Сьюзи Шихи
Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц
В возрасте 27 лет Томсон был назначен профессором и руководителем Кавендишской лаборатории в Кембридже. Он был невысоким, с черными волосами, которые он разделял на прямой пробор, и торчащими усами. И очень мало интересовался своим внешним видом. Кто-то из друзей позже вспоминал, как его галстук-бабочка иногда задирался к уху, пока Томсон кружил по лаборатории, пребывая в блаженном неведении. Его домашняя жизнь была ничем не примечательна, но когда дело доходило до размышлений о природе материи и Вселенной, тут Томсон становился настоящим революционером.
Он начал свои исследования с тщательного повторения экспериментов тех, кто был до него. Во-первых, Томсон хотел установить, что катодные лучи и электрический заряд, который они несут, не могут быть разделены. Магнитом он изгибал катодные лучи, направляя их в электроскоп – устройство для оценки электрического заряда. Был зарегистрирован удивительно большой отрицательный заряд[12], подтвердивший его мнение о том, что лучи действительно несут электрический заряд.
Затем он повторил этот эксперимент, пытаясь искривить лучи электрическим полем, используя напряжение, удерживаемое между двумя пластинами, которые его помощник установил внутри специально сконструированной вакуумной трубки. Лучи – будь они частицами, как он думал, – должны были отклоняться под воздействием напряжения. Если же лучи представляют собой свет, то отклонения быть не должно, точно так же, как свет от фонарика беспрепятственно проходит сквозь напряжение.
Томсон предполагал, что при меньшем напряжении катодные лучи будут меньше отклоняться, чем при большем. Генрих Герц, немецкий физик, который ранее открыл электромагнитные волны, провел тот же эксперимент до Томсона и обнаружил, что, хотя большие напряжения отклоняют лучи, меньшие напряжения, по-видимому, не оказывают никакого эффекта. Когда Томсон впервые воспроизвел этот эксперимент в своей лаборатории, он был разочарован, получив те же результаты, что и Герц. Все выглядело так, будто катодные лучи действуют как частицы при больших напряжениях и как свет при более низких напряжениях, что немало препятствовало гипотезе Томсона об истинной природе катодных лучей.
Томсон продолжал экспериментировать, пытаясь понять, что же он видит. Сначала он изменил тип газа в трубке, но результат остался тем же. Затем он попробовал изменить количество газа, уменьшив его для получения низкого вакуума, и получил новый результат: он увидел небольшие отклонения луча при небольшом напряжении и большие отклонения при большом напряжении, как и ожидал. Чтобы удостовериться, Томсон снова пустил немного газа – и небольшие отклонения снова исчезли. Небольшое количество газа, оставшегося в трубке, становилось электрически заряженным, подавляя небольшое напряжение, в результате чего катодные лучи просто на него не реагировали в присутствии газа. Вот причина результатов Герца и разочарований Томсона. Как позже физик писал в своих мемуарах: «Пока техника чувствительных приборов, используемых в физических лабораториях, не до конца освоена, в один день они могут дать один результат и совершенно противоречивый – в другой. Что иллюстрирует истинность высказывания о том, что закон постоянства природы невозможно изучить в физической лаборатории»[13].
Все эти результаты позволили Томсону заключить, что «путь лучей не зависит от природы газа»[14]. Другими словами, демонстрируемые им эффекты были вызваны не газом в трубке. И это не просто потоки заряженных молекул газа, как утверждали другие. Здесь было что-то куда более сложное. Это побудило Томсона выдвинуть ключевой аргумент: все эти результаты возможны в том случае, если лучи действительно являют собой отрицательно заряженные частицы.
