Глава 13

Резчик по дереву

Дверь была большая и массивная. Посредине на ней красовалась надпись, сделанная крупными буквами: «Осторожно! Высокое напряжение!». Но первое впечатление негостеприимства несколько смягчалось крупной надписью «Добро пожаловать!» на коврике у двери, и после минутного колебания мистер Томпкинс нажал на кнопку дверного звонка. Дверь открыл молодой ассистент, и мистер Томпкинс оказался в огромном помещении, добрую половину которого занимала замысловатая машина самого фантастического вида.

— Это наш циклотрон, или «атомная дробилка», как его называют в газетах, — пояснил ассистент, любовно поглаживая витки одной из катушек гигантского электромагнита, составляющего основную часть весьма внушительно выглядевшего орудия современной физики.

— Он позволяет получать частицы с энергией до десяти миллионов электрон-вольт, — с гордостью продолжал ассистент, — и немного найдется ядер, которые способны выдержать столкновение с частицей, движущейся с такой невообразимой энергией!

— Потрясающе интересно! — отозвался мистер Томпкинс. — Эти ядра, должно быть, очень прочны! Трудно поверить, что этакая махина была построена только для того, чтобы раскололось крохотное ядро крохотного атома. А как работает эта машина?

— Вы были когда-нибудь в цирке? — спросил мистера Томпкинса его тесть, внезапно возникая откуда-то из-за гигантского циклотрона.

— Разумеется, был, — ответил мистер Томпкинс, несколько удивленный неожиданным вопросом. — Вы хотите предложить мне пойти с вами сегодня в цирк на вечернее представление?

— Не совсем, — улыбнулся профессор. — Просто, если вам случалось бывать в цирке, это поможет вам понять, как работает циклотрон. Взгляните между полюсов этого огромного магнита и вы увидите круглый медный кожух. Он служит кольцом, в котором ускоряются различные заряженные частицы, используемые в экспериментах по бомбардировке ядер. В центре кожуха расположен источник, испускающий все эти заряженные частицы, или ионы. Вылетая из источника, ионы движутся с очень маленькими скоростями, и сильное поле, создаваемое магнитом, изгибает их траектории в небольшие окружности вокруг центра. Затем мы начинаем погонять частицы и разгоняем их до все больших и больших скоростей.

— Я понимаю, как погонять лошадь, — заметил мистер Томпкинс, — но как вам удается погонять крохотные заряженные частицы, выше моего разумения.

— А между тем это очень просто. Если частица движется по кругу, то все, что необходимо делать, это сообщать ей ряд последовательных электрических толчков всякий раз, когда частица будет проходить через определенную точку своей траектории, подобно тому, как в цирке тренер хлыстом подгоняет лошадь всякий раз, когда та, описывая по арене круг за кругом, пробегает мимо него.

— Но тренер видит лошадь, — возразил мистер Томпкинс. — А разве вы видите частицу, описывающую круг за кругом в той медной коробке, чтобы подтолкнуть ее в нужный момент?

— Разумеется, не вижу, — согласился профессор, — но это и необязательно. Вся хитрость устройства циклотрона состоит в том, что, хотя ускоряемая частица движется все быстрее и быстрее, она всегда совершает полный оборот за одно и то же время. Дело в том, что по мере увеличения скорости частицы радиус, а следовательно, и длина ее круговой траектории также соответственно увеличиваются. В результате ускоряемая частица движется по раскручивающейся спирали и всегда приходит в одно и то же место «кольца» через одинаковые промежутки времени. Все, что необходимо сделать, это поместить в данном месте какое-нибудь электрическое устройство, которое подталкивало бы частицу через одинаковые промежутки времени. Мы делаем это с помощью колебательного электрического контура, очень похожего на те схемы, которые вы можете видеть на любой радиостанции. Каждый электрический толчок не очень силен, но кумулятивный эффект многих толчков позволяет разгонять частицу до очень больших скоростей. В этом огромное преимущество циклотрона: он позволяет достигать такого же эффекта, как напряжение во многие миллионы вольт, хотя нигде в циклотроне вы не найдете высоких напряжений.

