Текст книги "В поисках чуда (с илл.)"

Автор книги: Лев Бобров

Самопишущий карандаш электроники

В 1959 году в Сокольническом парке столицы открылась американская выставка. Один из ее гидов, председатель Международного общества медицинской электроники, директор исследовательского института В. К. Зворыкин, по приглашению профессора П. В. Шмакова посетил Ленинградский институт связи. Вот что рассказал в сборнике «Пути в незнаемое» за 1964 год инженер В. Узилевский: «Вспыхнули три телевизионных экрана. Передача была короткой – трехминутный видовой фильм. Я не мог разглядеть выражение лица Зворыкина. Но мне показалось, что он сильно взволнован. Что его взволновало – виды Ленинграда, который он навсегда покинул не то в шестнадцатом, не то в семнадцатом году, уехав в Америку военным представителем, или качество телевизионного изображения? Ведь он фактически основоположник американского телевидения и многие годы отдал цветному. Зворыкин заговорил:

– Чьи это телевизоры?

– Один ваш и два наших, – ответил Шмаков.

– Вот наш. – Зажгли свет. Мы убедились, что американский профессор угадал. – Не волнуйтесь, – успокоил он Шмакова. – Ваш приемник лучше, потому я и угадал. А мы надеялись вас удивить на выставке…

Потом Зворыкина водили по всем лабораториям кафедры телевидения. На четвертом этаже он долго смотрел на портрет человека с темными глазами и маленькой бородкой. Это был портрет Розинга.

– Учитель, – тихо произнес он. – Ему и Америка обязана телевидением… Мы вас недооценивали. У вас есть чему поучиться.

Я слушал Зворыкина, а смотрел на профессора Шмакова. Я почему-то был уверен, что в эти минуты профессор вспомнил годы блокады. Когда в холодных, нетопленных помещениях опухшие от голода сотрудники его кафедры делали ртутные взрыватели, обезвреживали неразорвавшиеся мины. Как с помощью разработанной в лаборатории аппаратуры спасали заваленных во время бомбежки людей… Выслушивая комплименты американского профессора по поводу цветной системы, профессор Шмаков помнил, как трудно далось все это».

Первую систему трехцветного телевидения в 1925 году предложил советский инженер И. А. Адамиан, а ее усовершенствованный вариант – Ю. С. Волков в 1929-м. Прошло сорок лет, но до сих пор ни одна европейская страна не организовала регулярных телепередач в красках, кроме разве что опытных, – проблема оказалась нелегкой.

В СССР для внедрения в опытное вещание выбрана так называемая одновременная совместимая система. Она позволяет смотреть красочные программы на экранах обычных приемников, правда, в черно-белых тонах; новым телевизорам доступны оба вида передач: и обычные и цветные. Впервые эта система у нас была опробована 31 марта 1955 года; в мае 1956 года она уже демонстрировалась советским и зарубежным специалистам.

…Еще в 1907 году преподаватель Петербургского технологического института Б. Л. Розинг получил «привилегию № 18076» на систему «электрической телескопии». Однако самое революционное нововведение ученого – управляемый электронный луч – не могло в полной мере проявить себя без других, столь же перспективных узлов. Любопытно: даже в 1922 году известный немецкий радиотехник Д. Михали в своей книге «Видение на расстоянии» скептически пожимал плечами: «Применение катодной трубки для телевидения практически неосуществимо».

Невзирая на пессимизм авторитетных оракулов, советские специалисты продолжали совершенствовать изобретение Розинга.

Механические узлы в системах передатчиков все еще сдерживали развитие телевидения. Выход из тупика в 1931 году независимо друг от друга нашли инженеры С. И. Катаев (СССР) и В. К. Зворыкин (США). Они, как и Розинг, заставили работать электронный луч – теперь уже не только в трубке – приемнике, но и в передатчике. Применение этого изумительно гибкого и эффективного инструмента упразднило громоздкие механические детали и позволило построить легкий компактный передатчик, упрятав его в небольшую стеклянную колбу. Так началась революция в телевидении.

Трубка Катаева (ее сегодняшние варианты называют иконоскопами) подняла четкость изображения, позволив увеличить количество строк в десятки раз.

