Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

В своей Нобелевской лекции Ф. Жолио отметил: «У нас есть основания полагать, что ученым… удастся осуществить превращения взрывного характера, настоящие химические цепные реакции», которые освободят огромное количество полезной энергии. «Однако если разложение распространится на все элементы нашей планеты. — предупреждал ученый, — то последствия развязывания такого катаклизма могут только вызвать тревогу».

Эти исследования были продолжены Энрико Ферми[26] и его группой в Риме, которая принялась последовательно бомбардировать нейтронами каждый элемент периодической таблицы с целью получить новые радиоактивные изотопы при присоединении нейтронов к ядрам. Первого успеха удалось достичь при бомбардировке фтора, а далее, методично бомбардируя все более тяжелые элементы, Ферми и его группа получили сотни новых радиоактивных изотопов. И самое главное: они показали, что вероятность ядерных процессов возрастает с уменьшением скорости нейтронов — их нужно уметь замедлять, чтобы они не проскакивали мимо ядер, а входили в них (именно за этот метод замедления нейтронов Ферми и была присуждена Нобелевская премия).

Сам Ферми так рассказывал С. Чандрасекару как возникла ключевая идея замедлять нейтроны: «Придя однажды в лабораторию, я подумал, что стоит попробовать посмотреть, что получится, если на пути нейтронного пучка поместить свинец. Свинцовая пластинка была тщательно изготовлена… Но вдруг решил: „Нет, свинец здесь ни к чему, мне нужен парафин". Вот так примерно все и произошло — без глубоких раздумий и тщательного анализа. Я сразу же взял какой-то ненужный кусок парафина и поместил его на место свинцовой пластики». Эта история представляет одну из лучших иллюстраций роли подсознания в научном поиске, в совершении открытия.

В этих работах группа Ферми, сама того не зная, вызвала деление урана, расщепив тяжелое ядро на два или больше осколков и других фрагментов. Но понят этот успех был другими.

2. Отто Ган и Лизе Мейтнер

Лизе Мейтнер (1878–1968) с 1907 г. работала совместно с Отто Ганом (1879–1968). Вместе и поодиночке они открыли целый ряд радиоактивных изотопов, выяснили свойства радиоактивных семейств, некоторые превращения ядер. Облучая уран нейтронами, они надеялись получить более тяжелые ядра — тогда всех интересовал вопрос о том, кончается ли ураном периодическая система, или могут существовать какие-нибудь трансурановые элементы. У Мейтнер, помимо того, были и пионерские работы по строению атомных ядер. Гонения на евреев, начатые в Германии в 1933 г., ее, как австрийскую подданную, первоначально не затрагивали, но в 1938 г. после аншлюса Австрии ей пришлось, с помощью Гана, бежать в Данию, откуда она перебралась в Швецию.

Ган продолжал работать и в том же 1938 г. получил, вместе со своим ассистентом Фрицем Штрассманом (1902–1980), ошеломляющий результат: в тщательнейшим образом очищенном уране неизвестно откуда появляются примеси, в основном атомы бария. После еще одной очистки их как будто нет, а затем они снова появляются! Отто Ган, в то время опытнейший радиохимик мира, в недоумении: он пишет Лизе Мейтнер, описывает свои опыты, просит совета. Но и Мейтнер нелегко — давит груз опыта и лет (ей и Гану по шестьдесят), да она и не теоретик.

Она пытается привлечь к делу своего племянника Отто Фриша (1904–1979), молодого талантливого физика-теоретика. Фриш, правда, приехал в гости к тетке чтобы отдохнуть, покататься на лыжах и за кем-нибудь поухаживать, но тетка у него настырная, целиком погруженная в научные проблемы, и ловит она его для обсуждений в самых неподходящих местах. А идея, которая ее осенила, — гениальная и совсем неожиданная: она вспомнила, как амеба, которая поглотила достаточно пищи, делится надвое. Так может, атом урана, поглощая какую-то частицу, скорее всего нейтрон, тоже делится на два ядра, масса каждого из которых близка к половине массы урана: поэтому одно из них может быть барием? Отпуск Фриша, конечно, пропал — тетка заставила-таки его обсчитывать свою идею.

Идею и предварительные расчеты Мейтнер и Фриш тотчас сообщили Бору в Копенгаген. Бор уже ранее представлял себе ядро как жидкую каплю, поэтому идея о том, что после поглощения лишнего нейтрона в этой капле могут возникнуть такие колебания, что она распадется на две части, ему близка[27].

Но здесь начинается уже иная история. Остается добавить, что Отто Гану была присуждена Нобелевская премия по химии 1944 г. «за открытие расщепления тяжелых ядер». При вручении премии, уже в 1946 г., представитель Шведской академии сказал: «Открытие расщепления тяжелых ядер привело к таким последствиям, что мы все, все человечество, смотрим вперед с большими надеждами, но также и с большими опасениями за наше будущее».

