических рентгеновских лучей путем воздействия электронов с энергией 100 МэВ на мишень, что позволило бы ему получить рентгеновскую супертрубку, лучи которой могли бы проходить сквозь тело или промышленные объекты для получения изображений там, где рентгеновские лучи с более низкой энергией останавливались. Он надеялся, что бетатрон станет коммерческим устройством, после чего команда будет создавать все большие и большие машины по мере роста рынка. Но лучше всего было то, что ученые не видели предела энергии электронов, которой они могли достичь с помощью такого устройства.

Как только они привыкли управлять машиной, Джон Блюитт, физик из другой группы GE, узнал о теории, которая, казалось, представляла проблему. Советские ученые Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук указали в письме в журнал Physical Review, что существует проблема с ускорением электронов в циклической машине. Если вы примените принцип сохранения импульса к заряженной частице, движущейся по кругу, то обнаружите, что изгибание ее траектории должно вызывать излучение. Блюитт повторил расчеты и понял, что русские правы.

Для бетатрона с энергией 100 МэВ эффект окажется небольшим. Потеря энергии составила бы всего 10 эВ за оборот, так что конечная энергия их машины составила бы 99, а не 100 Мэ В. Невелика потеря. Но расчеты предсказывали, что при каждом удвоении энергии электрона потери увеличатся в 16 раз. Если бы ученые хотели создать бетатроны большего размера, то по мере того, как частицы достигали бы более высоких энергий, испускалось бы огромное количество излучения. По словам Иваненко и Померанчука, будет потеряно так много энергии, что механизм ускорения просто перестанет справляться. Верхним пределом, по их словам, станет энергия частиц около 500 Мэ В. Если это так, то идея бетатрона вскоре устареет.

Некоторые ученые из команды GE скептически относились к идее существования такого эффекта. В конце концов, электроны все время движутся по проводам и не испускают излучения. Блюитт настоял на проведении теста в GE, чтобы проверить, верны ли прогнозы. В их распоряжении был бетатрон мощностью 100 МэВ, и Блюитт подсчитал, что орбита должна немного сместиться из-за радиационного эффекта.

Когда они включили аппарат и провели измерения, орбита действительно казалась немного отклоненной. Но, опять же, это сложная машина, и сдвиг орбиты мог произойти по целому ряду причин. Бесспорным доказательством может служить только само излучение. Они разместили вокруг машины оборудование для отслеживания радиации в радиочастотном спектре, но так ничего и не нашли.

Этот вопрос все еще оставался нерешенным в конце 1945 года, когда Эрнест Лоуренс нанес один из своих регулярных визитов в Скенектади и переключил внимание здешних исследователей на новую цель. На семинаре он представил идею, над которой работала его команда в Беркли. Вместо движущихся по спирали частиц в циклотроне Лоуренс предложил машину с пучком, ограниченным одной орбитой, где ускорение обеспечивалось бы радиочастотными электрическими полями, а магнитное поле возрастало бы во времени. Эту идею одновременно выдвинули сразу два ученых – коллега Лоуренса из Беркли Эд Макмиллан и Владимир Векслер в России. Они развили идею, которую несколькими годами ранее представил австралиец Марк Олифант, один из учеников Резерфорда. Эта новая концепция избавила бы от необходимости в гигантских магнитах для циклотронов и бетатронов, но в качестве компромисса выступал несколько более сложный принцип работы: поскольку скорость частиц меняется от орбиты к орбите, ускоряющая частота должна изменяться во времени, чтобы не отставать. Все должно быть идеально синхронизировано, а потому это устройство получило имя «синхротрон».

Макмиллан и Векслер решили эту проблему с помощью принципа фазовой стабильности, который основывался на синхронизации используемых радиочастотных полей для ускорения луча орбита за орбитой. Проще всего представить кучу заряженных частиц в циклическом ускорителе как группу серферов, дрейфующих на волне (напряжения). Если серферу нужно ускориться, он может подняться ближе к вершине волны, где ее изгиб круче; если ему нужно замедлиться, он может спуститься к нижней части волны. При правильной синхронизации по отношению к волне напряжения, создаваемой радиочастотными полями, передние (более быстрые) частицы встречают более низкое напряжение, чем задние (более медленные), и остаются сгруппированными.