Оставалось только показать, что это за частицы: атомы, молекулы или что-то еще. Чтобы это понять, Томсон использовал электрическое и магнитное поля для определения их заряда и массы, в частности, их отношения e/m. Это оказалось гораздо большим числом, чем он мог ожидать. Такой загадочный результат не соответствовал ни одному известному атому или молекуле, которые, как тогда считали, были мельчайшими составляющими природы. У Томсона было два возможных объяснения: либо частицы были «тяжелыми», как атомы, с чрезвычайно большим отрицательным электрическим зарядом, либо они были очень легкими, со стандартным отрицательным электрическим зарядом. Ни один из вариантов не казался Томсону привлекательным. Если бы частицы были атомами с очень большим электрическим зарядом, ему бы пришлось полностью переосмыслить само понятие заряда. С другой стороны, если частицы на самом деле легкие, это значит, что атом – вовсе не неделимая элементарная частица.
Томсон изменил почти все переменные, какие только мог придумать, использовал разные газы в трубке, разные металлы для электродов и снова менял уровень вакуума. Каждый эксперимент приводил к тому же результату – новой частице того же типа с таким же большим отношением заряда к массе. В своих рассуждениях о природе частиц он использовал знания о химических экспериментах, о наблюдениях за спектром света от звезд и даже о конфигурациях магнитов. Медленно, но верно Томсон отклонялся от идеи о том, что частицы представляют собой атомы с очень большим зарядом. Он был готов объявить о своих результатах.
В пятницу 30 апреля 1897 года, всего через год после того, как Рентген объявил о своем открытии, Томсон стоял в вечернем костюме перед битком набитым залом Королевского института в Лондоне, готовый воссоздать серию экспериментов в рамках Пятничной вечерней конференции. Эти публичные лекции проводились каждую пятницу и привлекали огромные толпы состоятельных лондонцев[15]: в те дни новейшие научные открытия считались модными. В кульминации лекции Томсон объявил, что таинственные катодные лучи действительно представляют собой отрицательно заряженный тип частиц, который, по его определению, примерно в 2000 раз легче водорода, самого легкого атома. Томсон открыл электрон, первую субатомную частицу[16].
Это был интеллектуальный триумф. Томсон углубился в таинственное свечение катодных лучей и пришел к новому выводу о природе материи. К октябрю того же года он совершил еще один прорыв: мало того что катодные лучи состояли из крошечных частиц, но эти частицы были неизвестным до сих пор компонентом материи, который разрушил представление об атомах как о мельчайшей неделимой частице. Томсон еще не был уверен, откуда берутся электроны, но полагал, что они почти наверняка удерживаются атомами. Учитывая доказательства, даже Рентген и его немецкие коллеги были вынуждены признать, что Томсон прав. Итак, Рентген и Томсон, используя одно и то же оборудование, открыли два совершенно новых аспекта природы, никем прежде не замеченные.
Теперь мы можем собрать их идеи воедино, чтобы объяснить, что происходило внутри электронно-лучевой трубки. Высокое напряжение на катоде с высокой скоростью испускает электроны, которые притягиваются к положительно заряженному аноду. Но некоторые электроны, не попадая на анод, пролетают мимо него с высокой скоростью и врезаются в газ и стеклянную стенку, и энергия, передаваемая во время этого процесса, создает свет – то самое свечение, которое десятилетиями озадачивало ученых. Этот процесс называется «тормозное излучение». Если электроны теряют достаточно энергии, они создают рентгеновские лучи – высокоэнергетическую форму света, электромагнитное излучение, способное проходить сквозь руки (и другие части тела).
В отличие от рентгеновских лучей, полезность открытия Томсона в то время не была очевидна. Томсон сам задавался вопросом, может ли такая маленькая, несущественная вещь, как электрон, представлять интерес вне физики. В начале 1900-х годов на ежегодной вечеринке в Кавендишской лаборатории, где он сделал это открытие, был произнесен шутливый тост: «За электрон, пускай он никогда никому и не пригодится!»[17] Однако через 20 лет после своего открытия Томсон прочитал еще одну пятничную лекцию в Королевском институте, на этот раз на тему «Промышленное применение электронов», и, оглядываясь назад, мы видим, что его открытие стало основой всей электроники.
Как это произошло? Конечно, на первый взгляд все довольно логично, поскольку электроника, как следует из названия, зависит от движения электронов. Но имело ли к этому какое-то отношение открытие Томсона? Нуждались ли мы в его исследованиях или электроника все равно возникла бы? Чтобы понять взаимосвязь между любопытством Томсона и революцией в электронике, мы должны оценить контекст его работы.