Потом был имедж-иконоскоп. Так за границей именуют трубку, изобретенную в 1933 году П. В. Шмаковым и П. В. Тимофеевым. Идею имедж-иконоскопа подсказало авторам в какой-то мере изобретение инженера Л. А. Кубецкого – фотоумножитель (1930 год). Трубка Шмакова – Тимофеева оказалась в десять раз чувствительней, чем обычный иконоскоп.

Естественно, что в коротком рассказе одни фамилии встречаются чаще других, а иные и вообще отсутствуют. Как на экране телевизора: если кто-то дан крупно, значит прочие ушли на второй план или остались за кадром; если же панорама охвачена целиком, то все действующие лица одинаково мелки, так что ни людей, ни их поступков разобрать нельзя…

Можно было бы упомянуть, что русский физик А. Г. Столетов, учитель П. Н. Лебедева, заложил основы учения об электронной фотоэмиссии. Что эти идеи развивались советскими учеными П. И. Лукирским, С. С. Прилежаевым, Н. С. Хлебниковым, многими другими. Что все современные передающие трубки обязаны своим существованием и совершенством пионерским разработкам А. А. Чернышова (1925 год), А. П. Константинова (1930), С. И. Катаева (1931), П. В. Шмакова и П. В. Тимофеева (1933), Г. В. Брауде (1938). Этот список при желании легко продолжить.

Розинг, Столетов, Попов – они были каменщиками, заложившими первые кирпичи в фундамент, на котором поднялась в небо исполинская Останкинская телебашня. Поднялась потому, что наследие русских ученых попало в хорошие руки.

Профессор П. В. Шмаков тоже начинал свою научную деятельность до революции, и его слова звучат особенно убедительно: «Для создания той или иной телевизионной системы требуется тесное содружество математиков, физиков, химиков, оптиков, вакуумщиков, энергетиков, акустиков, механиков и радистов всех профилей. Такое содружество научных сил у нас в России стало возможным только в советскую эпоху, когда были созданы крупнейшие исследовательские институты и лаборатории, а также большое число высших учебных заведений. Поэтому все практические достижения в области телевидения относятся именно к советской эпохе. Ученые дореволюционной России, занимавшиеся вопросами телевидения, были одиночками, и охват всей проблемы в целом для них был невозможен».

Сейчас телевизор прочно вошел в наш быт. Каждый вечер вспыхивают голубые экраны в миллионах квартир. Аппараты советских марок пользуются спросом и за границей.

22 марта 1965 года между правительствами СССР и Франции подписано соглашение о сотрудничестве с целью внедрить единую систему цветного телевидения на основе хорошо зарекомендовавшего себя проекта «СЕКАМ».

Телекамеры ведут репортажи не только с поверхности Земли, но и с борта космических кораблей. В дни группового полета «Востока-3» и «Востока-4» родилось космовидение – изображение передавалось на миллионы голубых экранов не только СССР, но и других стран, подключенных к системам Интервидения и Евровидения.

Можно без конца рассказывать о триумфах электронного луча, создающего изображение на экранах телевизоров. Да и только ли телевизоров? А осциллографов? А радиолокаторных индикаторов? А электронных микроскопов?

Электронная оптика… Сейчас это обширнейшая область науки и техники, в основе которой лежит формирование заряженных частиц в организованные потоки – широкие ли пучки, узкие ли лучи – и управление ими. Немалый вклад в ее развитие внесли советские ученые А. А. Лебедев, Г. А. Гринберг, многие другие. Именно в лаборатории Лебедева, в Государственном оптическом институте, еще в 1940 году был построен первый советский электронный микроскоп, дававший увеличение в 10 тысяч раз. Сегодня эта цифра превзойдена более чем десятикратно.

Чтобы постигнуть смысл приведенных «холодных числ», достаточно сказать, что самый мощный оптический микроскоп, хотя его никак не назовешь подслеповатым, далеко уступает электронному в зоркости – в десятки и сотни раз. Именно благодаря электрическим и магнитным «линзам», фокусирующим электронные лучи, удалось разглядеть тонкую структуру клетки, даже увидеть отдельные «живые молекулы», а это привело, как известно, к настоящей революции в биологии.

Богатейшие возможности пучка частиц в роли волшебного карандаша уже проиллюстрированы на примере телевидения. Здесь корпускулярное излучение, как когда-то волновое (лазер!), доказало нам свою «ловкость», свою грациозную легкость, мобильность, гибкость. Между тем оно тоже способно быть мощным и разрушительным.