Это позволит не только сгруппировать и ускорить пучки частиц, но и, как утверждал Макмиллан, преодолеть любые потери энергии на излучение. Похоже на серфинг при встречном ветре: всем серферам нужно немного приблизиться к вершине волны, чтобы продолжать движение, но они могут это сделать при условии, что волна достаточно высока. Синхротрон сможет превысить энергетический предел в 500 МэВ, предсказанный Иваненко и Померанчуком.

Лоуренсу идея казалась абсолютно привлекательной, поскольку синхротрон может достигать почти неограниченной энергии, в отличие от изобретенного им циклотрона. Он был полон решимости построить синхротрон, чтобы достичь высоких энергий и наконец оставить все то железо, которое нужно для циклотронов. Однако, в типичном для Лоуренса стиле, он еще не построил новый ускоритель: он просто всем о нем рассказывал, пока они с Макмилланом разрабатывали план. Для физиков GE его семинар прояснил сразу две вещи: во-первых, актуальность бетатрона может оказаться еще короче, чем они себе представляли – синхротрон очень быстро выйдет на первый план в ускорении электронов; во-вторых, они могли бы построить небольшой синхротрон до того, как Лоуренс построит свой, чтобы первыми в мире доказать его значимость.

Физики из GE сразу же получили разрешение на создание синхротрона с энергией 70 МэВ и приступили к его проектированию. Сам магнит весил 8 тонн и имел 6-сантиметровый зазор посередине для круглого «пончика» диаметром 70 см, через который проходил луч. Они разработали хитроумный силовой контур, который передавал энергию по кругу для увеличения и уменьшения магнитного поля в установленное время, что позволяло управлять частицами. Между тем Блюитт, который ушел из GE, оставил им некоторые расчеты, полученные от уважаемого теоретика Джулиана Швингера, где было несколько дополнительных сведений об излучении, предсказанном Иваненко и Померанчуком.

Позже Швингер разделит Нобелевскую премию с Ричардом Фейнманом и Синъитиро Томонагой за развитие квантовой электродинамики (КЭД) в конце 1940-х годов. Расчеты Швингера гласили, что излучение, испускаемое по круговой траектории, не будет выделяться во всех направлениях: оно будет образовывать плотный луч, направленный вперед вдоль траектории частицы. Он предсказал, что частота излучения будет смещаться выше по мере увеличения энергии электронов. Наконец, он отметил, что при энергиях, с которыми работала команда GE, излучение должно выходить за пределы радиочастотного диапазона, вплоть до видимых частот.

Синхротрон, построенный физиками из GE, начал работать в октябре 1946 года, но вовсе не так гладко, как все надеялись. Компоненты постоянно выходили из строя, их приходилось заменять, но ученые продолжали работу, и в апреле 1947 года все шло довольно хорошо, за исключением одной проблемы: в машине замечалось искрение. Техника Флойда Хабера послали понаблюдать за синхротроном во время его работы, чтобы понять, в чем проблема.

Стоять рядом с такой машиной, когда она работает, довольно опасно, поэтому Хабер установил большое зеркало размером 1,8 × 0,9 м, чтобы наблюдать за машиной, а сам при этом надежно прятался за углом толстой бетонной стены. Когда ученые разогнали машину до пределов ее возможностей, Хабер крикнул, что видит искрение, и велел им выключить ее. Обычно, если происходит искрение, уровень вакуума – давление в «пончике» – быстро меняется, но не в этом случае: уровень вакуума оставался стабильным. Один из физиков, Роберт Ленгмюр, тоже пришел взглянуть, и все вместе они наблюдали маленькое, очень яркое голубоватое пятно, исходящее от синхротрона.

Ленгмюр сразу понял, что он видит. Он попросил остановить ускорение луча – и свет исчез. Это, должно быть, и есть то самое «излучение Швингера». Пораженные тем, что их электронный луч испускает видимый свет, ученые решили проверить предположение о том, что цвет света связан с энергией частицы. Снизив энергию, они наблюдали – должно быть, со смесью удовлетворения и недоверия, – как пятно света меняло цвет с синего на желтый, а затем на красный, пока не исчезло полностью. Все это, как позже вспоминал один из членов команды, заняло около 30 минут. По счастливой случайности, новая вакуумная камера была сделана из стекла, поэтому они могли видеть свет, исходящий от циркулирующих электронов. Этот же эффект ускользнул от них тремя годами ранее при работе с бетатроном, потому что металлическая камера блокировала свет. Это был один из тех редких моментов случайного открытия, которое впоследствии окажет большое влияние.

