Американський фізик Луїс Альварес, 115 років з дня народження якого відзначається 13 червня, відомий як автор теорії про те, що вимирання динозаврів на межі мезозою та кайнозою спричинив астероїд. Однак більшу частину свого життя він займався зовсім іншими, але не менш цікавими питаннями.
Вчений, як його уявляє популярна культура
У популярній культурі дуже рідко коли можна зустріти образ вченого, який був би водночас і правдивим, і позитивним. Зазвичай усякий раз, як науковці не ставлять світ під загрозу, не проводять експерименти на людях і не виконують роль непристосованого до життя дивака, їм доводиться розгадувати чисельні загадки у найрізноманітніших галузях.
Насправді в житті такого не буває. Абсолютна більшість навіть дуже видатних вчених — це вузькі спеціалісти, які все життя займаються якоюсь одною галуззю та обмеженим колом проблем, які зазвичай широкій публіці незрозумілі.
Однак серед науковців ХХ століття були й такі, які протягом життя дійсно розв’язували одразу кілька проблем, зрозумілих простим обивателям. Одним із таких дослідників був американський фізик Луїс Альварес.
Він народився 13 червня 1911 року в родині видатного американського лікаря Волтера Альвареса. Його батько спеціалізувався на захворюваннях травної та нервової систем, однак сам Луїс із ранніх років захопився фізикою й обрав навчання в Чиказькому університеті. Там він здобув ступінь бакалавра, згодом — магістра, а в 1936 році, у віці 25 років, став доктором філософії.
Проте серйозною науковою роботою Альварес зайнявся ще студентом. Ще у 1932 році він під керівництвом свого наставника Артура Комптона (на той момент вже нобелівського лауреата) Альварес допоміг створити телескоп із лічильників Гейгера для дослідження космічних променів. Ці дослідження показали, що значна частина космічних променів має позитивний заряд. Так, у віці трохи більше 21 року Альварес став співавтором своєї першої важливої наукової публікації. Чим не вчений з голлівудських фільмів?
Робота в Берклі
Після захисту дисертації Альварес одружився і почав шукати собі місце для роботи. Він завжди цікавився Каліфорнійським університетом в Берклі, а його сестра Гледіс саме працювала секретаркою в Ернеста Лоуренса, керівника тамтешньої радіаційної лабораторії. Лоуренс зустрівся з Альваресом і запросив його до себе, на що той із радістю погодився.
У Берклі Луїс показав себе як надзвичайно талановитий експериментатор. Він належав до рідкісного типу науковців, які самі можуть зібрати експериментальну установку для перевірки складних явищ, передбачених найновішими фізичними теоріями.
Зокрема Луїсу Альваресу вдалося експериментально підтвердити електронне захоплення — процес, існування якого раніше передбачала теорія. Для цього він сконструював спеціальний лічильник Гейгера, чутливий до слабкого рентгенівського випромінювання, що виникає після захоплення ядром одного з внутрішніх електронів атома. Це стало першим прямим доказом існування такого типу радіоактивного перетворення.
Літаки та радари
А далі розпочалася Друга світова війна. До США прибули британські інженери. Вони вже мали звичайні радари, які на той момент були секретними та вважалися одними з головних козирів у війні. Однак у них на руках була чернетка більш досконалого пристрою, який міг виявляти ворожі об’єкти на відстані за допомогою мікрохвильового випромінювання, яке генерували магнетрони.
Британці ніяк не могли довести ідею до практичного використання. Вони звернулися до Лоуренса, а той доручив зайнятися нею Альваресу. Той вже на перших стадіях роботи зміг удосконалити наявні радари, зокрема, придумав для них систему розпізнавання «свій — чужий».
Під час же роботи безпосередньо над задачею Луїс Альварес розробив антенну систему для радара сантиметрового діапазону, яка використовувала кілька випромінювачів із керованим фазуванням сигналу. Це стало одним із кроків до створення радарів із фазованою антенною решіткою, що сьогодні широко застосовуються у військових і цивільних радіолокаційних системах.
Однак найбільшу славу Альваресу принесла розробка системи керування заходом літака на посадку за допомогою радару. Ситуація на той момент була такою, що якщо літаку доводилося сідати вночі в тумані чи за низької хмарності (а в разі бойових вильотів таке відбувалося регулярно), пілот фактично мав покладатися тільки на власну удачу і швидкість реакції.