В Музее науки в Лондоне есть постоянная галерея под названием «Создание современного мира». В скромной витрине выставлено несколько стеклянных предметов с лаконичными пояснительными надписями. Один из таких предметов – оригинальная электронно-лучевая трубка, использованная Дж. Дж. Томсоном при открытии электрона. В той же витрине можно увидеть первую лампочку, а с другой стороны – два странного вида объекта, называемые вентилями Флеминга, которые выглядят как лампочки с тремя штыревыми ножками. Эта витрина представляет краткую историю изобретения электроники.
Витрина неподалеку посвящена другому известному изобретателю – Эдисону. В 1880 году, пока ученые, подобные Томсону, корпели в своих лабораториях над электронно-лучевыми трубками, Эдисон и его помощники наткнулись на аналогичную технологию в своих попытках создать электрические лампы. В это время Эдисону было 33 года, он был на девять лет старше Томсона и придерживался совершенно иного подхода, чем ученые-экспериментаторы, поскольку им двигали другие мотивы, а именно желание получить деньги за свои изобретения. Вместо того чтобы подробно изучать физику электрических лампочек, команда Эдисона просто перепробовала огромное количество материалов и конфигураций, применив своего рода метод грубой силы. Большинство лампочек сгорали почти сразу, но один из членов команды, Льюис Латимер, афроамериканский изобретатель, изготовил лампочку с использованием угольной нити, которая могла работать около пяти часов[18].
Однако возникла проблема: стеклянная поверхность колбы чернела, когда лампа работала, будто бы частицы углерода «переносились» от нити к стеклу. Несмотря на изменения уровней вакуума, насколько это было возможно, лампочки продолжали перегорать. Теперь мы знаем, что дело в испарении материала с поверхности нити накаливания, но тогда Эдисон этого не знал. В одной из попыток решить проблему он попробовал поймать частицы углерода, поместив в колбу дополнительный электрод, и случайно обнаружил, что это вызывает протекание электрического тока, но только в одном направлении. Это не решило проблему почернения, но устройство, казалось, управляло потоком электричества, как клапан управляет потоком воды. Изобретатель назвал это явление «эффектом Эдисона». Его не интересовало, как управляется поток электрического тока, – ему было достаточно знать, что такой эффект есть. Эдисон получил патент на «лампу накаливания, работающую на эффекте Эдисона», а затем отбросил эту идею, так как не видел ей применения. Он продолжил свою работу над лампочками, внося небольшие улучшения, в конечном итоге продлившие срок службы угольной нити до 600 часов, чтобы лампы стали коммерчески жизнеспособными. Что касается «лампы накаливания Эдисона», то, когда кто-то позже поинтересовался, как она работает, он сказал, что у него нет времени углубляться в «эстетическую» часть своей работы[19].
Однако время на эстетику – принципы, лежащие в основе работы, – было у Джей Джей Томсона. В 1899 году, всего через два года после открытия электронов, Томсон доказал, что нити накаливания в лампочках испускают электроны точно так же, как электронно-лучевые трубки. При нагреве нити накаливания происходил выброс электронов в процессе, который мы теперь называем термоэлектронной эмиссией. Это сильно отличалось от испарения нити накаливания и послужило ключом к раскрытию эффекта Эдисона. Казалось бы, бесполезное изобретение Эдисона оставалось неиспользованным в течение почти двух десятилетий, пока работа Томсона наконец не показала, как дополнительный электрод заставляет ток течь. Когда электрод заряжен положительно, он притягивает поток электронов через вакуум и замыкает цепь, но при отрицательном заряде он отталкивает электроны и отключает ток. С этим пониманием изобретение Эдисона могло бы найти применение в быстро развивающемся мире.