— Очень остроумно, — задумчиво произнес мистер Томпкинс, — А чье это изобретение?

— Первый циклотрон был построен несколько лет назад ныне покойным Эрнестом Орландо Лоуренсом в Калифорнийском университете, — ответил профессор. — С тех пор циклотроны значительно выросли в своих размерах и распространились по физическим лабораториям со скоростью слухов. Они оказались удобнее, чем старые ускорители с целым каскадом трансформаторов или другие ускорители, работавшие как электростатические машины.

— А нельзя ли разбить атомное ядро вдребезги, не прибегая ко всем этим сложным машинам? — спросил мистер Томпкинс, твердо убежденный сторонник простоты, с недоверием относившийся к любым устройствам сложнее молотка.

— Разумеется, можно. Когда Резерфорд проводил свои первые эксперименты по искусственному превращению элементов, он как раз использовал обычные альфа-частицы, испускаемые естественными радиоактивными источниками. Но это было более двадцати лет назад, и, как вы можете убедиться, с тех пор методы деления атома существенно усовершенствовались.

— А не можете ли вы показать мне, как разбивают атом? — попросил мистер Томпкинс, всегда предпочитавший увидеть своими глазами вместо того, чтобы выслушивать длинные объяснения.

— С удовольствием, — ответил профессор. — Мы как раз приступаем к эксперименту по дальнейшему исследованию деления ядра бора при столкновении с быстрыми протонами. Когда ядро бора сталкивается с протоном и это столкновение достаточно сильно для того, чтобы бомбардирующая частица проникла сквозь потенциальный барьер и оказалась внутри ядра, оно распадается на три примерно равных осколка, которые разлетаются во все стороны. Весь процесс можно наблюдать непосредственно в так называемой пузырьковой камере, делающей видимыми траектории всех частиц, участвующих в столкновении. Такая камера с небольшим кусочком бора в середине установлена у выхода ускорительной системы, и как только циклотрон заработает, вы увидите деление ядра собственными глазами.

— Включите, пожалуйста, ток, — обратился профессор к своему ассистенту,

— а я пока займусь регулировкой магнитного поля.

Чтобы запустить циклотрон, понадобилось некоторое время, и предоставленный самому себе мистер Томпкинс праздно бродил по лаборатории. Его внимание привлекла сложная система усилительных ламп, тлевших слабым голубоватым светом. Не зная в точности, какие электрические напряжения используются в циклотроне (напряжение может быть мало для того, чтобы расщепить атомное ядро, но вполне достаточно, чтобы свалить быка!), мистер Томпкинс осторожно наклонился над лампами.

Последовал резкий щелчок, словно укротитель львов взмахнул своим хлыстом, и мистер Томпкинс почувствовал ужасную боль, пронзившую все его тело. В тот же миг тьма окутала все, и он потерял сознание.

Когда мистер Томпкинс, наконец, открыл глаза, он обнаружил, что лежит на полу в том самом месте, где его сразил электрический разряд. Помещение вроде бы оставалось прежним, но было обставлено совершенно по-другому. Вместо возвышавшегося наподобие башни циклотронного магнита, сияющих медных контактов и десятков сложных электрических устройств, торчавших тут и там, мистер Томпкинс увидел деревянный стол, на котором были разбросаны плотницкие инструменты. На старомодных полках, висевших по стенам, мистер Томпкинс заметил множество вырезанных из дерева фигур странных и необычных форм. За столом сидел приветливый старичок. Приглядевшись к его чертам, мистер Томпкинс был поражен сильным сходством со стариком Джепетто из фильма «Пиноккио» Уолта Диснея и с портретом покойного Резерфорда лорда Нельсона, висевшим в лаборатории у профессора.

— Прошу прощения за невольное вторжение, — сказал мистер Томпкинс, поднимаясь с пола. — Видите ли, я был на экскурсии в ядерной лаборатории и там со мной приключилось что-то странное.