Свет, излучаемый таким образом, называется синхротронным излучением и обладает очень специфическими свойствами. Он может быть невероятно интенсивным, когерентным (больше похож на лазер, чем на лампочку) и охватывать весь электромагнитный спектр, от рентгеновских лучей через видимый свет до инфракрасного, в зависимости от магнитного поля и энергии электронов. Свет поляризован, то есть все колебания световых волн происходят в одном направлении. Свет может поляризоваться по-разному, в том числе когда он отражается от воды или капота автомобиля, которые поляризуют его в основном в горизонтальном направлении. Вот почему поляризованные линзы в солнцезащитных очках блокируют блики, пропуская только вертикальные световые волны. Синхротронный свет поляризуется в направлении, связанном с изгибом электронов: в случае с лучом, циркулирующим в ускорителе, он поляризуется горизонтально. Его свойства настолько уникальны, что при должных изменениях вы сможете точно определить, когда он возникает: если вы измеряете свет с правильными свойствами, то можете сделать вывод, что он почти наверняка исходит от электронов, чьи траектории изгибаются в магнитных полях.

Это открытие стало ключевым в разгадке мучающего астрономов вопроса об источнике радиоизлучения в космосе. Млечный Путь, пульсары и многие другие объекты – не просто шары из газа и пыли: у них есть магнитные поля. Когда заряженные частицы искривляются в этих полях, они испускают синхротронное излучение точно так же, как в ускорителе, освещая Вселенную, обычно в спектре радиоволн. Астрономы могут проверить, поляризовано ли излучение, и таким образом определить магнитную структуру – расположение и силу магнитных полей – объектов в космосе.

По мере развития радиоастрономии в 1950–1960-х годах выяснилось, что магнитные поля встречаются гораздо чаще, чем предполагалось ранее. Один из впечатляющих примеров – Крабовидная туманность в созвездии Тельца, остатки разрушительной сверхновой, наблюдавшейся в 1054 году н. э., у которой, как оказалось, есть энергетическое облако электронов, вращающихся по силовым линиям магнитного поля и управляемых пульсаром в ее центре. Теперь мы знаем, что все звезды, галактики, нейтронные звезды и сверхновые имеют магнитные поля. Магнетизм может также объяснить поведение самых удивительных объектов в космосе, включая огромные струи (джеты) ионизированного вещества, выбрасываемые сверхмассивными черными дырами: считается, что они вызваны частицами, ускоренными в запутанных магнитных полях в центре этих плотных компактных объектов. Знание о синхротронном излучении помогло астрономам, регистрирующим радиоизлучение из космоса, получить представление о подобных объектах и лучше понять магнитные свойства нашей Вселенной.

В GE свет поначалу восприняли как диковинку и демонстрировали его всем посетителям. Затем ученые поняли, что могут использовать свет для настройки, оптимизации и управления синхротроном, что помогло им спроектировать новые машины для продажи. В течение следующих нескольких лет по всему миру были построены синхротроны с более высокой энергией, и вскоре стало очевидно, что синхротронное излучение обладает куда большим потенциалом, чем просто диагностика электронного пучка. Изобретатель бетатрона Дональд Керст отлично это подметил в своем высказывании: «Как было бы интересно, если бы эти красивые и сложные машины внесли свой наибольший вклад в науку в качестве электрических лампочек». Во многих отношениях ироничное замечание Керста оказалось пророческим. Как только синхротронное излучение было получено в лабораторных условиях, оно тут же стало непревзойденным инструментом научных исследований, применяющимся в различных областях – от химии и биологии до материаловедения и археологии.

