(Статья недели. «ХиЖ» 2016 №12)
16 декабря — день рождения Николаса Кристофилоса (1916—1972) — руководителя небольшой афинской инженерной компании, который однажды поспорил о приоритете открытия с сотрудниками знаменитой Брукхейвенской национальной лаборатории и выиграл спор.
В ХХ веке выдающиеся открытия делали, как правило, профессиональные исследователи, получившие хорошее образование, работающие в крупных, прекрасно оборудованных научных центрах, регулярно обсуждающие результаты с коллегами. Однако из этого правила есть исключения: редко, но бывало, что научный результат нобелевского уровня получал человек «со стороны», работающий в одиночку и никак не связанный с официальной наукой. Наиболее известные примеры — служивший на Дальнем Востоке советский сержант Олег Александрович Лаврентьев (1926—2011), независимо от Виталия Лазаревича Гинзбурга предложивший использовать для создания водородной бомбы дейтерид лития, и мелкий греческий предприниматель Николас Кристофилос, который придумал, как сделать ускорители, разгоняющие заряженные частицы до огромных энергий.
Инженер-электрик Николас Кристофилос родился в Бостоне. Родители его были греческими эмигрантами и вернулись на родину, когда Николас был еще ребенком. Он окончил Афинский политехнический университет в 18 лет, а после Второй мировой войны стал владельцем маленькой фирмы, обслуживающей лифты. Однако его интересы не ограничивались бизнесом: Кристофилос активно интересовался проблемами современной физики и кое-что читал на эту тему. Достаточно, чтобы понять, что прогресса в понимании устройства мира поможет достичь изучение реакций между частицами, обладающими большой энергией. А для этого частицы нужно разогнать до больших скоростей в специальном устройстве — ускорителе.
Идею создания ускорителей заряженных частиц выдвинули в 1922 году независимо друг от друга инженер-электрик компании «Вестингауз» Джозеф Слепян (кстати, потомок выходцев из России) и Лев Владимирович Мысовский, работавший в ленинградском Радиевом институте. В 1926 году немецкий физик норвежского происхождения Рольф Видероэ попытался построить ускоритель, но потерпел неудачу. Большего успеха добились в 1929 году американец Роберт Ван де Грааф и немного позже английские исследователи Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон. Облучая образец лития разогнанными протонами, Кокрофт и Уолтон получили ядра новых элементов (гелия и др.), тем самым впервые искусственно вызвав ядерную реакцию. За эту работу они в 1951 году получили Нобелевскую премию по физике.
В первых устройствах частицы разгоняли с помощью очень сильного электрического поля. Но вскоре стало понятно, что этот путь тупиковый и лучше сделать так, чтобы частицы многократно проходили через не слишком сильное электрическое поле. А для этого их нужно пустить по кругу.
Данную идею реализовали в 1930 году американские исследователи Эрнест Орландо Лоуренс и Милтон Ливингстон. Они изобрели циклотрон — ускоритель, в котором частицы под влиянием магнитного поля двигаются по кругу и на каждом обороте дополнительно ускоряются. С помощью циклотрона Лоуренс и Ливингстон смогли разогнать протоны до энергий в1 мегаэлектронвольт (1 МэВ = 1 000 000 эВ). Лоуренс получил Нобелевскую премию в 1939 году.
Успехи Лоуренса и Ливингстона вдохновили Л.В.Мысовского и его младших коллег — братьев Игоря Васильевича и Бориса Васильевича Курчатовых, и они принялись выбивать ассигнования на строительство советского циклотрона. Он был запущен в 1937 году в Радиевом институте и сильно продвинул вперед советскую ядерную физику.
Однако возможности традиционных циклотронов также были ограниченны: 20—30 МэВ и не более того. Начали искать пути преодоления этих ограничений. Первым в 1944 году нашел решение советский физик Владимир Иосифович Векслер (1907—1966), в 1945 году — американский физик Эдвин Макмиллан (1907—1991), а в 1946 году — мелкий греческий предприниматель Николас Кристофилос. При этом никто из них ничего не знал друг о друге.