— А, так вы интересуетесь атомным ядром? — оживился старичок, откладывая в сторону деревянную фигурку, которую он вырезал. Тогда вы попали как раз туда, куда надо! Я изготовляю всевозможные ядра и буду рад показать вам свою мастерскую.

— Я не ослышался? — переспросил мистер Томпкинс с озадаченным видом. — Вы сказали, что занимаетесь изготовлением ядер?

— Да, вы не ослышались. Правда, это требует известной сноровки, в особенности изготовление радиоактивных ядер. Ведь не успеешь их выкрасить, как они могут распасться.

— Выкрасить?

— Да, положительно заряженные частицы я обычно окрашиваю в красный цвет, а отрицательно заряженные — в зеленый. Вы, должно быть, знаете, что красный и зеленый цвета принадлежат к числу так называемых дополнительных цветов и при смешивании уничтожают друг друга [8]. Дополнительные цвета соответствуют положительным и отрицательным электрическим зарядам, которые нейтрализуют друг друга. Если атомное ядро состоит из одинакового числа положительных и отрицательных зарядов, быстро двигающихся в одну и в другую сторону, то такое ядро будет электрически нейтральным и покажется вам белым. Если же положительных или отрицательных частиц будет больше, то вся система будет окрашена в красный или в зеленый цвет. Не правда ли, просто?

— Здесь, — продолжал старичок, показывая мистеру Томпкинсу два больших деревянных ящика, стоявших возле стола, — я храню материалы, из которых можно изготовить различные ядра. В первом ящике у меня хранятся протоны — видите эти красные шары? Они очень стабильны и сохраняют свой красный цвет, даже если вы вздумаете поскоблить их ножом или чем-нибудь поцарапать. С нейтронами во втором ящике хлопот гораздо больше. Обычно они белые, или электрически нейтральные, но обнаруживают сильную тенденцию превращаться в красные протоны. Пока ящик плотно закрыт, все в порядке, но стоит лишь вынуть один нейтрон из ящика, как происходит следующее. Вот, полюбуйтесь сами.

Открыв ящик, старый резчик по дереву извлек из него один из белых шаров и положил его на стол. Какое-то время ничего не происходило, но как раз в тот момент, когда мистер Томпкинс начал терять терпение, шар внезапно ожил. На его поверхности появились красноватые и зеленоватые полосы, и вскоре некогда белый шар выглядел, как один из тех пестрых мраморных шариков, в которые так любят играть дети. Зеленый цвет начал концентрироваться на одной стороне шара, которая начала выпячиваться и затем полностью отделилась от шара, образовав блестящую зеленую каплю, которая упала на пол. Шар после этого стал красным и по внешнему виду ничем не отличался от красных шаров-протонов в первом ящике.

— Видите, что происходит, — сказал резчик, поднимая с пола зеленую каплю, ставшую твердой и круглой. — Белый цвет нейтрона превратился в зеленый и красный, а сам нейтрон распался на две отдельные частицы — протон и отрицательно заряженный электрон.

— Да, да, — добавил старичок, видя изумленное выражение на лице мистера Томпкинса, — эта частица цвета нефрита — не что иное, как обыкновенный электрон, ничем не отличающийся от других электронов в любом атоме и в чем угодно.

— Подумать только! — воскликнул мистер Томпкинс. — Это действительно превосходит все фокусы с разноцветными носовыми платками, какие только мне приходилось видеть. А можете ли вы вернуть шарам их исходную окраску?

— Да, я вотру зеленую краску в поверхность красного шара, от чего шар снова станет белым. Разумеется, для этого придется затратить определенное количество энергии. Другой способ состоит в том, чтобы соскрести с шара красную краску, но и он требует затрат энергии. Соскобленная с поверхности протона красная краска образует красную каплю, т. е. положительно заряженный электрон, о котором вам, должно быть, приходилось слышать.

— О да, когда я был электроном, — начал было мистер Томпкинс, но во время спохватился, — т. е. я хочу сказать, что слышал, будто положительные и отрицательные электроны при столкновении аннигилируют, т. е. взаимно уничтожаются. Не могли бы вы проделать этот трюк для меня?

