Логическая строгость мысли и тщательность экспериментатора привели к крупному открытию. Его сущность можно сформулировать так: заряженные ионы являются центрами конденсации капель в пространстве, пересыщенном влагой.
А затем последовало еще множество шагов. Каждый шаг — это сомнение, радостное и изнуряющее экспериментирование, тщательность, сопровождаемая ухищрениями, годы кропотливого труда, посвященные познанию капли. Было выяснено, что диаметр капель в густом тумане имеет размер около 0,1 микрона, что в 1 см3 тумана около 100 000 000 капель, что на положительно заряженных ионах капли образуются легче, чем на отрицательно заряженных.
И, наконец, в 1911 году — решающий шаг.
Вильсон исходил из такого предположения: если в объеме камеры ионы распределены не хаотически, а закономерно, возникшие на них капли должны образовать не молоко равномерного тумана, а определенный ансамбль, повторяющий закономерность расположения ионов в объеме. Если в камере пролетит ионизирующая частица и на своем пути оставит цепочку ионов, капли, образующиеся на них при расширении камеры, составят капельный след. Частицу видеть нельзя, но можно увидеть путь, вдоль которого она пролетела. Был поставлен опыт: в камере помещался источник α-частиц, и в момент расширения объема камеры отчетливо наблюдались треки — капельные следы, вдоль которых α-частицы пролетели.
Видимо, в действительности все обстояло не так последовательно, строго и организованно, как здесь это описано: мысль — эксперимент — успех! Видимо, цепочка не была такой прямой. Путь к успеху лежал через случайные наблюдения, которые ускользнули бы от невнимательного глаза, через неудачные попытки воспроизвести случайное наблюдение, через минуты и дни отчаяния, когда казалось, что того случайного наблюдения в действительности и не было.
Семнадцать лет Вильсон изучал образование капель в своей лаборатории один, с глазу на глаз с туманной камерой, а после 1911 года камера Вильсона стала достоянием всего человечества: вильсоновские камеры разнообразных усовершенствованных конструкций используются почти во всех лабораториях мира, изучающих строение вещества.
Множество услуг науке оказала капля, рождающаяся в камере Вильсона. Об одной из них я расскажу подробнее: речь идет о роли, Которую сыграла капля в открытии первой античастицы — позитрона, несущей элементарный положительный заряд, по величине равный заряду электрона.
История открытия такова. Прямолинейный трек в камере сообщает о факте пролета частицы. Иногда, глядя на трек, можно понять, в каком направлении частица летела, но практически ничего нельзя сказать ни о ее заряде, ни о ее скорости, во всяком случае точно определить эти величины нельзя. Если же камеру поместить в магнитное поле, в котором заряженные частицы летят по дуге окружности, то по радиусу капельного следа при известном значении напряженности магнитного поля можно узнать о частице многое.
Магнитное поле создает силу, которая вынуждает заряженную частицу, летящую по прямой, изменить траекторию полета, перейти на траекторию, которая является дугой окружности. Радиус этой дуги для частицы с определенным отношением величины заряда к величине массы тем больше, чем больше скорость, и тем меньше, чем больше напряженность магнитного поля. А направление движения частицы по дуге окружности определяется знаком ее заряда. Таким образом, в разных условиях опыта, меняя напряженность поля, изменяя радиусы изогнутых орбит, можно получить важные сведения о летящей частице.
В 1932 году американский физик Андерсон, изучавший состав космических лучей, на фотографиях, полученных в камере Вильсона, которая находилась в магнитном поле, обнаружил капельные следы, изгибающиеся в разные стороны: следы начинались в одной точке и удалялись друг от друга. К этому времени уже было известно предсказание английского физика-теоретика Дирака о существовании позитрона. Согласно Дираку,исчезновение кванта лучистой энергии должно сопровождаться одновременным рождением двух частиц— электрона и позитрона. Энергия кванта превращается в массу и кинетическую энергию этих частиц. Было сделано естественное предположение, что на фотографии запечатлен предсказанный Дираком процесс, и так как частицы несут заряды разных знаков, магнитное поле отклоняет их в противоположных направлениях.
Предположение, действительно, естественное, разумное, но неоднозначное. А что если произошло чрезвычайно маловероятное, но принципиально возможное — камера зафиксировала треки двух электронов, из которых один летел из данной точки, а другой приближался к ней? В этом случае тоже будут два противоположно изогнутых капельных следа, встречающихся в одной точке. Чтобы исключить возможность такого толкования, Андерсон перегородил камеру Вильсона тонкой свинцовой стенкой, рассудив, что частица, пролетевшая через такую стенку, потеряет часть энергии и в магнитном поле будет двигаться по дуге с меньшим радиусом, что позволит точно определить направление полета: частица налетает на свинцовую перегородку с той стороны, где радиус кривизны оставляемого трека больше. С помощью этого остроумного приема он убедился в том, что две частицы, несущие одинаковый заряд, вылетают из одной точки и разлетаются в разные стороны. Одна из них — давно известный электрон, а вторая — впервые увиденный позитрон.