Согните его в бараний рог!

Под Серпуховом по соседству с крестообразным радиотелескопом построено еще одно чудо техники, кольцевидное. Его поперечник – около полукилометра, периметр – полтора. Ныне это самый большой, самый мощный ускоритель, какого еще не видывал свет. Представляете? Точнейшая, сложнейшая машина размером со стадион!

 
…О чудесах-пирамидах умолкнет пусть варварский Мемфис.
Посрамлена и кичливость всех Вавилонских твердынь.
Храмом Эфесским отныне не хвастают пусть ионийцы.
Взора не тешит уже славный Делосский алтарь.
Да не возносят теперь до небес, похваляясь, карлицы
Чудо свое – Мавзолей, что надменно вздымается ввысь.
Все уступают они творению…
 

Так и хочется продолжить:

 
…физиков русских —
Наш ускоритель-гигант славит людская молва.
 

Но в оригинале стихи звучат иначе:

 
…цезарей римских.
Больше всего Колизей славит людская молва.
 

Сей высокопарный панегирик принадлежит античному поэту Марциалу.

«А среди памятников, которые оставит после себя наш беспокойный век, быть может, наиболее яркими будут полуразрушенные и поросшие травой, старьте, заброшенные к тому времени гигантские ускорители, – так считает молодой журналист и ученый, кандидат технических наук В. П. Карцев. – Ускорители – вот те памятники, по которым потомки будут судить о нас, об уровне нашей техники и культуры. Ускорители – это наши пирамиды».

Среди литературных вариаций на эту тему чаще всего сталкиваешься именно с архитектурно-строительными ассоциациями. Вот, пожалуйста:

– Каждый вид ускорителей имеет собственный архитектурный стиль. Синхроциклотроны для меня – барокко. Протонные синхротроны выполнены, без сомнения, в романском стиле, хотя их изогнутые арки расположены горизонтально. Электронные синхротроны обладают той легкостью и грацией, которая присуща готике. А изохронный циклотрон с его вычурными полюсными наконечниками оформлен как бы в манере рококо…

Это говорит ученый. И не кто иной, как специалист, участвовавший в сооружении первых циклотронов, – Роберт Уилсон.

Незаметно для себя мы очутились среди отнюдь не царских «тронов», перенесясь сюда из мира «скопов», – помните? Кинескоп, иконоскоп, имедж-иконоскоп, электронный микроскоп… У всех у них, как и у клистронов, у магнетронов, есть немало общего с циклотронами, синхрофазотронами и прочими «тронами». Имена радиоламп-малюток и ускорителей-великанов созвучны неспроста.

В «лампе морского прибоя» электронным потоком управляют с помощью электрического поля, в магнетроне – магнитного. Управляют – это значит формируют частицы в прямолинейные пучки или закручивают их в вихри, разгоняют их на пути от катода к аноду, отклоняют и таким образом заставляют работать, эксплуатируют, добиваясь нужной цели. А разве в ускорителях происходит не то же самое, разве что в больших масштабах?

Потоки корпускул вполне правомерно рассматривать как лучи. Чем массивнее эти «пули» и чем сильнее они разогнаны электрическим полем, тем короче волна. Ее длину подбирают так, чтобы она была сравнимой с размерами исследуемого объекта. Ведь облучаемое вещество сообщит о себе что-то лишь в том случае, если оно как-то исказит нахлынувшую на него волну. Дмитрий Иванович Блохинцев, президент Международного союза чистой и прикладной физики, член-корреспондент АН СССР, так иллюстрирует эту закономерность:

– Представьте себе лодку на поверхности пруда. Гонимые ветром волны набегают на нее, отражаясь от одного, например левого, борта, а за другим, правым, возникает область штиля. По тени и отражению можно судить с? размерах и форме лодки, даже не видя ее саму. Зато если погрузить в воду вязальную спицу, то волны, чересчур большие в сопоставлении с нею, не возмутятся, не исказятся. Они попросту не заметят столь ничтожного препятствия, а мы о нем так ничего и не узнаем.

У протонных пучков дубненского синхрофазотрона длина волны составляет одну стотриллионную долю сантиметра, а это меньше нуклона. Значит, таким путем можно «прощупывать» внутреннюю структуру ядра и его «кирпичиков».