— С удовольствием, — ответил старый мастер. — Делается это очень просто. Я не стану соскребать краску с этого протона. У меня и так осталась парочка-другая протонов от утренней работы.

Открыв один из ящиков, он извлек из него небольшой ярко-красный шар и, крепко держа его между указательным и большим пальцами, прижал к зеленому шару, лежавшему на столе. Последовал громкий треск, словно взорвалась хлопушка, и оба шара одновременно исчезли.

— Видели? — спросил резчик, дуя на слегка обожженные пальцы. — Поэтому из электронов и нельзя строить ядра. Однажды я попытался, но потом бросил эту затею и теперь строю ядра только из протонов и нейтронов.

— Но ведь нейтроны тоже нестабильны, если я не ошибаюсь? — спросил мистер Томпкинс, вспоминая превращения белого шара.

— Если брать нейтроны поодиночке, то они действительно нестабильны. Но когда они плотно упакованы в ядре и окружены другими частицами, то становятся стабильными. Если же нейтронов или протонов становится слишком много, то они могут претерпевать превращения и испускать из ядра лишнюю краску в виде положительно или отрицательно заряженных электронов. Такие события мы называем бета-распадом.

— Используете ли вы при изготовлении ядер клей? — поинтересовался мистер Томпкинс.

— Нет, никакой клей мне не нужен, — ответил старый мастер. — Эти частицы, извольте видеть, сами слипаются, стоит лишь поднести их друг к другу. Попробуйте сами, если хотите.

Последовав этому любезному приглашению, мистер Томпкинс взял в одну руку протон, в другую нейтрон и осторожно начал их сближать. Он сразу же почувствовал сильное притяжение и, взглянув на частицы, заметил чрезвычайно странное явление: частицы начали обмениваться окраской, становясь попеременно то красными, то белыми. Казалось, будто красная краска «перепрыгивает» с шара в правой руке на шар в левой руке, а затем с шара в левой руке снова на шар в правой руке. «Перекраска» шаров происходила так быстро, что казалось, будто между шарами протянулась розоватая лента, по которой то в одну, то в другую сторону перетекала краска.

— Мои друзья-теоретики называют это обменным взаимодействием, — заметил старый мастер, посмеиваясь над удивлением мистера Томпкинса. — Если угодно, можно сказать, что оба шара хотят быть красными, но поскольку они не могут быть красными одновременно, шары как бы попеременно перетягивают красную окраску к себе. Ни один из шаров не желает уступать другому, и поэтому шары вынуждены прилипнуть друг к другу и сосуществовать, покуда вы не разделите их насильно. А теперь я хочу показать вам, как просто изготовить любое ядро, какое вы только пожелаете. Какое ядро вам нравится больше других?

— Золото, — ответил мистер Томпкинс, помня об амбициях средневековых алхимиков.

— Золото? Сейчас посмотрим, — пробормотал себе под нос старый мастер, оборачиваясь к огромной таблице, висевшей на стене. — Ядро золота весит 197 единиц и несет 79 положительных электрических зарядов. Значит, для изготовления ядра золота я должен взять 79 протонов и 118 нейтронов — тогда масса ядра получится правильной.

Отсчитав нужное количество шаров каждого сорта, мастер поместил их в высокий цилиндрический сосуд и вставил в него тяжелый деревянный поршень. Затем изо всех сил он налег на поршень, пытаясь сдвинуть его вниз.

— Это необходимо для того, — пояснил он мистеру Томпкинсу, — чтобы преодолеть сильное электрическое отталкивание между положительно заряженными протонами. Лишь после того, как сжатие поршнем преодолеет отталкивание протонов, протоны и нейтроны слипнутся под действием обменных сил и образуют ядро золота.

С силой опустив поршень до отказа вниз, мастер вынул его и быстро перевернул цилиндрический сосуд. Блестящий розоватый шар выкатился из сосуда на стол, и, присмотревшись повнимательнее, мистер Томпкинс понял, что розоватый цвет возникал из-за смешения красных и белых вспышек, то и дело проскакивавших между быстро движущимися частицами.

