Ядерная физика
70-летие Победы — прекрасный повод вспомнить, что высокая, нобелевского уровня наука продолжалась и во время войны. Именно тогда Владимир Векслер открыл явление автофазировки, Евгений Завойский — электронного парамагнитного резонанса, а Зинаида Ермольева в 1943 году синтезировала пенициллин.
Владимира Векслера на Нобелевскую премию — вместе с американцем Эдвином Макмилланом — впервые выдвинул в 1947 году американец Леонард Бенедикт Леб. Нобелевский комитет назвал их работу "сенсационным успехом в решении проблемы ускорения заряженных частиц большой энергии". В 1948 г. Векслера и Макмиллана выдвигает лауреат Нобелевской премии по физике 1924 г. Карл Сигбан. Но СССР уже отгородился от мира, и Сигбану пришлось констатировать в номинации: "Насколько мы можем судить, он [Векслер] не показал техническую возможность данного принципа в эксперименте". В 1951 г. Векслера и Макмиллана на Нобелевскую премию выдвинул лондонский профессор Джозеф Ротблат. В 1959 г. советские академики Александр Несмеянов и Александр Топчиев номинировали вместе с Векслером Евгения Завойского, а в 1965 г., за год до смерти Векслера, его предложил лауреат Нобелевской премии академик Павел Черенков.
Номинация Завойского так и осталась единственной — в 1952 г. Нобелевскую премию присудили Феликсу Блоху и Эдуарду Перселлу за схожее явление ядерного магнитного резонанса.
А Нобелевская премия по медицине за открытие пенициллина была присуждена Александеру Флемингу, Говарду Флори и Эрнсту Чейну в 1945 году. —
Модель синхротрона—циклического ускорителя, принцип действия которого основан на принципе автофазировке, открытом Влади миром Векслером. Наиболее современная версия синхротрона— Большой адронный коллайдер.
Фото: Роман Вуколов/ ТАСС
ФИАН на войне
Директор Физического института Академии наук (ФИАН) Сергей Вавилов выслушал сотрудника Лаборатории космических лучей ФИАН Владимира Векслера и буквально приказал ему: "Владимир Иосифович, берите отпуск, поезжайте в Узкое (в академический санаторий. — "Наука") и не возвращайтесь, пока не напишете статью". Это было начало 1944 года. 25 апреля статья "Новый метод ускорения релятивистских частиц" была сдана в печать — в журнал "Доклады Академии наук" — и опубликована в N8.
Владимир Векслер в этот момент больше занимался другим странным для военного времени делом — готовил строительство Памирской станции для изучения космических лучей, оно началось во время войны, а после войны станция вошла в строй.
Разгонять на циклотроне частицы — нерелятивистские — первыми научились американцы Стэнли Ливингстон и Эрнст Лоуренс в 1930 г. — это был крошечный ускоритель. В СССР — в Радиевом институте, в Ленинграде — к 1937 г. тоже был построен ускоритель, первый в Европе. К его созданию приложил руку Игорь Курчатов. Но даже самые крупные из циклотронов не могли преодолеть так называемый релятивистский барьер — рассогласование частоты обращения частицы в циклотроне и частоты ускоряющего поля; это рассогласование наступало с ростом энергии частицы, оно-то и определяло предельно достижимую энергию.
Владимир Векслер придумал, как обойти это естественное ограничение, — совершил важнейшее открытие, которое буквально произвело революцию в деле ускорения частиц. Он открыл принцип автофазировки, показал, что можно осуществить такой режим, в котором частица долго остается в фазе с ускоряющим напряжением, настолько долго, что может ускориться до неслыханных ранее энергий.
Представим себе заряженную частицу, которая в магнитном поле движется по круговой орбите. На пути частицы расположена область ("ускоряющий промежуток") с переменным электрическим полем. Частота поля подбирается равной частоте обращения частицы, а фаза — так, чтобы частица при каждом прохождении попадала в ускоряющее поле максимальной величины.
Энергия частицы с каждым прохождением увеличивается. Но с ростом энергии растет и период обращения в магнитном поле, и частица скоро выходит из синхронизма с ускоряющим полем. Это явление и определяет релятивистский барьер.