Еще выше разрешающая способность у серпуховского ускорителя. Частицы в нем удается разгонять до энергий в 70 миллиардов электрон-вольт – в семь раз больше, чем на дубненском. Однако, если учесть, что при ударе микротарана ядра обстреливаемой мишени податливо отступают назад, то, к сожалению, волна корпускулярного излучения укоротится не во столько же раз, а лишь в корень квадратный из 7, то есть примерно в два с половиной раза. Чтобы уменьшить ее вдесятеро, понадобилась бы машина, которая мощнее дубненской во сто крат.

Проект именно такого сверхгиганта выдвинут советскими учеными в августе 1963 года на Международной конференции, проходившей в Дубне. Тогда же их коллеги из Европейского центра ядерных исследований предложили ускорители в 3 раза меньшей, но все равно циклопической мощности – на 300 миллиардов электрон-вольт, а американцы – на 200.

Высокоэнергетические корпускулярные излучения… Их научную важность физики осознали еще до того, как научились получать их в лабораториях.

…Вот так сюрприз! Откуда он – столь необычный след? Все другие искривлены наподобие дуг, а этот – словно тетива лука. Тут было над чем призадуматься.

Физик Дмитрий Скобельцын оторвал глаза от вороха снимков и посмотрел на стоявшую перед ним камеру Вильсона. В ней действительно долгие годы наблюдались лишь прямолинейные треки. Вторгаясь в газовую среду, заполнявшую камеру, частица летела вперед, напролом, не отклоняясь, – да и с чего бы ей поворачивать? Правда, на ее пути попадалось множество препятствий – целая толпа встречных молекул. Но, обладая большей энергией, она их попросту калечила, разбивала вдребезги, упорно продолжая двигаться по прежнему направлению. Сзади оставались обломки – ионы и электроны. На них конденсировались водяные пары, присутствовавшие в газе. Образовывалась ниточка из мельчайших бусинок-капелек, хорошо видная в окуляр. Ее легко было и сфотографировать – на снимке получались крапинки, составлявшие не очень ровную, прерывистую, но все же явно прямую трассу. Так продолжалось до тех пор пока Скобельцын не поместил камеру Вильсона в постоянное магнитное поле, чтобы оно плавно изгибало маршрут заряженной корпускулы.

Еще в 1922 году в «Журнале русского физико-химического общества» («ЖРФХО») вышла статья, подписанная П. Л. Капицей и Н. Н. Семеновым, – «О возможности экспериментального определения магнитного момента атома». (Статья была помечена декабрем 1920 года. Но пока она добиралась до Берлина, где издавался «ЖРФХО», пока набиралась, печаталась, Штерн вместе с Герлахом поставили подобный же опыт. Впоследствии первый из них за эту работу удостоился Нобелевской премии.) Командированный тогда же в Англию, к самому Резерфорду, 29-летний Петр Капица защитил там докторскую диссертацию на тему «Прохождение альфа-лучей через материальную среду и методы получения сильных магнитных полей». Получил премию Максвелла, а через пять лет стал действительным членом Королевского общества. Здесь, в Кембридже, Капице пригодились идеи, сформулированные в той самой статье: молодой советский физик впервые предложил точно оценивать энергию частиц по степени их отклонения магнитным полем, куда помещалась камера Вильсона.

Так же поступил в 1927 году и Дмитрий Владимирович Скобельцын. Правда, он изучал иное явление – эффект Комптона. И треки, полученные им на снимках с помощью камеры Вильсона, принадлежали не ядрам гелия, как у Капицы, а электронам, выбитым из атома гамма-квантами. Но закономерность оставалась той же самой: чем круче вираж, тем податливее была описывавшая его частица, тем она слабосильнее.

Так вот, на некоторых кадрах в тех же условиях у Скобельцына почему-то запечатлелись прямолинейные черточки.

Чьи они? Комптоновских электронов? Нет! Какие-то иные пули, куда болеем стремительные и мощные, прошили камеру Вильсона насквозь, даже не обратив внимания на внешнее магнитное поле.

Тщательный критический анализ условий опыта, перебор всех предполагаемых источников окончательно убедил Скобельцына: зафиксировано всепроникающее космическое излучение.