Присуждение любых наград, в том числе и Нобелевских премий, зависит от многих факторов, не только научных, хотя премии по науке присуждаются наиболее объективно (непонятен, правда, пропуск имен таких ученых как А. Зоммерфельд, Г. Гамов, Е. К.Завойский и некоторых других). Но вероятно, самым досадным является присуждение премии О. Гану без Л. Мейтнер. Этот малоприятный факт был частично исправлен тем, что в 1959 г. на их 80-летие Институт ядерных исследований в Берлине был переименован в Институт имени Гана-Мейтнер (предлагается также назвать в ее честь 109-й элемент). После 1938 г. они вместе не работали, жили в разных странах, но умерли оба в 1968 г. в девяносто лет, он 28 июля, она 27 октября.

3. Цепная реакция деления

Открытие явления деления ядер урана сразу же возбудило мысли о возможностях цепных ядерных реакций: суть дела в том, что при каждой такой реакции может высвобождаться много нейтронов, а они могут вызвать другие реакции.

Если взглянуть на периодическую таблицу, то можно заметить, что у легких элементов массовое число примерно вдвое больше порядкового номера (Мозли некогда думал, что это особый закон). С ростом порядкового номера, т. е. числа протонов в ядре, массовое число начинает нарастать быстрее и быстрее — требуется все большее число нейтронов для преодоления кулоновского отталкивания протонов. Но отсюда получается, что если бы удалось разделить, скажем, ядро урана точно пополам, т. е. вместо одного ядра с 92 протонами получить два ядра палладия с 46 протонами в каждом, то в каждом их них достаточно иметь 62–63 нейтрона, всего 124–126, а ведь в ядре урана-238 их было 146! Куда же денутся излишние нейтроны?

Они могут частью распасться — за счет бета-распада перейти в протоны и остаться в ядрах, но частью могут освободиться, вылететь из ядер и вызвать другие ядерные реакции. Сколько же может быть таких освобождающихся нейтронов в реально наблюдаемом распаде, и какие реакции они могут вызвать?

Письмо Лизе Мейтнер и Отто Фриша Бор получил перед самым выездом в США, ситуацию он обдумывал на пароходе. В Нью-Йорке по телеграмме, посланной с корабля, его уже ждали собравшиеся в университете физики, и говорят, что некоторые из них, включая Э. Ферми, даже не дослушав доклад до конца, бросились в лаборатории проверять предположения Мейтнер и Фриша. Так началась работа над атомной бомбой.

У образованных ученых сразу же могла и должна была возникнуть аналогия с цепными химическими реакциями. Можно привести пример такой реакции: если соединить в темноте большие объемы газообразных хлора и водорода, а затем осветить смесь, то происходит взрыв — одиночный квант света стимулирует быструю реакцию синтеза, образования хлористого водорода НСl, но в ее ходе высвобождаются примерно два фотона той же частоты, т. е. становятся возможными два следующих акта синтеза, за ними следует возможность четырех таких актов и т. д., т. е. вероятность дальнейших реакций лавинно нарастает с каждым новым шагом — происходит взрыв. Для этого нужно, чтобы образующиеся кванты не выходили из реагирующего объема газа, т. е. необходима некоторая критическая масса — это, как увидим, важнейшее понятие реакции (можно, конечно, уменьшить величину критической массы, если поместить газ в сосуд с отражающими стенками!).

Теория цепных ядерных реакций была построена одновременно несколькими учеными, не думавшими в тот момент о возможности ее быстрого практического осуществления, в их числе были Я. Б. Зельдович[28] и Ю. Б. Харитон[29], сотрудники Н.Н. Семенова (1896–1986, Нобелевская премия по химии 1956 г. за развитие теории цепных реакций), хорошо знакомые с этой химической проблематикой.

4. Ядерные реакторы

По-видимому, первым о возможностях и опасностях военного применения реакций деления задумался Л. Сцилард[30]: по его оценкам, при делении ядра изотопа урана-235 должны были выделяться два-три нейтрона, и он боялся, что можно создать какой-нибудь портативный объем с ядерной взрывчаткой. Вместе с Вигнером (а вторично — с Э. Теллером) они обратились к Эйнштейну — будучи эмигрантами из Германии, они хорошо знали уровень ее науки и технологии, высший в мире до прихода Гктлера, и боялись, что Германия может первой создать такую «взрывчатку». Эйнштейн написал письмо президенту США Ф. Д. Рузвельту, которое общий знакомый смог лично ему передать. (Еще до того, по-видимому, схожее письмо отправил в военное министерство Э. Ферми, но оно и ряд последующих утонули в бюрократическом болоте. В Англии с аналогичным предупреждением к правительству обратились О. Фриш и Р. Пайерлс.)