— Как красиво! — воскликнул мистер Томпкинс. — Так вот он какой, атом золота!

— Еще не атом, а только атомное ядро, — поправил его старый мастер. — Чтобы завершить построение атома, необходимо добавить надлежащее количество электронов. Они нейтрализуют положительный заряд ядра и создадут вокруг него обычную электронную оболочку. Впрочем, сделать это не составляет особого труда, так как ядро само захватывает свои электроны, как только те окажутся поблизости.

— Интересно, — заметил мистер Томпкинс. — Мой тесть никогда не упоминал о том, что изготовить золото так просто.

— Ваш тесть и все эти так называемые физики-ядерщики! — воскликнул старый мастер с нотками раздражения в голосе. — Очень уж они важничают, хотя делать умеют очень мало. Они утверждают, будто протоны нельзя сжать в составное ядро, так как для этого потребовалось бы слишком большое давление. Один из них даже подсчитал, что для сближения протонов понадобилось бы приложить силу, равную весу Луны. Так почему бы не достать с неба Луну, если им больше нечего делать?

— Но они все же научились осуществлять некоторые ядерные превращения,

— мягко заметил мистер Томпкинс.

— Да, но с каким трудом даются им эти реакции! А новые элементы они получают в таких ничтожных количествах, что сами же едва могут их рассмотреть! Я сейчас продемонстрирую вам, как они это делают.

И схватив протон, старый мастер что было сил запустил им в ядро атома золота, лежавшее на столе. У самого ядра протон чуть замедлил свое движение, поколебался какой-то момент и затем нырнул внутрь ядра. Поглотив протон, ядро затряслось, словно от озноба, а затем от него с треском откололась небольшая часть.

— Видите, — сказал мастер, подбирая осколок. — Это то, что называется альфа-частицей! Если присмотреться повнимательнее, то видно, что она состоит из двух протонов и двух нейтронов. Такие частицы обычно испускаются тяжелыми ядрами так называемых радиоактивных элементов, но альфа-частицу можно выбить и из обычных стабильных ядер, если стукнуть по ним достаточно сильно. Хочу обратить ваше внимание на то, что оставшийся лежать на столе более крупный осколок уже не является ядром атома золота. Он утратил один положительный заряд, и теперь перед нами ядро атома платины, предыдущего элемента в периодической таблице. Однако в некоторых случаях протон, проникнув в ядро, не приводит к распаду ядра на два осколка. В этом случае вы получите ядро элемента, следующего за золотом в периодической таблице, т. е. ядро ртути. Комбинируя эти и аналогичные процессы, можно превращать любой элемент в любой другой.

— Теперь я понимаю, почему в ядерной физике используют пучки быстрых протонов, разогнанных до высоких энергий на циклотроне, — задумчиво произнес мистер Томпкинс. — А почему вы считаете, что этот метод нехорош?

— Потому что эффективность его очень низка. Прежде всего физики-ядерщики не умеют так точно попадать в ядро, как я: у них с ядром сталкивается лишь одна частица из тысячи. Во-вторых, даже в том случае, если частица попала в ядро, она с большой вероятностью не проникает внутрь ядра, а отскакивает от него. Вы, должно быть, заметили, что когда я запустил протоном в ядро атома золота, протон немного помедлил, прежде чем войти внутрь ядра и я уже было подумал, что протон отскочит назад.

— А что мешает частицам проникать в ядра? — поинтересовался мистер Томпкинс.

— Об этом вы могли бы догадаться и сами, — сказал старый мастер. — Если вы помните, и ядра, и бомбардирующие их протоны несут положительные заряды. Силы отталкивания, действующие между этими зарядами, образуют своего рода барьер, преодолеть который не так-то легко. Если бомбардирующие протоны все же проникают в ядерную крепость, то происходит это только потому, что они используют прием, напоминающий Троянского коня: проходят сквозь ядерные стены, как волны, а не как частицы.

— Боюсь, что это выше моего разумения, — печально заметил мистер Томгасинс. — Из ваших объяснений я не понял ни слова.