Впервые ученые попытались использовать синхротронное излучение в Корнелле в 1956 году, а пять лет спустя – в Национальном бюро стандартов США, которое устанавливает стандарты работы в таких областях, как радио, автомобильная промышленность и электроника. Подтверждено, что синхротронное излучение намного превосходит любой стандартный источник света или рентгеновскую трубку. Другие быстро последовали примеру, адаптировав существующие синхротроны под нужды пользователей, чтобы те могли получить доступ к свету для экспериментов. Сначала этим сторонним пользователям приходилось бороться за время и пространство на объектах ядерной физики, но к 1970 году был построен первый пользовательский объект: Источник синхротронного излучения (SRS) в лаборатории Дарсбери, Великобритания. Правительства по всему миру начали строить ускорители частиц не для ядерной физики, а для удовлетворения потребностей широкого круга научных и коммерческих пользователей. К 1974 году в мире насчитывалось более 10 синхротронных установок, спроектированных и построенных специально для генерации синхротронного излучения.

Изображения могут быть получены с использованием синхротронного излучения путем помещения образцов в световое поле в вакуумной камере и записи результата, первоначально при помощи фотопластинок, как было в 1970-х годах, а в настоящее время – цифровых детекторов. Исследуемые образцы могут быть невероятно разнообразными: примеры включают в себя шоколад, сталь и даже кусочки морского огурца.

Область, которая, возможно, выиграла от синхротронного излучения куда больше, чем любая другая, – это структурная биология. Здесь огромную роль играют физические структуры в микроскопическом масштабе: то, как сворачиваются белки, возникают болезни и даже сама структура ДНК. Как объяснил оксфордский профессор биологии Дэвид Стюарт в интервью для медицинского факультета Наффилда, структурные биологи занимаются очень подробным изучением биологии, подобно тому как для знакомства с принципом работы автомобиля надо изучить каждую его деталь – как она взаимодействует с другими частями и как все вместе они составляют машину. Организмы, подобные нам, состоят из триллионов клеток, которые обладают поразительным разнообразием внутренних компонентов, действующих на наноуровне. Когда мы понимаем, как работает биология в таком масштабе, это дает нам возможность принимать меры, когда что-то идет не так.

Все началось с того, что Уильям и Лоуренс Брэгги из Университета Аделаиды, британо-австралийские физики, отец и сын, в 1913 году взяли источник рентгеновского излучения и направили его на кристалл соли. Появившаяся дифракционная картина, как они поняли, могла рассказать им о структуре самого кристалла, вплоть до уровня атомов. Вслед за ними ученые усовершенствовали эту технику, чтобы разгадать структуру практически каждой важной молекулы и материала. Кэтлин Лонсдейл (коллега Уильяма Брэгга) в 1929 году с помощью рентгеновской кристаллографии выяснила, что бензольное кольцо является плоским, в то время как Дороти Ходжкин определила структуру пенициллина (1949), витамина В₁₂ (1955) – достижение, за которое она получила Нобелевскую премию в 1964 году, – и инсулина (1969), последняя задача заняла у нее 34 года. В 1952 году Розалинд Франклин, как известно, использовала рентгеновскую кристаллографию для получения так называемой фотографии 51, показывающей двуспиральную структуру ДНК. Таким образом были определены структуры графита, графена, гемоглобина, миоглобина и бесчисленного множества других веществ, и все это было сделано с помощью обычных рентгеновских трубок. Но с появлением источников синхротронного излучения кристаллография стала значительно более мощной и остается таковой по сей день.

Благодаря синхротронам были совершены огромные прорывы в фундаментальной науке. Используя кристаллографию, сэр Джон Уокер и другие раскрыли структуру аденозинтрифосфата (АТФ) – молекулы, которая транспортирует и накапливает энергию во всех растительных и животных организмах, включая человека. Роджер Корнберг выяснил, как гены копируют сами себя с помощью мРНК, а Венкатраман Рамакришнан и его коллеги исследовали структуру рибосомы. Все это открытия, удостоенные Нобелевской премии. Обратите внимание, что эти прорывы не связаны с ядерной физикой или физикой элементарных частиц – областями, которые в первую очередь привели к случайному открытию синхротронного излучения.

Поначалу все это вкупе с научной мощью может показаться далеким от повседневной жизни, но стоит понимать, что наше знание основ биологии вирусов тоже зависит от рентгеновской кристаллографии. Это внезапно приобрело неотложное значение, когда COVID-19 впервые появился в Ухане, Китай, в конце 2019 года. Вирус SARS-CoV-2 содержит 28 белков. Эти белки представляют собой цепочки молекул, свернутые строго определенным образом, – представьте себе намеренно спутанный клубок шерсти. После сворачивания остаются так называемые активные центры, на которые можно воздействовать химическими соединениями. Структурные биологи могут копировать эти белки для изучения, используя их генетическую структуру для клонирования. Но сначала кто-то должен секвенировать геном вируса.