Следующий этап нашей истории восходит к 1904 году и работе в Marconi’s Wireless Telegraph Company – телеграфной компании, где зарождались радио и телекоммуникация. Чтобы заставить телефон работать, британскому физику Джону Амброзу Флемингу нужно было преобразовать слабый переменный ток в постоянный[20]. Он столкнулся с эффектом Эдисона в 1889 году, когда работал консультантом в компании Edison and Swan United Electric Light Company[21]. Слабых сигналов, излучаемых радиопередачами, было достаточно для того, чтобы спровоцировать включение и выключение тока. Эта связь внезапно натолкнула Флеминга на идею, и позже он писал: «К моему удовольствию я… обнаружил, что в этой своеобразной электрической лампе кроется наше решение…»
Знания об электронно-лучевой трубке и угольной лампе привели к изобретению первого «термоэлектронного диода», или «вентиля Флеминга» – первого электронного устройства. Там, где электрические устройства подразумевают поток электронов по проводам, электроника подразумевает электроны, движущиеся в вакууме, которыми можно было быстро и легко управлять без механического движения более ранних электрических устройств. Изобретение Флеминга вызвало технологическую революцию. Несколько лет спустя американский изобретатель добавил третий электрод внутрь термоэлектронного диода, следуя теории Томсона[22]. К 1911 году «триод» использовался в качестве усилителя, а вскоре после этого потоки электронов в вакуумных лампах использовались в качестве осцилляторов, модуляторов электрических сигналов и многого другого. Благодаря этим чисто электронным устройствам затем появились радиосвязь и телекоммуникация на большие расстояния, радары и первые компьютеры. Зародилась электронная промышленность.
Важно ненадолго остановиться на двух различных подходах, показанных в этой истории. С одной стороны, подход, движимый любопытством Томсона, безусловно, оказался ключом к пониманию работы вакуумных ламп. Но у Томсона не было цели что-либо создавать – только знания. С другой стороны, метод проб и ошибок Эдисона окончился предпринимательским успехом. Но Эдисон не был заинтересован в детальном понимании того, как и почему эти технологии работают именно так. Флеминг смог в некотором смысле объединить эти два подхода и создать сложную технологию. Все они, несомненно, сыграли важную роль в становлении электронной промышленности, но все это было бы невозможно без ученых, проводящих эксперименты с электронно-лучевыми трубками без каких-либо коммерческих намерений.
Особенность поиска знаний и понимания посредством научного процесса, а не изобретения нового продукта методом проб и ошибок, заключается в том, что этот процесс обычно имеет кумулятивный эффект – тенденцию со временем становиться все более и более полезным. Это верно в отношении электрона, и это также верно и в отношении рентгеновского излучения, так как они связаны между собой. С появлением электронной промышленности появилась возможность производить специальные трубки для производства рентгеновских лучей, что способствовало росту рынка рентгеновских трубок для медицинского и промышленного использования. Образцы этих трубок также находятся в галерее Музея науки, рядом с электронно-лучевой трубкой Дж. Дж. Томсона и первыми вентилями Флеминга.
Остальная часть истории рентгеновского излучения представлена всего в нескольких шагах от описанных выше витрин в Музее науки – в виде большой медицинской машины, ставшей реальностью благодаря электронной промышленности и рентгеновским лучам – спасительной технологии, известной как компьютерная томография (КТ).
До 1970-х годов, если пациенту требовалось сделать сканирование мозга, врачи выполняли так называемую пневмоэнцефалографию. В основании позвоночника или непосредственно в черепе просверливали отверстие, после чего откачивалась большая часть спинномозговой жидкости (ликвора). Затем в полости мозга закачивался воздух или гелий, чтобы создать пузырь между мозгом и черепом. Пациента пристегивали ремнями к вращающемуся креслу, ставя его в разные положения (например, вверх ногами и боком), чтобы пузырь воздуха перемещался в головном мозге и позвоночнике, пока делались рентгеновские снимки в каждом положении. И без того больной человек был вынужден терпеть ужасную боль и тошноту, причем часто процедура проводилась без анестезии. Все это делалось только для того, чтобы получить достаточный контраст на рентгеновском снимке и суметь отличить мозг от (теперь уже откачанной) мозговой жидкости. После этого мучительного опыта врачи изучали рентгеновские снимки, надеясь определить, была ли форма мозга слегка искажена из-за повреждений или наростов. Очень жестокая процедура. И все же это был единственный выход с 1919 по 1970-е годы.