В 1921 году московские комсомольцы поймали на улице беспризорника Володю Векслера и отправили в коммуну в Хамовниках. Вскоре бывший беспризорник проявил незаурядные способности, прежде всего в области радиотехники, и вообще в области экспериментальной физики. По комсомольской путевке его направили учиться в Московский энергетический институт, после окончания которого В.И.Векслер работал в разных организациях и в 1936 году перешел в Физический институт АН СССР.
Интересы В.И.Векслера лежали в области изучения частиц высоких энергий. Их основной источник — космические лучи, но исследовать их трудно: нужно устраивать экспедиции в горы, а серьезные приборы туда не очень-то затащишь. Кроме того, интенсивность (число частиц) космических лучей очень мала, хотя энергия каждой отдельной частицы и велика.
Для широкомасштабных исследований нужен был стабильный источник большого числа частиц высоких энергий. Ускоритель Радиевого института позволял получать много частиц, но энергия каждой была существенно ниже, чем в космических лучах, поскольку наращивание энергии частиц в циклотроне приводило к рассогласованию фазы ускоряющего электрического поля и пролета частиц. Так В.И.Векслер заинтересовался ускорителями.
Этой же проблематикой занимался и Эдвин Макмиллан, руководивший строительством самого крупного по тем временам циклотрона в Беркли (Калифорния). Но по мере продвижения работы к завершению его все чаще посещали мысли о том, что нужно искать другие решения.
Того же мнения придерживался и Николас Кристофилос в Афинах. И конкретные предложения у него были очень похожие. Он даже написал работу на эту тему, но, перед тем как отправить ее в печать, зашел в библиотеку и наткнулся на статью Макмиллана. (Можно представить, как это было досадно.) Основная идея, выдвинутая Векслером, Макмилланом и Кристофилосом, — автофазировка: постепенное изменение частоты разгоняющего частицы электрического поля или изменение напряженности магнитного поля, заставляющего частицы двигаться по кругу.
В 1946 году под руководством Эрнеста Лоуренса в Калифорнии был построен первый ускоритель нового поколения синхротрон. Он разгонял ядра дейтерия до энергий в 200 МэВ. Советский синхротрон, постройкой которого руководил В.И.Векслер, появился годом позже. А в 1949 году в СССР, также под его руководством, началось проектирование самого мощного в мире синхрофазотрона, который был запущен в 1957 году в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна). Он разгонял частицы до 10 гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 1000 МэВ).
Однако Кристофилос смотрел дальше. Он быстро понял главный недостаток предлагаемой конструкции: значительный рост энергии разгоняемых частиц оказывался возможным лишь ценой увеличения размеров камер, в которых двигаются частицы, за всякие разумные пределы. И нашел выход.
Звездный час Кристофилоса наступил в 1949 году, когда он придумал, как можно создавать ускорители с камерами приемлемых размеров, способные разгонять частицы до энергий в сотни гигаэлектронвольт. Дело в том, что раскручиваемый в ускорителе пучок заряженных частиц рассеивается в двух плоскостях: в плоскости кольца ускорителя и перпендикулярно ей. С каждым из этих рассеиваний можно бороться с помощью магнитного поля. Но вот беда: конфигурация поля, препятствующего рассеянию в плоскости кольца, способствует рассеянию в плоскости, перпендикулярной кольцу, и наоборот.
Идея Кристофилоса заключалась в том, чтобы разделить кольцо на отдельные сектора и в разных секторах воздействовать на движущиеся частицы магнитными полями разной конфигурации, навязывая им тем самым высокочастотные колебания. В результате рассеяние частиц резко снижалось. Позже его идея получила название «сильная фокусировка».
Кристофилос изложил свои соображения в письме, которое направил в Радиационную лабораторию Калифорнийского университета в Беркли, но ему не ответили. Тогда он решил запатентовать идею, и это ему удалось.
В 1952 году появилась статья американских физиков Эрнеста Куранта, Милтона Ливингстона и Хартланда Снайдера из Брукхейвенской национальной лаборатории, которые независимо от Кристофилоса, но позже него сформулировали принцип сильной фокусировки. И тогда греческий физик-любитель едет в Соединенные Штаты, встречается с авторами статьи и убеждает их в своем приоритете. В США Кристофилосу дают понять, что обслуживание лифтов — не самое подходящее занятие для физика, способного выдвигать такие идеи. Ему делают лестные предложения от разных организаций, и через некоторое время Кристофилос получает американское гражданство и становится высокопоставленным сотрудником Ливерморской лаборатории — мощного государственного исследовательского центра США, насчитывающего несколько тысяч сотрудников. Созданная в 1952 году по инициативе Эрнеста Лоуренса и отца американской водородной бомбы Эдварда Теллера Ливерморская лаборатория (сегодня она носит имя Лоуренса) официально считается главной научно-исследовательской и опытно-конструкторской организацией, обеспечивающей национальную безопасность США.
