Капля

Капельный след

Английский ученый лауреат Нобелевской премии Чарлз Томас Рисс Вильсон всю свою долгую творческую жизнь посвятил исследованию капель. Ему было 25 лет, когда он впервые попал в обсерваторию на вершине снежной горы Бен-Невис в Шотландии. Там он наблюдал грозу: тяжелые облака, сверкающие молнии, грозовые разряды, вершина Бен-Невиса в ореоле разноцветных колец, дви­жущихся и меняющих окраску. Потрясенный красотой и загадочностью виденного, Вильсон решает посвятить се­бя исследованиям в области физики атмосферных явле­ний. А это значит, что надо начинать с изучения капель, образующих облака.

В судьбе капель его интересовало все: как они зарож­даются и растут, как испаряются, как меняются под влия­нием различных внешних обстоятельств.

О творческом труде Вильсона, длившемся 65 лет, мо­жет быть, никто бы и не узнал, кроме метеорологов и уз­ких специалистов по физике дождя и облаков, если бы в 1911 году он не создал прибор, в котором благодаря каплям можно сделать видимыми траектории элементар­ных заряженных частиц. Этому прибору — он называется камерой Вильсона — суждено было сыграть исключи­тельную роль в развитии физики в XX веке.

Первые исследования Вильсона были посвящены изуче­нию механизма зарождения капель. У него были талант­ливые и искусные предшественники. Английский физик Айткен еще в 1870 г. поставил опыты по образованию ка­пель в изобретенной им туманной камере. Конструкция этой камеры элементарна: цилиндрический стеклянный стакан с легкоподвижным и тщательно притертым порш­нем, на дне стакана слой воды, над водой под поршнем влажный воздух. При быстром поднятии поршня в стака­не образуется туман из множества капелек. Возникают они по причине очевидной: при быстром расширении воз­дух немного охлаждается, так как для того, чтобы расши­риться в пустой объем, освободившийся вследствие сме­щения поршня, воздуху надо потратить часть своей энер­гии. То количество влаги, которое до расширения насы­щало воздух под поршнем, после расширения, когда воз­дух охладился, частично оказывается в избытке и выпа­дает в виде отдельных капелек, образуя туман. Айткен экспериментировал при очень небольших расширениях камеры и показал, что если воздух свободен от пыли или крупинок соли (их особенно много в атмосфере над по­верхностью моря), то в момент расширения туман не воз­никает. Для его образования необходимы посторонние центры конденсации капель — «ядра Айткена».

Вильсон продолжил опыты Айткена, воспользовавшись его туманной камерой. Он экспериментировал много, тща­тельно, широко изменяя внешние условия, при которых капли могут или не могут зарождаться. Проследим шаг за шагом логику экспериментов Вильсона.

Шаг первый. Повторение опытов Айткена, сопровождае­мое тщательным измерением коэффициента скачкообраз­ного расширения камеры, т. е. отношения объема камеры после расширения к ее начальному объему (К). Резуль­тат: Айткен прав до значений К ≤ 1,252.

Шаг второй. Исследования формирования капель при значениях К 1,252 в воздухе, тщательно очищенном от посторонних примесей. Результат: до значения К = 1,370 в воздухе образуются крупные капли тумана, которые дождем падают на дно камеры; при К = 1,370, когда, как оказывается, пересыщение становится восьмикрат­ным, процесс резко изменяется, в камере возникает гу­стой, молочный, плотный туман. Предотвратить этот про­цесс оказалось невозможным. При таком огромном пере­сыщении центрами конденсации становятся комплексы случайно столкнувшихся молекул влаги. «Ядра Айткена» для этого не нужны.

Шаг третий. Он был сделан в 1896 г., вскоре после того, как Рентген открыл γ-лучи. Сквозь туманную камеру про­пускались рентгеновские лучи. Результат: густой туман возникает и при К < 1,370. Догадка: возможно, ионы, которые образуются под влиянием рентгеновского облу­чения, являются центрами конденсации. Проверочный опыт: в облучаемом пространстве камеры установлены электроды, к которым подана разность потенциалов. Электрическое поле должно убрать ионы, и, если они яв­ляются центрами конденсации, образования капель не должно происходить. Опыт закончился предполагаемым результатом, подтвердил догадку.

Логическая строгость мысли и тщательность экспери­ментатора привели к крупному открытию. Его сущность можно сформулировать так: заряженные ионы являются центрами конденсации капель в пространстве, пересыщен­ном влагой.

А затем последовало еще множество шагов. Каждый шаг — это сомнение, радостное и изнуряющее экспери­ментирование, тщательность, сопровождаемая ухищре­ниями, годы кропотливого труда, посвященные познанию капли. Было выяснено, что диаметр капель в густом ту­мане имеет размер около 0,1 микрона, что в 1 см³ тума­на около 100 000 000 капель, что на положительно заряженных ионах капли образуются легче, чем на отрицатель­но заряженных.

И, наконец, в 1911 году — решающий шаг.