Альварес створив систему, яка дозволяла наземним службам, використовуючи радар із великою кутовою роздільною здатністю, постійно відстежувати положення літака і передавати вказівки його пілоту по радіо.
Під час впровадження цієї системи у Великій Британії Луїс познайомився з молодим радіотехніком на ім’я Артур Кларк. Згодом той став всесвітньо відомим письменником-фантастом, використавши досвід роботи з радарами у своїй творчості. Альварес, з яким Кларк багато років підтримував дружні стосунки, навіть став прототипом одного з персонажів його творів.
«Мангеттенський проєкт»
Коли у США розпочалася розробка ядерної зброї в межах «Мангеттенського проєкту», Альвареса спочатку до неї не залучили. Його робота над радарами вважалася важливішою для воєнних потреб. Однак після повернення з Великої Британії до США у 1943 році він уже мав особисте запрошення від Роберта Оппенгеймера приєднатися до проєкту.
Однак першим Луїса зустрів військовий керівник «Мангеттенського проєкту» генерал Леслі Гроувз. Його дуже непокоїло те, наскільки далеко німці могли просунутися у власних розробках. Він спитав у Альвареса, чи можна якось дистанційно виявити робочі реактори.
У відповідь Луїс запропонував встановити на літаку обладнання для виявлення радіоактивного газу ксенону-133. Він виділявся тільки у ядерних реакторах і більше практично ніде, тож навіть невелика його концентрація могла свідчити про наявність ядерних розробок. Військові зробили так, як сказав їм науковець, і швидко переконалися, що робочих ядерних установок у нацистів немає.
А Альварес вже в цей час займався безпосередньо розробкою зброї. Урановий «Малюк» вже був готовий, але «Товстун», який використовував плутоній, все ще розроблявся, і застосована у першому виробі «гарматна» схема для нього не підходила. І саме Альварес взяв активну участь у реалізації методу імплозії для стиснення плутонієвого ядра до критичної щільності.
Разом зі своїм аспірантом Лоуренсом Джонстоном Альварес розробив комплекс обладнання, яке дозволяло визначати потужність ударної хвилі за акустичними характеристиками. Коли під час випробування Trinity відбувся перший ядерний вибух, вони удвох спостерігали його з борту бомбардувальника B-29.
Цей досвід спостереження за ядерним вибухом не став для Альвареса даремним. 6 серпня 1945-го, коли американські військові скинути «Малюка» на Хіросіму, вчений спостерігав за цим з одного з бомбардувальників супроводу, за допомогою розроблених ним приладів. За вибухом «Товстуна» над Нагасакі спостерігав Лоуренс.
Нобелівська премія
Після закінченні війни Альварес повернувся до Берклі вже як знаменитість, професор і підполковник армії США. Він продовжив конструювання складних установок для вивчення ядерних ефектів у мікросвіті.
Американські вчені саме побудували найпотужніший на той час прискорювач частинок «Беватрон», але не знали, як надійно і швидко відстежувати все, що в ньому народилося. Альварес швидко зрозумів, що бульбашкова камера, нещодавно винайдена Дональдом Глейзером, може стати саме тим інструментом, який потрібен для таких досліджень, якщо пристосувати її до роботи з ядрами водню — протонами.
Альварес зміг внести до неї необхідні вдосконалення і побудувати дійсно гігантську модель — близько 2 м. У ній йому вдалося спостерігати деякі небачені досі частинки та фотографувати їх. І виявилося, що деякі з них не є чимось новим, хоча саме такими здаються. Просто піки, які він реєстрував, належали вкрай короткочасним станам вже відомих мезонів та баріонів, які були «спіймані» у момент особливого типу взаємодії.
Ці особливі стани інших частинок назвали резонансами, й саме за їхнє відкриття у 1968 році Луїс Альварес отримав Нобелівську премію з фізики.
Космічні промені, єгипетські піраміди та вбивство Кеннеді
Проте на момент вручення йому нобелівської премії Альварес вже займався зовсім іншими справами. Він повернувся до вивчення космічних променів, з якого і розпочалася його наукова кар’єра.
У 1964 році він запропонував встановити сцинтиляційні та черенковські детектори на висотних аеростатах та літаках-розвідниках. Це дозволило вивчити деякі високоенергетичні частинки, які не досягають поверхні Землі через взаємодію з атмосферою.
