У цьому полягає сила фізики: вона може сказати, що доступний нашому огляду Всесвіт утворено з приблизно 100 мільярдів галактик. Вона також може сказати, що лише 4 відсотки всієї матерії в нашому видимому Всесвіті — це звичайна матерія, з якої складаються зорі, галактики і ми з вами. Близько 23 відсотків припадає на те, що називають темною матерією (вона невидима). Ми знаємо, що вона існує, але не знаємо, що це. Решта 73 відсотки, тобто основна частина енергії у Всесвіті, яку називають темною енергією, також невидима. І так само ніхто не має уявлення, що це таке. Суть у тому, що нам не відома природа майже 96 відсотків маси/енергії у Всесвіті. Фізика вже стільки всього пояснила, але багато таємниць досі не викриті, і це, як на мене, дуже надихає.
Фізика досліджує неосяжне, але водночас заглиблюється в мікроскопічні світи, до найдрібніших частинок матерії, наприклад нейтрино, яке в багато разів менше за протон. Саме тут, у сфері крихітного, я проводив більшість часу на початку наукової кар’єри, вимірюючи і фіксуючи вивільнення частинок і випромінювання з радіоактивних ядер. Це була ядерна фізика, але не та, що створює ядерні бомби. Я досліджував, що визначає природу матерії на найбазовішому рівні.
Ви, мабуть, знаєте, що майже вся матерія, яку ви бачите і якої торкаєтесь, складається з елементів, наприклад водню, кисню й вуглецю, поєднаних у молекули, і що найменша частинка елемента — це атом, який складається з ядра й електронів. Ядро, як пригадуєте, складається із протонів і нейтронів. Водень, найлегший і найпоширеніший елемент у Всесвіті, має один протон і один електрон. Але існує форма водню, ядро якого крім протона містить ще й нейтрон. Це ізотоп водню — інша форма того самого елемента. Він має назву дейтерій. Існує навіть третій ізотоп водню, в ядрі якого протон об’єднується із двома нейтронами. Він має назву тритій. Усі ізотопи певного елемента мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів, і в кожного елемента різна кількість ізотопів. Наприклад, у кисню тринадцять ізотопів, а в золота тридцять шість.
Багато ізотопів стабільні, тобто можуть існувати вічно. Але більшість нестабільні, або, інакше кажучи, радіоактивні. Радіоактивні ізотопи розпадаються, тобто вони рано чи пізно перетворюються на інші елементи. Ці елементи можуть бути стабільними (і тоді радіоактивний розпад припиняється), але можуть бути й нестабільними, і в такому разі розпад триватиме, доки елемент не досягне стабільного стану. Із трьох ізотопів водню радіоактивний тільки тритій — він розпадається до стабільного ізотопу гелію2. Із тринадцяти ізотопів кисню стабільні три. Із тридцяти шести ізотопів золота стабільний лише один.
Як ви, мабуть, пам’ятаєте, швидкість розпаду радіоактивних ізотопів характеризується їхнім періодом піврозпаду, який може варіюватися від мікросекунди (одна мільйонна секунди) до мільярдів років. Коли ми кажемо, що період піврозпаду тритію приблизно дванадцять років, це значить, що за дванадцять років у певному зразку тритію розпадеться половина ядер (за двадцять чотири роки залишиться тільки чверть). Ядерний розпад є надзвичайно важливим процесом, бо завдяки йому відбувається перетворення і виникнення нових елементів. Це не алхімія. Насправді, працюючи над докторською дисертацією, я часто спостерігав, як радіоактивні ізотопи золота перетворюються на ртуть, а не навпаки — на превеликий жаль середньовічних алхіміків. Утім багато ізотопів ртуті та платини таки перетворюються на золото. Але стабільне золото, яке можна носити на пальці як перстень, отримують тільки з одного ізотопу платини й одного ізотопу ртуті.
Робота була безмежно цікава: радіоактивні ізотопи розпадалися буквально в моїх руках. І це вимагало значних зусиль. Ізотопи, з якими я працював, мали здебільшого короткий період піврозпаду — від одного до кількох днів. Наприклад, період піврозпаду золота-198 — трохи більше двох із половиною днів, тому працювати треба було швидко. Я їхав із Делфта в Амстердам, де в циклотроні створювали ці ізотопи, і мчав назад у лабораторію. Там я розчиняв ізотопи в кислоті, щоб перетворити їх у стан рідини, наносив на дуже тонку плівку і поміщав у детектори.