Обнаруженное еще в 1912 году, оно интересовало в основном геофизиков, атомников же оставляло к себе равнодушными. Открытие советского ученого, как по сигналу тревоги, подняло канониров микромира. Еще бы: высокоэнергичные частицы, а их не умели тогда получать в лаборатории, обещали стать новыми, более мощными снарядами в штурме ядерного Измаила.

Сдвинуть с мертвой точки проблему космических лучей помог и другой способ их регистрации, предложенный в 1925 году нашими же учеными Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым, – прямо на фотопластинку, без камеры Вильсона и ее тумана. Повреждая молекулы светочувствительного слоя, частица оставляет в эмульсии след, хорошо прорисовывающийся по проявлении. А монография Мысовского «Космические лучи» (1929 год) привлекла всеобщее внимание к новой области, которая до того времени лежала в стороне от столбовой дороги ядерной физики.

В 1929 году Скобельцын установил, что лучи, приходящие из вселенной, зачастую проявляют себя не в виде отдельных редких пуль, а целыми ливнями, наподобие шрапнельных осколков. Внедряясь в воздушную оболочку нашей планеты, походя круша встречные молекулы, они вызывают целый фейерверк микрокатастроф, сыплющий искрами по сторонам осколки атомов и новые, элементарные частицы. Стало очевидно: стремительный корпускулярный поток порождает качественно иные явления, которые невозможно или очень трудно наблюдать, если оперировать традиционными малыми энергиями – как при бомбардировке веществ обычными, сравнительно медленными ядерными частицами. Увы, новый инструмент исследования не только радовал своей невиданной мощью, но и огорчал грубостью. Нерегулярные по времени, неоднородные по энергии, разношерстные по составу, небесные пулеметные очереди все меньше устраивали ученых. Все настойчивей заявляла о себе потребность в иной канонаде – столь же сокрушительной, но к тому еще и хорошо организованной, легко поддающейся управлению.

Трудно сказать, кто, где и когда впервые подал мысль об ускорителе. Идея зрела исподволь во многих странах. В конце концов вакуумная трубка, с помощью которой Рентген в 1895 году открыл лучи, названные его именем, – тоже ускоритель, правда, линейный, не кольцевой. В нем электроны, срывавшиеся с катода, разгонялись электрическим полем и, проносясь мимо анода, с силой бились о мишень – об антикатод. Тормозясь в нем, они отдавали избыток своей энергии в виде всепроникающих квантов. Но там разность потенциалов не превышала 50 тысяч вольт. И, стало быть, пройдя ее, наша однозарядная частица обретала энергию не более 50 тысяч электрон-вольт, то есть в сотни раз меньше, чем требовалось для вторжения в атомное ядро.

В принципе, конечно, можно было создать длиннющую вакуумную трубку, равноценную десятку или хоть сотне обычных. Иной путь наметили харьковские физики (К. Д. Синельников и другие). Конструируя небольшой импульсный генератор на полтора миллиона вольт для получения быстрых ионов и электронов, они задались вопросом: а не лучше ли свернуть цепочку в кольцо, в спираль и таким образом обойтись меньшим количеством звеньев? В 1930 году они даже испытали устройство, напоминающее циклотрон. Но довести эту идею до логического конца суждено было другому. Должен же кто-то стать первым!

Первым стал Эрнест О. Лоуренс, доктор философии Калифорнийского университета (США). В 1932 году он соорудил свою установку.

В том же 1932 году по инициативе Л. В. Мысовского в Радиевом институте был заложен первый в Советском Союзе и Европе однометровый циклотрон. Он сыграл свою роль в развитии нашей ускорительной техники: его запуск и эксплуатация стали своеобразной генеральной репетицией накануне наших всемирно прогремевших премьер, начавшихся сооружением шестиметрового синхроциклотрона в Дубне.

Тем временем группа Лоуренса сконструировала новый ускоритель, рассчитанный на энергию частиц в 60 миллионов электрон-вольт. Увы, он не оправдал возлагавшихся на него надежд: не был способен сообщать частицам запланированную мощь. Самое большее, на что у него «хватало пороху», – разгонять их до энергии в 20 миллионов электрон-вольт – втрое меньше. И ничего тут нельзя было поделать, если бы не…

Спасательный круг, за который ухватился Лоуренс, – принцип автофазировки. Эта идея впервые сформулирована советским ученым В. И. Векслером в серии его статей, вышедших в 1944–1945 годах, и независимо от него американским физиком Э. Мак-Милланом.