После того как вирус был впервые обнаружен в Китае 29 декабря, всего через 12 дней стали доступны шесть вирусных последовательностей. К 5 февраля 2020 команда Цзыхе Рао и Хайтао Яна из университета ШанхайТех внесла структуру главной протеазы (протеаза расщепляет белки, но также необходима для репликации вирусов, а потому это привлекательная цель при разработке лекарств) в Банк данных белков (англ. Protein Data Bank) – онлайн-ресурс, который ученые по всему миру используют в качестве главного хранилища своих данных. Они определили эту структуру в Шанхайском центре синхротронного излучения. К тому времени команда уже активно поделилась информацией с более чем 300 исследовательскими группами по всему миру.

Прежде чем большинство правительств предприняли какие-либо действия, структурные биологи уже усердно работали с источниками синхротронного излучения по всему миру, создавая и изучая физические структуры белков, входящих в состав SARS-CoV-2. Все потому, что они знали: для того чтобы лекарство или вакцина были эффективными против вируса, человеческий организм должен вырабатывать молекулы, которые физически распознают, прикрепляются, а затем нейтрализуют и уничтожают нежелательный патоген. У любого варианта лечения или вакцинации одна и та же отправная точка: понимание того, как работает вирус. Ключ к этим знаниям лежит в структуре и функциях вируса. Как только мы поймем химическую основу для распознавания организмом вируса, мы можем попытаться разработать лекарство, снижающее его действие, или вакцину, которая заставит человеческий организм вырабатывать антитела. Главные сражения с пандемией COVID велись не в больницах, а в кольцеобразных зданиях размером с футбольное поле, в которых находились машины из области физики элементарных частиц.

На Австралийском синхротроне, в получасе езды от Мельбурна, доктор Элеонора Кэмпбелл работает в качестве специалиста по физике ускорителей, эксперта, который проводит эксперименты с синхротронным излучением и помогает другим ученым делать то же самое. Пока все остальные были отправлены домой на удаленную работу из-за разразившейся пандемии, Кэмпбелл была одной из немногих ученых, чья работа на этом объекте шла полным ходом. Она следила за экспериментальной станцией источника синхротронного излучения под названием MX2, используемой для макромолекулярной кристаллографии, которая позволяет ученым определять расположение и формы биологических молекул вплоть до атомов. В обычное время она работает в области химии, физики конденсированного состояния, инженерии, наук о Земле и материаловедения. Но в начале 2020 года вся работа была полностью посвящена исследованиям, связанным с COVID.

Экспериментальная станция получает синхротронное излучение из самого сердца объекта, непосредственно синхротрона, скрытого за большими бетонными защитными стенами. Основное кольцо выполнено из повторяющегося набора электромагнитов – железных блоков высотой по плечо, питаемых толстыми медными кабелями, – на которые с помощью меньшего ускорителя подаются высокоэнергетические (3 ГэВ) электроны. Специализированная оперативная группа посменно поддерживает круглосуточную работу. Электроны внутри синхротрона могут циркулировать и излучать свет в течение нескольких дней или недель, испуская излучение при непрерывном пополнении энергии. Когда один пучок электронов удаляется из машины, его место быстро занимает другой, так что пользователи едва могут заметить изменение в уровне излучения.

Ряд экспериментальных станций расположен по касательной к окружности кольца. Их расположение определяется «вставными устройствами», размещенными вокруг кольца для генерации синхротронного излучения. В настоящее время, вместо того чтобы просто использовать излучение, получаемое естественным образом в изгибающихся магнитах, «вставные устройства», называемые вигглерами и ондуляторами, буквально перемещают пучок, создавая луч, который можно настроить на определенную длину волны. Затем свет проходит через окно или порт, который выходит на экспериментальную установку, где ученые, готовые к сбору данных, проводят свои эксперименты, помещая образцы белков в держатель.

