Основная идея Лоуренса состояла в том, что заряженные частицы движутся в однородном магнитном поле по окружностям. Так происходит потому, что движущийся заряд представляет собой электрический ток, который, как и ток в обмотках электромагнита, создает магнитное поле. Подобно двум магнитам, поднесенным вплотную друг к другу, частица и внешний магнит действуют друг на друга с определенной силой, но двигаться может только частица (в случае двух сближаемых магнитов это соответствует тому, что один магнит жестко закреплен, а другой может двигаться). Направление силы всегда образует прямые углы с направлением магнитного поля и с направлением движения частицы. Поскольку направление частицы постоянно изменяется, частица движется по окружности. Важная особенность движения частицы состоит в том, что она всегда описывает полную окружность за одно и то же время независимо от скорости (кинетической энергии) частицы. Но диаметр окружности тем больше, чем больше скорость частицы. Именно эти особенности движения частиц и использовал Лоуренс, проектируя свой циклотрон.
После первого, довольно несовершенного циклотрона, построенного в 1930 году, Лоуренс и его коллеги из Беркли быстро создали одну за другой более крупные модели. Используя 80-тонный магнит, предоставленный ему Федеральной телеграфной компанией, Лоуренс ускорял частицы до рекордных энергий в много миллионов электрон-вольт. Циклотроны оказались идеальными экспериментальными приборами. В отличие от частиц, испускаемых ядрами при радиоактивном распаде, пучок частиц, выводимых из циклотрона, был однонаправленным, их энергию можно было регулировать, а интенсивность потока была несравненно выше, чем от любого радиоактивного источника.
Высокие энергии, достигнутые Лоуренсом и его сотрудниками, открыли перед физиками обширное новое поле для исследований. Бомбардировка атомов многих элементов позволила расщепить их ядра на фрагменты, которые оказались изотопами, часто радиоактивными. Иногда ускоренные частицы «прилипали» к ядрам-мишеням или вызывали ядерные реакции, среди продуктов которых встречались новые элементы, не существующие на Земле в естественных условиях. Полученные результаты показали, что если бы частицы можно было ускорять до достаточно больших энергий, то с помощью циклотрона можно было бы осуществить почти любую ядерную реакцию. Циклотрон использовался и для измерения энергий связи многих ядер, и (путем сравнения разности масс до и после ядерной реакции) для проверки соотношения между массой и энергией.
Циклотрон позволил создать радиоактивные изотопы для медицинских целей. Над биомедицинским применением ядерной физики Лоуренс работал вместе со своим младшим братом Джоном, медиком и директором Биофизической лаборатории в Беркли. Джон Лоуренс с успехом использовал изотопы для лечения раковых больных, в том числе своей матери, у которой был неоперабельный случай заболевания раком. После курса лечения она прожила еще 20 лет.
Эрнест Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике 1939 году «за изобретение и создание циклотрона, за достигнутые с его помощью результаты, особенно получение искусственных радиоактивных элементов». Из-за начавшейся второй мировой войны церемония вручения премии была отменена. По поводу работ Лоуренса Манне Сигбанн из Шведской королевской академии наук заявил, что изобретение циклотрона вызвало «взрыв в развитии ядерных исследований… В истории экспериментальной физики… циклотрон занимает исключительное место. Вне всякого сомнения, циклотрон является самым большим и самым сложным из всех когда-либо построенных научных приборов». Нобелевская премия была вручена Лоуренс в 1941 году на торжествах, состоявшихся в Беркли.
Успех, достигнутый Лоуренсом, оказался достаточно внушительным. В Окридже (штат Теннесси) в рамках Манхэттенского проекта (секретного плана создания американской атомной бомбы) были построены сотни масс-спектрометров по образу и подобию циклотрона в Беркли с 184-дюймовым магнитом. Почти весь уран в бомбе, сброшенной в августе 1945 года на Хиросиму, был получен Лоуренсом и его сотрудниками в Беркли. Впоследствии окриджский завод по разделению изотопов с помощью масс-спектрометров был закрыт, так как газодиффузионный метод оказался более эффективным.
В конце войны Лоуренс и его сотрудники вернулись к фундаментальным исследованиям. Правда, Лоуренс по-прежнему принимал участие в создании ядерного оружия. Ему были выделены фонды для развертывания в Ливерморе (неподалеку от Беркли) второй научно-исследовательской лаборатории для нужд военной промышленности. Она была независима от Лос-Аламосской лаборатории, созданной в рамках Манхэттенского проекта. Получившее впоследствии наименование Ливерморской лаборатории Лоуренса, это научно-исследовательское учреждение стало главным центром, в котором велись работы по созданию водородной бомбы.
В 1932 году Лоуренс вступил в брак с Мэри Кимберли Блумер, дочерью декана медицинской школы Йельского университета. У Лоуренсов родилось шестеро детей.
Несмотря на свою занятость, Лоуренс обожал заниматься греблей, теннисом. Любил слушать музыку, кататься на коньках. Он был неординарной личностью, обладал огромным запасом жизненных сил и природной смекалкой.
Паули Вольфганг Эрнст
(1900—1958)
Крупнейший швейцарский физик-теоретик
Вольфганг Паули родился в Вене в семье врача и профессора химии Вольфганга Йозефа Паули (наст. Вольф Пасхелес), родом из видной пражской еврейской семьи Пасхелес-Утиц, в 1898 году сменившего имя и незадолго до женитьбы в 1899 году принявшего католическую веру. Мать Вольфганга Паули – фельетонист Берта Камилла Паули (урождённая Шютц) – была дочерью известного еврейского литератора Фридриха Шютца. Оба они были тесно связаны с венскими театральными и журналистскими кругами.
Герта, младшая сестра Паули, стала актрисой и писательницей. Эрнст Мах, знаменитый физик и философ, был его крестным отцом. И второе имя Паули получил в честь своего крёстного дяди.
Родители отправили Вольфганга учиться в среднюю школу, где он проявил незаурядные математические способности, однако, находя классные занятия скучными, он переключился на самостоятельное изучение высшей математики и поэтому сразу прочитал только что опубликованную работу Альберта Эйнштейна по общей теории относительности.
В 1918 году Паули поступил в Мюнхенский университет, где учился под руководством известного физика Арнольда Зоммерфельда. В это время немецкий математик Феликс Клейн был занят изданием математической энциклопедии. Клейн попросил Зоммерфельда написать обзор общей и специальной теории относительности Эйнштейна, а Зоммерфельд в свою очередь попросил написать эту статью 20-летнего Паули. Тот быстро написал статью объемом в 250 страниц, которую Зоммерфельд охарактеризовал как «сделанную просто мастерски», а Эйнштейн похвалил. Эта монография до сих пор остаётся классической.