— Боюсь, что это так, — сказал резчик с улыбкой. — Сказать вам по правде, я и сам не очень разбираюсь во всем этом. Ведь я мастер. Я могу делать все эти вещи руками, но в теоретической абракадабре я не слишком силен. Главное здесь в том, что поскольку все эти ядерные частицы сделаны из квантового материала, они легко проходят, или просачиваются, сквозь препятствия, которые обычно считаются непроницаемыми.

— О, я кажется понимаю, что вы имеете в виду! — воскликнул мистер Томпкинс. — Помнится, однажды, еще до того, как я встретил Мод, мне довелось побывать в одном странном месте, где бильярдные шары вели себя в точности так, как вы сейчас сказали. — Бильярдные шары? Вы имеете в виду бильярдные шары из слоновой кости? — повторил с горечью старый мастер.

— Да, насколько я знаю, шары были выточены из бивней квантовых слонов,

— ответил мистер Томпкинс.

— Ничего не поделаешь, такова жизнь, — печально сказал старый мастер. — Подумать только, кто-то вырезает какие-то дурацкие шары, расходуя столь драгоценный материал для чьей-то забавы, а мне приходится вырезать протоны и нейтроны, фундаментальнейшие частицы Вселенной, из простого квантового дуба!

— Впрочем, — продолжал он бодрым тоном, чтобы скрыть разочарование, — мои несчастные деревянные игрушки ничуть не уступают всем этим дорогим финтифлюшкам из слоновой кости. Как я сейчас покажу вам, они легко проходят сквозь любой барьер. Взобравшись на стул, мастер достал с верхней полки резную фигурку необычного вида, напоминавшую модель вулкана.

— Вот, не угодно ли взглянуть, — продолжал мастер, осторожно смахивая пыль. — Перед вами модель барьера сил отталкивания, который окружает любое атомное ядро. Внешние склоны соответствуют отталкиванию электрических зарядов, а кратер — силам сцепления, удерживающим частицы внутри ядра. Если толкнуть шарик вверх по склону, но не слишком сильно, чтобы он не достиг края кратера, то вы, естественно, ожидаете, что шарик скатится назад. А вот что происходит на самом деле.

Мастер слегка подтолкнул шарик вверх по склону.

— Не вижу ничего необычного, — заметил мистер Томпкинс, когда шарик, поднявшись примерно до середины склона, скатился назад.

— Не торопитесь, — спокойно сказал мастер. — Не все и не всегда получается с первого раза.

Он еще раз толкнул шарик вверх по склону, и шарик снова скатился вниз. И лишь с третьей попытки шарик, поднявшись примерно до середины склона, внезапно исчез.

— Как вы думаете, где теперь шарик? — торжествующе спросил старый мастер с чувством фокусника, удачно выполнившего трудный трюк.

— Наверное, в кратере? — высказал предположение мистер Томпкинс.

— Вы совершенно правы, именно в кратере, — подтвердил его догадку старый мастер, вынимая шарик из углубления двумя пальцами.

— А теперь попробуем запустить его в обратном направлении, — предложил он мистеру Томпкинсу, — и посмотрим, сможет ли шарик выбраться из кратера, не перекатываясь через край.

В течение какого-то времени ничего не происходило, и мистер Томпкинс мог только слышать погромыхивание шарика, катавшегося то в одну, то в другую сторону внутри кратера. Затем, как по мановению волшебной палочки, шарик вдруг появился на середине склона и тихо скатился на стол.

— То, что вы сейчас видели, может служить хорошей иллюстрацией того, что происходит при радиоактивном альфа-распаде, — сказал резчик, ставя модель на полку, — только там вместо барьера из обычного квантового дуба существует барьер сил отталкивания электрических зарядов. В принципе никакой разницы между моделью и настоящим альфа-распадом нет. Иногда эти электрические барьеры в атомах становятся настолько «прозрачными», что частицы покидают ядра за ничтожную долю секунды. В других случаях ядерные барьеры настолько «непрозрачные», что переход из ядра наружу затягивается на многие миллиарды лет, как например в ядре урана.