Цей експеримент тривав кілька років, і поки вчені збирали дані, Альварес запропонував практичне застосування для мюонів– частинок, які народжуються в атмосфері, коли первинні космічні промені стикаються з атомами повітря. При цьому використати він їх запропонував з метою розв’язання однієї з найбільших загадок, що з фізикою нібито ніяк не пов’язані.
Чи є у єгипетських пірамідах приховані приміщення, про які не знають вчені? Альварес запропонував використати детектор мюонів, розташований в одній з відомих нижніх камер, аби зробити щось на зразок томографії.
Однак перш ніж це сталося, його ім’я знову привернуло увагу преси у зв’язку з історією, яка вже точно не мала б бути з ним пов’язана. У США вбили президента Джона Кеннеді, й у 1966 році з’явилася плівка, на якій був зафіксований момент замаху у великих деталях.
Звичайно, що плівку вивчали експерти ФБР. Однак саме Луїс Альварес із його досвідом в оптиці й акустиці зміг зробити висновок, що постріл, який вбив Кеннеді, був зроблений ззаду. Пізніше інші науковці уточнили й доповнили його висновки.
Тим часом експедиція в Єгипет наштовхнулася на несподівану перешкоду. Між Ізраїлем та Єгиптом спалахнула чергова війна, і піраміди на деякий час стали недоступними. Альваресу довелося повернутися до вивчення космічних променів. Тільки у 1969 році на засіданні американського наукового товариства він оголосив, що прихованих кімнат там немає.
Теорія Альваресів
У Луїса Альвареса від двох дружин було четверо дітей. Найвідомішим із них є його син Волтер. Як і батько, він став науковцем, щоправда, не фізиком, а геологом. І саме він у 1980 році, коли Луїс, здавалося б, давно мав відпочивати від усіх своїх наукових досягнень, став співавтором його найвідомішої на сьогодні теорії.
Тоді Альваресу-старшому вже було майже 70 років, однак він разом із сином знову взявся за наукову проблему, яка, здавалося б, не мала до нього жодного стосунку. Йшлося про вимирання динозаврів. Вчені вже знали, що це сталося приблизно 65–66 млн років тому, однак його причина залишалася невідомою.
Насправді припущення про те, що причиною вимирання могло стати зіткнення Землі з астероїдом, висловлювалися й раніше. Однак у публікації 1980 року Альвареси описали інше — тонкий шар осадових порід на межі крейдового та палеогенового періодів, виявлений на різних континентах.
Цей шар містив підвищену концентрацію іридію, який є достатньо рідкісним на Землі. Отже, він міг бути слідом від космічного зіткнення, яке і призвело до тривалого похолодання, яке, у купі з іншими факторами, й спричинило вимирання динозаврів та багатьох інших груп тварин.
Невдовзі вчені навіть знайшли гарного кандидата на слід такого зіткнення — Кратер Чиксулуб на півострові Юкатан у Мексиці. Профільна наукова спільнота одразу достатньо скептично поставилася до теорії, однак з часом вона все ж стала домінантною в науковому середовищі.
Луїс Альварес відійшов у засвіти 1988 року. Його ім’я насамперед асоціюється не з участю в розробці атомної бомби чи відкриттям резонансів, а саме з дослідженнями про вимирання динозаврів. І найбільший парадокс полягає в тому, що ми досі не знаємо напевно, чи помилився цей досвідчений фізик, вкотре взявшись за галузь, у якій раніше не працював, чи ні.
Кратер Чиксулуб, без сумніву, є свідченням потужного зіткнення; шар, збагачений іридієм, також чітко зафіксований у геологічному літописі. Є й докази раптових руйнувань екосистем, особливо в Північній Америці. Водночас існують деканські трапи — результат грандіозного вулканізму на території сучасної Індії, який міг суттєво вплинути на клімат і стан біосфери ще до падіння астероїда.
Розгадавши за своє життя багато наукових загадок, Луїс Альварес залишив ученим одну з найбільш дискусійних. Сьогодні переважна більшість дослідників вважає удар астероїда головною причиною вимирання динозаврів та багатьох інших організмів наприкінці крейдового періоду. Проте роль вулканізму, кліматичних змін та інших супутніх чинників досі активно обговорюється. Саме те, як ці процеси взаємодіяли між собою і наскільки вони посилили наслідки удару, залишається предметом наукових дискусій серед вчених.