Первым шагом станет успешное превращение белка в кристалл, одна из самых сложных частей работы. Биологические молекулы большие и пластичные – иными словами, мягкие, – в то время как то, что мы обычно считаем кристаллами, к примеру соль, традиционно твердое. Работа Кэмпбелл заключается в том, чтобы убедить «массу биологической материи сформировать упорядоченный, твердый кристалл». Это процесс проб и ошибок, требующих тестирования многих реагентов – начиная с химикатов, которые работали в прошлом, – в точных количествах, пока не будет достигнут желаемый эффект. Если ученому повезет настолько, что из белков образуются кристаллы, ему все равно придется вылавливать крошечные кристаллы микрометрового размера с помощью миниатюрных нейлоновых петель. Эта ювелирная работа требует предельного терпения. Как только кристаллы готовы к изучению, исследовательские группы обычно берут с собой всю свою команду: они работают круглосуточно, чтобы максимально использовать отведенное им время. Однако во время пандемии многие исследовательские группы были вынуждены работать удаленно, в то время как Кэмпбелл и ее коллеги управляли установкой на месте.

Кэмпбелл знает, каково это – проводить эксперимент на таком объекте удаленно. Свои эксперименты для докторской в Кембриджском университете она проводила, сидя за компьютером в своей лаборатории, в то время как ее тщательно подготовленные образцы кристаллов удаленно помещались в луч кем-то другим из британского источника синхротронного излучения Diamond. Она нажимала кнопку «Обновить», и на ее экране появлялась новая форма белковой структуры. Пока Кэмпбелл получала представление о белках, фактическая геометрия всего эксперимента оставалась скрытой. Теперь она была по другую сторону: помогала удаленным пользователям проводить эксперименты, чтобы узнать как можно больше о коронавирусе.

Биологов, с которыми работала Кэмпбелл, не пугали ни удаленная настройка, ни работа допоздна. Без синхротрона им пришлось бы проводить дни напролет, используя лабораторный источник рентгеновского излучения: чтобы получить изображение с разных углов, уходит около 40 минут (кристаллография включает в себя получение изображений под углом 180 градусов, дифракционных картин и восстановление трехмерной структуры с помощью математики). На экспериментальной установке MX2 получение изображения под углом 180 градусов занимает всего 18 секунд. Так что если кто-то пытается протестировать ряд образцов, например с небольшими вариациями белка, то это займет всего несколько часов работы, хотя раньше это могло бы стать предметом целой кандидатской диссертации. Уникальные свойства синхротронного излучения позволяют проводить эксперименты, которые раньше были просто невозможны. Без синхротронов биологам потребовались бы годы, чтобы понять структуру SARS-CoV-2.

По всему миру на подобных объектах ученые объединили усилия ради одной цели: составить карты в атомном масштабе как можно большего числа белков, составляющих SARS-CoV-2. В более спокойные времена исследователи использовали подобные устройства для создания изображений и расшифровки структур многих ключевых биологических молекул, что привело к новым методам лечения СПИДа, рака кожи, диабета 2-го типа, лейкемии и сезонного гриппа, а также к прорывам в борьбе с вирусами Эбола, Зика и атипичной пневмонии. Вот почему около 50 источников синхротронного излучения по всему миру можно считать нашей передовой защитой от возникающих вирусных заболеваний.

К закрытию первого из этих специализированных синхротронов, Источника синхротронного излучения Дарсбери (SRS), в 2008 году на его базе было проведено около 11 000 научных исследований. Он помог с тысячами открытий, которые прямо или косвенно повлияли на нашу жизнь. Новые материалы для одежды и электроники, новые фармацевтические препараты и моющие средства – вот лишь некоторые из продуктов, появившихся в результате исследований на этом предприятии. Трудно представить, насколько далеко простирается использование такого объекта, однако точно известно, что его применяли 11 из топ-25 британских компаний, ранжированных по уровню расходов на НИОКР.

SRS использовали для определения структуры ящура, что привело к созданию новых вакцин, и для понимания такого явления, как «гигантское магнетосопротивление», или ГМС, – хитрость, стоящая за огромной емкостью памяти в наших электронных устройствах, таких как iPhone. Исследования SRS способствовали созданию более чистого топлива и ряда новых лекарств. Он даже внес свой вклад в культурное наследие, изучив образцы с военного корабля Тюдоров «Мэри Роуз», чтобы узнать, как лучше сохранить останки. В исследовании, проведенном компанией Cadbury – производителями шоколада, – изучалось образование кристаллов в шоколаде, чтобы сделать его вкус еще более насыщенным. Аналогичный метод был использован для изучения образования кристаллов в металлах с целью повышения безопасности полетов.