Здесь невозможно не провести параллели с историей О.А.Лаврентьева. В 1953 году он был отстранен от участия в советском ядерном проекте и через некоторое время отправлен в Харьков, где почти до конца жизни работал в должности старшего научного сотрудника со степенью кандидата наук. «На что вы надеетесь, ведь вашего покровителя [руководителя атомного проекта Л.П.Берии] больше нет», — сказал Лаврентьеву работник отдела кадров. Намекая, очевидно, что собственными силами сержант-физик не мог взлететь так высоко и теперь должен вернуться на подобающее ему место…
Среди сотрудников Ливерморской лаборатории Кристофилос приобрел репутацию автора оригинальных идей. Так, он предложил использовать для связи с подводными лодками сверхдлинные радиоволны (морская вода содержит много катионов и анионов и обычные радиоволны очень сильно поглощает). Для реализации этой идеи была построена гигантская горизонтальная антенна длиной более 50 миль. Некоторое время эта связь работала, но затем антенну демонтировали по требованию природоохранных организаций.
Другая идея Кристофилоса заключалась в том, чтобы выводить из строя электронику систем управления летящих на США ракет с помощью атмосферных ядерных взрывов. Эта идея была проверена в ходе эксперимента «Аргус», проводившегося Министерством обороны США, и показала свою эффективность.
В 1960 году в Брукхейвенской национальной лаборатории США запустили синхрофазотрон, разгоняющий частицы до энергий 20 ГэВ. В основу этого устройства положены идеи Кристофилоса. Но СССР сдаваться не собирался и начал строительство синхрофазотрона в Протвино под Серпуховым. Этот ускоритель, запущенный в 1967 году, разгонял частицы до энергий 75 ГэВ, а ускоритель в Швейцарии, начавший работу в середине 1970-х, — до 400 ГэВ. В 1983 году в СССР стали проектировать ускоритель, разгоняющий частицы до 3 тераэлектронвольт (1 ТэВ = 1000 ГэВ). Его планировали построить в Протвино, однако после 1991 года проект закрыли из-за недостатка средств.
Самый мощный в мире ускоритель Большой адронный коллайдер, расположенный на границе Франции и Швейцарии, запущен 10 сентября 2008 году. БАК разгоняет частицы до энергий 6,5 ТэВ, после некоторой доработки планируется получать частицы с энергиями до 14 ТэВ. Длина замкнутой окружности, по которой двигаются заряженные частицы, составляет 27 км. Четвертого июля 2012 года на Большом адронном коллайдере было зарегистрировано рождение ранее неуловимого бозона Хиггса, а 14 июля 2015 года группа, работающая на детекторе LHCb, заявила об открытии пентакварков (см. «Химию и жизнь», 2015, 9).
Увы, даже самая современная техника может выходить из строя по очень неожиданным причинам. В апреле 2016 года Большой адронный коллайдер был временно остановлен из-за того, что куница перегрызла обмотку трансформатора.
В последние годы жизни Николас Кристофилос (так же, как и Олег Лаврентьев) работал над проблемой управляемого термоядерного синтеза. Однако эта проблема не решена до сих пор. Он любил музыку, особенно Бетховена, с которым у него был общий день рождения. В детстве учился играть на пианино и до конца жизни, когда находил время, музицировал.
Умер Николас Кристофилос 24 сентября 1972 года от сердечного приступа, в возрасте 55 лет. А накануне, как обычно, допоздна оставался в лаборатории. Вот что сказано о нем в некрологе, опубликованном в «Physics Today» (январь 1973 года, с. 109): «Многие из его идей были противоречивыми, и защита их, казалось, требовала больше изобретательности и неустанных усилий, чем могли обеспечить даже его огромное присутствие духа и энергия».
С.В.Багоцкий
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал.
– Редакция «Химии и жизни»