В то время рентгеновские лучи давали только двумерные изображения. Представьте себе тело как коробку с жидкостью, в которой находится ряд объектов (кости, органы и мышцы): рентгеновский снимок с трудом увидит объект в середине такой коробки, так как со всех сторон что-то находится на пути лучей. Врачам трудно разобраться в 3D-структурах, отображаемых в 2D. Что действительно было необходимо, так это инновация, которая могла бы создавать правильное трехмерное изображение.
В 1960-х годах Годфри Хаунсфилд, сотрудник компании EMI (Electric and Music Industries), крупной британской корпорации, которая также занималась электроникой и другим оборудованием, искал новые области применения компьютеров и придумал инновационный способ их использования для улучшения рентгеновского аппарата. Его идея заключалась во вращении источника и детектора вокруг пациента для получения серии рентгеновских снимков, которые можно было бы затем реконструировать в цифровом виде с помощью компьютеров. Так создание полного 3D-изображения внутренней части тела стало возможным, а сам аппарат получил название «компьютерный томограф», или КТ[23].
Чтобы воплотить свою идею в реальность, Хаунсфилд сначала построил экспериментальную установку сканера мозга. Он отправился на местные скотобойни, где вырезал коровьи мозги для дальнейшего сканирования[24]. В интервью он затем писал с типичным британским юмором, что «сложнее всего было тащить [мозги] через весь Лондон в бумажном пакете»[25].
Его первые тесты с удивительной четкостью показали полное 3D-изображение внутренней органической ткани. Компьютерный томограф даже выявил мельчайшие различия в тканях, которые, по мнению Рентгена, было невозможно запечатлеть: на первых рентгеновских снимках ткани были прозрачными, но объединение нескольких изображений позволяло их увидеть. Для этого потребовались вычислительные мощности, вращающаяся установка и немного хитроумной математики, но метод сработал. Первый сканер испытывался в лондонской больнице Аткинсона Морли в 1971 году. Он состоял из специально сконструированной подвижной кровати, на которой пациент лежал, поместив голову в круглое отверстие со встроенным в него сканирующим оборудованием. На самом деле установка не сильно отличалась от того, как КТ выглядит сегодня.
Первой пациенткой, прошедшей сканирование в 1971 году, стала женщина с подозрением на опухоль в левой лобной доле. Компьютерная томография успешно выявила опухоль, а последующая операция восстановила здоровье пациентки. Тогда Хаунсфилд и его команда «прыгали, как футболисты, забившие победный гол»[26]. Он осознал значимость своей работы: его изобретение положило конец мучениям, связанным с анализом традиционных рентгеновских снимков черепа.
Хаунсфилд не остановился на сканере мозга, который был представлен миру в 1972 году, – он взялся за создание машины, которая могла бы раскрыть внутреннюю работу остального человеческого тела. К 1973 году первые компьютерные томографы установили в больницах Соединенных Штатов, а к 1980 году 3 млн компьютерных томографов было установлено по всему миру. Со временем компьютерные томографы стали настолько повсеместными, что к 2005 году ежегодно проводилось 68 млн сканирований.
С тех пор новые идеи привели к созданию изображений в реальном времени, сочетанию с другими методами визуализации (с которыми мы познакомимся позже) и первостепенному использованию КТ в отделениях неотложной помощи. В 1970-х годах для получения изображения требовалось около получаса, современные машины получают его менее чем за секунду. Были разработаны методы компьютерной томографии, которые помогают врачам перемещаться по сердцу в 3D-формате во время установки стентов, повышая вероятность успеха процедуры. Также при помощи компьютерной томографии изучается внутренняя структура органа, которую затем печатают на 3D-принтере для лучшего понимания того, что на самом деле происходит в организме пациента. Все это помогает планировать операцию и имплантацию без единого разреза на коже. Технологии и возможности продолжают совершенствоваться, особое внимание уделяется увеличению скорости сканирования, снижению дозы облучения и получению все более детальных 3D-изображений.