Ошеломительные прорывы – «хлеб с маслом» для таких предприятий. Они творят науку со скоростью, за которой трудно угнаться. История синхротронного излучения еще раз дает понять, как сильно инструменты физики могут трансформировать другие области науки. Она напоминает нам о том, что различные области знаний неразделимы, от самых маленьких до самых больших объектов в природе и всего, что находится между ними. По словам Кэмпбелл, она чувствует себя маленькой, просто входя в это большое сооружение каждый день. Иногда ее поражает, насколько сложны синхротроны. Команда физиков, работающих с ускорителями, наверняка сказала бы то же самое о ее работе. Вот почему многие современные научные прорывы обязательно носят междисциплинарный характер: ни один человек не может сам полностью понять весь процесс. Тем не менее, используя этот продукт физических исследований, ученые, подобные Кэмпбелл и ее предшественникам, могут создать знания, которые имеют гораздо более широкий охват, чем могли когда-либо предсказать физики из General Electric, Лоуренс, Керст или Олифант. Как мы видим, это знание выходит за рамки биологии и даже за пределы нашей планеты. Понимание фундаментальной науки, лежащей в основе синхротронного излучения, помогло открыть отличный инструмент для астрономии. Астрономы смогли увидеть объекты в космосе в совершенно новом свете, раскрыв внутреннюю работу всего, от галактик до квазаров и черных дыр, поскольку все они испускают синхротронное излучение в форме радиоволн. Сегодня радиоастрономы изучают сложное поведение магнитных полей, генерируемых в малоизученных областях Вселенной, – например, вспомните недавние наблюдения так называемых быстрых радиовсплесков: чрезвычайно мощные импульсы радиоволн длительностью в миллисекунду, указывающие на новые высокоэнергетические процессы, которые мы еще не до конца понимаем. Космологи тем временем рассматривают существование магнетизма в отдаленных областях космоса как объяснение быстрого расширения ранней Вселенной. Наличие источников синхротронного излучения дает физикам инструмент, который объединяет их в стремлении понять физику очень большого и очень малого.

В конце концов, синхротронное излучение, которое оказалось таким невероятным инструментом для астрономов и других ученых, стало огромным препятствием для физиков элементарных частиц. Они хотели ускорять частицы до все более высоких энергий, чтобы разбивать атомы, но столкнулись с тем фактом, что частицы излучают энергию, когда их разгоняют быстрее. Ученым пришлось бы еще больше увеличить количество энергии, чтобы преодолеть ее потерю. Вскоре они достигнут практического предела того, сколько энергии могут придать частицам – по крайней мере, некоторым из них.

Формула излучения предсказывала, что ускорение частиц с малой массой, таких как электроны, до высоких энергий будет проблемой, но что мощность испускаемого излучения будет намного ниже для более тяжелых частиц. Протон почти в 2000 раз тяжелее электрона, но излучает в 10¹³ раз меньше излучения, чем электроны. Оборотной стороной является проблема, связанная с искривлением траектории высокоэнергетических протонов в циклическом ускорителе, для чего требовались либо очень сильные магниты, либо гораздо большее кольцо, чем у ускорителей электронов. Поскольку физики были полны решимости разогнать протоны до более высоких энергий, следующее стало неизбежным: ускорители частиц, построенные во второй половине ХХ века, будут расти и расти.

Физикам пришлось объединить усилия и собрать специализированные команды инженеров, аналитиков данных, менеджеров и других специалистов, чтобы создавать огромные машины и управлять ими. Они стали одними из первых, кто внедрил вычислительную технологию, и им пришлось создавать новые способы регистрации частиц – все это требовало выхода за границы возможного. Со временем их поиски выявили гораздо больше частиц, чем кто-либо предполагал. Сотни исследователей пытались ответить на вопрос: существует ли в природе глубинный порядок? Можем ли мы предсказать и классифицировать множество различных частиц или наша реальность – просто управляемый вид хаоса?