Владимир Векслер показал, что можно подобрать магнитное поле и амплитуду ускоряющего поля таким образом, что синхронизм частицы с ускоряющим полем не будет нарушен. Развивая эту идею, он пришел к открытию нового принципа ускорения частиц — принципу автофазировки. Год спустя то же явление открыл калифорнийский физик Эдвин Макмиллан — но, к счастью, СССР еще не закрыл от внешнего мира научные публикации, и американец признал приоритет Владимира Векслера.
Вот что пишет академик Евгений Фейнберг, входивший тогда в состав жюри ежегодного конкурса научных работ ФИАН: "Идея была ошеломляющей, и мало кто поверил в ее осуществимость. Векслер не имел никакого опыта работы с ускорителями и, соответственно, никакого авторитета в этой области". А официальное заключение жюри гласило: "Если работа Векслера правильная, то не нам давать ему премию".
Векслер и Макмиллан многажды выдвигались на Нобелевскую премию, Макмиллан получил ее — но не за автофазировку, и не по физике, а за трансурановые элементы и по химии. Нобелевский комитет не знал о техническом воплощении принципа автофазировки — хотя в лаборатории Векслера работал синхротрон на 30 МэВ, шло сооружение синхротрона на 250 МэВ, и Векслер еще успел построить в Дубне самый большой в мире ускоритель на 10 ГэВ.
Лаборатория для Владимира Векслера была создана в 1946 г., Игорь Курчатов включил ее в атомный проект, и, хотя ни у самого Векслера, ни у ФИАН не было опыта, монтаж ускорителя был закончен в декабре 1947 г. А 28 декабря 1947 г. первое же включение показало устойчивую работу ускорителя. Владимира Векслера стали качать, а через две недели ускоритель, получивший название С-3 (в просторечии "Тройка"), уже работал на полную энергию 30 МэВ.
Из статьи Владимира Векслера "Новый метод ускорения релятивистских частиц"
Для примера рассмотрим один из простейших вариантов использования постоянства T. Выберем постоянные VR и HR так, чтобы
Если одновременно удовлетворено начальное условие
где T — период колебания поля, k= (eVH)/(m0c2); VH — разность потенциалов, соответствующая начальной скорости частицы до первого ускорения; — произвольное целое число, то частица попадает в резонанс с полем, несмотря на то, что время ее движения по окружности после каждого ускорения возрастает.
Физически это означает, что после каждого ускорения время движения частицы по окружности возрастает на величину периода. И по мере увеличения энергии частицы она будет все больше отставать по фазе от поля. Но на каждом новом обороте отставание будет равно целому периоду или полупериоду (при N2), так что частица непрерывно будет разгоняться.
Фото: SPL/ EASTNEWS
Владимир Иосифович Векслер родился 4 марта 1907 г. в Житомире. Его мать была женой инженера Иосифа Векслера, но полюбила художника Давида Штеренберга, он и стал отцом ее сына. Штеренберг эмигрировал до его рождения, ребенок стал Векслером.
Четырнадцати лет Владимир Векслер ушел в коммуну им. А.В. Луначарского, потом поступил на ситценабивную фабрику учеником монтера в электромеханической мастерской. Руководство фабрики направило его на учебу в Институт народного хозяйства им. Г.В. Плеханова. Из-за реорганизации института Векслер перешел на заочное отделение Московского энергетического института и окончил его в 1931 г.
Векслер стал научным сотрудником лаборатории рентгеноструктурного анализа в институте, который после нескольких переименований стал называться Всесоюзным электротехническим (ВЭИ). Там работали о. Павел Флоренский, Леонид Мандельштам, Игорь Тамм, Сергей Вавилов, Григорий Ландсберг.
Сохранился приказ директора ВЭИ от 29 января 1935 г.: "Научный сотрудник группы рентгеновских лучей тов. В.И. Векслер награждается отрезом на костюм".
В 1937 г. Векслер перешел в ФИАН — выдающиеся молодые ученые Илья Франк, Павел Черенков и Леонид Грошев считали, что созданные Векслером приборы и методы измерений необходимо использовать в экспериментах по изучению атомного ядра и космических лучей.