Вильсон исходил из такого предположения: если в объе­ме камеры ионы распределены не хаотически, а закономер­но, возникшие на них капли должны образовать не моло­ко равномерного тумана, а определенный ансамбль, пов­торяющий закономерность расположения ионов в объеме. Если в камере пролетит ионизирующая частица и на сво­ем пути оставит цепочку ионов, капли, образующиеся на них при расширении камеры, составят капельный след. Частицу видеть нельзя, но можно увидеть путь, вдоль которого она пролетела. Был поставлен опыт: в камере помещался источник α-частиц, и в момент расширения объема камеры отчетливо наблюдались треки — капель­ные следы, вдоль которых α-частицы пролетели.

Видимо, в действительности все обстояло не так последовательно, строго и организованно, как здесь это описа­но: мысль — эксперимент — успех! Видимо, цепочка не была такой прямой. Путь к успеху лежал через случай­ные наблюдения, которые ускользнули бы от невнима­тельного глаза, через неудачные попытки воспроизвести случайное наблюдение, через минуты и дни отчаяния, когда казалось, что того случайного наблюдения в дей­ствительности и не было.

Семнадцать лет Вильсон изучал образование капель в своей лаборатории один, с глазу на глаз с туманной каме­рой, а после 1911 года камера Вильсона стала достоянием всего человечества: вильсоновские камеры разнообраз­ных усовершенствованных конструкций используются почти во всех лабораториях мира, изучающих строение вещества.

Множество услуг науке оказала капля, рождающаяся в камере Вильсона. Об одной из них я расскажу подробнее: речь идет о роли, Которую сыграла капля в открытии первой античастицы — позитрона, несущей элементарный по­ложительный заряд, по величине равный заряду электрона.

История открытия такова. Прямолинейный трек в ка­мере сообщает о факте пролета частицы. Иногда, глядя на трек, можно понять, в каком направлении частица ле­тела, но практически ничего нельзя сказать ни о ее заряде, ни о ее скорости, во всяком случае точно определить эти величины нельзя. Если же камеру поместить в магнитное поле, в котором заряженные частицы летят по дуге окруж­ности, то по радиусу капельного следа при известном зна­чении напряженности магнитного поля можно узнать о частице многое.

Магнитное поле создает силу, которая вынуждает за­ряженную частицу, летящую по прямой, изменить траек­торию полета, перейти на траекторию, которая является дугой окружности. Радиус этой дуги для частицы с опре­деленным отношением величины заряда к величине мас­сы тем больше, чем больше скорость, и тем меньше, чем больше напряженность магнитного поля. А направление движения частицы по дуге окружности определяется зна­ком ее заряда. Таким образом, в разных условиях опыта, меняя напряженность поля, изменяя радиусы изогнутых орбит, можно получить важные сведения о летящей ча­стице.

В 1932 году американский физик Андерсон, изучавший состав космических лучей, на фотографиях, полученных в камере Вильсона, которая находилась в магнитном поле, обнаружил капельные следы, изгибающиеся в разные сто­роны: следы начинались в одной точке и удалялись друг от друга. К этому времени уже было известно предсказание английского физика-теоретика Дирака о существовании позитрона. Согласно Дираку,исчезновение кванта лучистой энергии должно сопровождаться одновременным рожде­нием двух частиц— электрона и позитрона. Энергия кванта превращается в массу и кинетическую энергию этих частиц. Было сделано естественное предположение, что на фотографии запечатлен предсказанный Дираком процесс, и так как частицы несут заряды разных знаков, магнитное поле отклоняет их в противоположных нап­равлениях.

Предположение, действительно, естественное, разумное, но неоднозначное. А что если произошло чрезвычайно мало­вероятное, но принципиально возможное — камера за­фиксировала треки двух электронов, из которых один ле­тел из данной точки, а другой приближался к ней? В этом случае тоже будут два противоположно изогнутых капель­ных следа, встречающихся в одной точке. Чтобы исклю­чить возможность такого толкования, Андерсон перегоро­дил камеру Вильсона тонкой свинцовой стенкой, рассудив, что частица, пролетевшая через такую стенку, поте­ряет часть энергии и в магнитном поле будет двигаться по дуге с меньшим радиусом, что позволит точно опреде­лить направление полета: частица налетает на свинцовую перегородку с той стороны, где радиус кривизны остав­ляемого трека больше. С помощью этого остроумного при­ема он убедился в том, что две частицы, несущие одинако­вый заряд, вылетают из одной точки и разлетаются в раз­ные стороны. Одна из них — давно известный электрон, а вторая — впервые увиденный позитрон.

В действительности дело делалось не совсем так гладко и последовательно, как об этом здесь рассказано. Андер­сон — чистейшей воды экспериментатор — мог и не знать о совсем недавнем предсказании теоретика Дирака, и об­наружение позитронного трека ему досталось в награду за экспериментальное мастерство и проницательность при изучении фотографий, полученных в камере Вильсона.

В истории открытия позитрона нас главным образом ин­тересует капля, которая помогла увидеть новую частицу— крупинку антивещества!