Я намагався підтвердити теорію, за допомогою якої можна обчислити співвідношення інтенсивності гамма-випромінювання до інтенсивності потоку електронів, які випромінює ядро під час розпаду. І ця робота вимагала точних вимірювань. На той момент таке вже робили з багатьма радіоактивними ізотопами, але було отримано результати вимірювань, що відрізнялися від теоретично обчислених значень. Мій науковий керівник, професор Аалдерт Вапстра, запропонував мені спробувати визначити, в чому проблема — у теорії чи у вимірюваннях. Ця робота дарувала надзвичайне задоволення, як під час збирання складного пазлу з безлічі фрагментів. Складність завдання полягала в тому, щоб отримати значно точніші результати, ніж ті, що були одержані до мене.
На думку деяких дослідників, електрони такі маленькі, що не мають розміру (їхній діаметр менше однієї квадрильйонної сантиметра), а довжина гамма-хвилі — менше ніж одна мільярдна сантиметра. Проте фізика дала мені засоби, щоб виявити їх і виміряти. Це ще одна річ, яка мені подобається в експериментальній фізиці: вона дає змогу «торкнутися» невидимого.
Щоб отримати потрібні дані, мені доводилося витискати зі зразка все можливе, адже що більше вимірювань, то точніший результат. Часто я працював ледь не по дві з половиною доби поспіль, нерідко без сну. Я став трохи одержимим.
Для експериментального фізика точність — це ключ до всього. Точність — єдине, що має значення. Результат вимірювання не має сенсу, якщо не вказано його похибки. Цю просту, потужну, багато в чому основоположну ідею майже завжди ігнорують в університетських підручниках із фізики. У житті часто виникають ситуації, коли ступінь точності відіграє вирішальну роль.
Коли я працював з радіоактивними ізотопами, домогтися потрібної точності було вкрай складно, але за три-чотири роки я поступово покращив результат. Детектори стали надзвичайно точними, після того як я їх удосконалив. Я підтвердив теорію та опублікував результати, і врешті-решт ця робота лягла в основу моєї докторської дисертації. Особливо мене тішило, що мої результати поставили крапку в цьому питанні, а таке стається не дуже часто. У фізиці, та й узагалі в науці, результати не завжди трактуються однозначно. Мені пощастило дійти до остаточного висновку. Я зібрав цей пазл, зажив слави в наукових колах і допоміг скласти карту невідомої ділянки субатомного світу. Мені було двадцять дев’ять, і я був у захваті від того, що роблю вагомий внесок у науку. Не всім судилося здійснити основоположні відкриття, як Ньютону й Ейнштейну, але ми досі маємо безмежний простір для досліджень.
Мені також пощастило, що коли я здобув науковий ступінь, саме розпочиналася нова епоха у вивченні природи Всесвіту. Астрономи здійснювали відкриття з неймовірною швидкістю. Хтось вивчав атмосферу Марса й Венери, шукаючи водяну пару. Хтось помітив кільця заряджених частинок навколо силових ліній магнітного поля Землі, які стали називати поясами Ван Аллена. Інші науковці відкрили джерела радіохвиль, відомі як квазари (квазізоряні джерела радіовипромінювання). У 1965 році було виявлено мікрохвильове космічне випромінювання — сліди енергії, вивільненої під час потужного вибуху, вагомий аргумент на користь теорії Великого вибуху, навколо якої тоді точилися запеклі суперечки. Невдовзі після того, у 1967 році, астрономи відкрили новий різновид зір, які назвали пульсарами.
Звісно, я міг би й далі працювати в ядерній фізиці, адже там також відбувалося багато відкриттів. Робота здебільшого полягала в полюванні на субатомні частинки, чий «зоопарк» швидко зростав. Особливу увагу привертали частинки під назвою кварки, з яких, як з’ясувалося, складаються протони і нейтрони. Кварки такі незвичайні, що фізики, щоб їх класифікувати, придумали для них особливу характеристику — так званий «аромат»: верхній (up), нижній (down), дивний (strange), чарівний (charm), топ-кварк (top) і ботом-кварк (bottom). Відкриття кварків було одним із тих прекрасних моментів у науці, коли суто теоретична гіпотеза підтвердилася. Теоретики передбачили існування кварків, а потім їх виявили експериментально. Ці незвичайні частинки показали, що матерія значно складніша, ніж ми вважали. Наприклад, зараз відомо, що протон складається із двох верхніх кварків і одного нижнього, з’єднаних потужною ядерною взаємодією, носіями якої є інші дивні частинки — глюони. За нещодавніми підрахунками, маса верхнього кварка може становити приблизно 0,2 відсотка маси протона, тоді як маса нижнього — приблизно 0,5 відсотка маси протона. Це вам не старе звичне ядро атома.