Путь от открытия рентгеновского излучения до современных компьютерных томографов занял более 70 лет. Для этого потребовалась серия изобретений, прорывов в математических методах и появление компьютеров. Вы можете найти ту или иную форму этой технологии практически в любой больнице мира. Если бы вы спросили врачей во времена Рентгена, как лучше изучить внутреннее строение человеческого тела, они бы просто предложили найти скальпель поострее. Революция в медицине многим обязана стремлению Рентгена и Томсона лучше понять, казалось бы, малоизвестную область физики. Это стремление привело к созданию совершенно нового инструмента и его усовершенствованию Хаунсфилдом и другими учеными.
Конечно, не только медицина выиграла от рентгеновских лучей. В следующий раз, когда будете проезжать через аэропорт, обратите внимание на рентгеновские аппараты для сканирования багажа: они тоже зародились в лаборатории Вюрцбурга.
Наш материальный и физический мир зависит от знаний о рентгеновских лучах. Компании, производящие нефтяные трубы и самолеты, мосты и лестницы, теперь используют рентгеновские снимки, чтобы убедиться, что их продукция соответствует стандартам. Рентгеновские лучи первыми обнаруживают, где образовалась трещина или появился пузырь воздуха, точно так же, как это было в оригинальных экспериментах Рентгена. Этот «неразрушающий контроль» – скрытая часть созданного человеком мира, но именно благодаря ему наши трубы редко лопаются, а самолеты редко падают с неба. «Неразрушающий контроль» – это постоянно развивающаяся отрасль стоимостью 13 млрд долл., а на рентгеновские лучи приходится около 30 % этого рынка.
Электронике потребовалось полвека, а рентгеновскому излучению – почти целое столетие, чтобы реализовать свой нынешний потенциал, но даже открытия, описанные в этой главе, – всего лишь малая часть всей истории. В своей полноте она охватывает столетия постепенного накопления знаний и технологий – от первой вакуумной камеры, созданной в 1643 году Эванджелистой Торричелли, до изобретения первого вакуумного насоса Отто фон Герике в 1654 году. Для создания точного, но в то же время деликатного устройства с хорошо герметичными соединениями для удержания вакуума требовались опытные стеклодувы. Было необходимо оборудование, которое могло бы обеспечить достаточно высокое напряжение, чтобы высвободить электроны из металлических катодов. Таким образом, полный процесс охватывает многие поколения, даже если кажется, что прорыв произошел в мгновение ока.
Просто удивительно, как эксперименты с электронно-лучевой трубкой, проведенные между 1895 и 1897 годами, расширили наше представление об электромагнитном спектре, разрушили идею о том, что атомы – мельчайшие частицы в природе, и привели к открытию первой субатомной частицы. Если бы кого-то попросили предсказать исход этих экспериментов, он бы совершенно точно не смог оценить их влияние на наши знания о физике. Но еще вероятнее, не получилось бы предсказать влияние этих открытий на общество.
Открытия Рентгена и Томсона объединяет и тот факт, что они были быстро внедрены в технологию. Обе идеи стали неотъемлемой частью инноваций в области электроники и медицинского оборудования в последующие десятилетия. Однако фундаментальные концепции, на которых основывались эти технологии, пришли не из промышленности. Они исходили от пытливых умов, экспериментирующих в поисках новых знаний. Сегодня у многих электронно-лучевая трубка, также известная как кинескоп, ассоциируется со старыми телевизорами, но это нечто гораздо большее. Она олицетворяет ту силу, которой обладают движимые любопытством исследования.
Эксперименты с электронно-лучевыми трубками опровергли идею о том, что физика уже почти вся понятна. С зарождением субатомной физики перед любознательными учеными открылись новые перспективы. Следующие важные эксперименты будут проведены одним из учеников Томсона, когда физики начнут спрашивать, что же еще находится внутри атома.