Нильс Бор. Квантовая модель атома

ГЛАВА 4 Битва титанов: дебаты Эйнштейн — Бор

В 1930-е годы атом постепенно заселяли новые обитатели. То, что до тех пор было очень простой моделью (ядро и несколько электронов вокруг), усложнилось с открытием других элементарных частиц — нейтрона, позитрона, нейтрино и мезонов. Бору и его современникам предстояло испытать квантовую механику внутри атомного ядра, где находятся эти частицы. Однако точки зрения двух великих физиков того времени — Эйнштейна и Бора — абсолютно расходились.

«Бог не играет в кости» — этой знаменитой фразой Эйнштейн отреагировал на интерпретацию квантовой механики, предложенной в Копенгагене, особенно после того как в 1927 году Бор наделил вероятностным характером новую физику. Это не противопоставление теологического (Эйнштейн) аргумента математическому (Бор), а столкновение двух противоположных философских концепций.

Эйнштейн и Бор впервые встретились через месяц после Съезда в Комо, когда пятый Сольвеевский конгресс собрал примерно 30 физиков в Брюсселе. В столицу Бельгии прибыли величайшие ученые эпохи, большинство из них уже имели Нобелевскую премию или удостоились ее позже. Сольвеевские конгрессы — это неформальные дискуссии и обмен идеями без ограничений по времени, свойственных другим встречам. Отсюда — фиксированное число приглашенных, их интернациональность и размещение в общем для всех участников месте, роскошном отеле «Метрополь» в центре Брюсселя.

Эйнштейн спускался к завтраку с примером или мысленным экспериментом, чтобы доказать Бору неверность его интерпретации, неверность принципа дополнительности. Нередко Бор тратил много времени, прежде чем отреагировать и найти ответную реплику на поставленную проблему. Однако день всегда заканчивался победой Бора над Эйнштейном, который тем не менее не сдавался и продолжал доказывать ошибку Бора и его последователей.

Каковы аргументы Эйнштейна? Для начала надо отметить, что примерно с 1925 года основной интерес немецкого физика сосредоточился на объединении его теории гравитации (общей теории относительности) с электромагнетизмом, что было никак не связано с проблемами квантовой физики. В то же время некоторые его квантовые разработки, осуществленные с 1924 по 1925 год, подтверждали один из его прогнозов 1905 года, который дольше всего не принимали в научном сообществе. Речь шла о существовании квантов света, или фотонов, которые подтверждали корпускулярную природу света. Эксперименты Артура Комптона (1892-1962) в США, принцип де Бройля и в какой-то степени сам принцип дополнительности свидетельствовали о существовании фотонов.

Согласно Эйнштейну, глубинная ошибка заключалась в том, что копенгагенская интерпретация была в основном вероятностной и неопределенной: то, что квантовый мир открыт и предлагает различные выходы из одной и той же ситуации, принималось как должное. Если отказаться от понятия траектории и сосредоточиться только на начальных условиях заданной системы и возможных конечных состояниях, квантовая физика перестанет быть детерминированной и давать единственное решение проблем.

Надо понимать вопрос вероятности во всей его радикальности, чтобы уяснить неприятие Эйнштейна. Например, метеорологический прогноз всегда вероятностный: никогда точно не известно, какая именно будет погода. Это связано с нашим незнанием, поскольку нет способа вычислить все переменные, влияющие на погоду. Но неопределенность не является ее главным свойством, это всего лишь результат нашего незнания и неспособности к вычислениям. В квантовой механике неопределенность, напротив, свойственна относящимся к ней проблемам, поскольку изучаемая система варьируется в зависимости от того, как она изучается. Показателен пример с фонариком и потоком света (см. предыдущую главу): чтобы измерить, надо участвовать в процессе, и при этом изменяется то, что измеряется.

Бельгия сыграла очень важную роль в развитии физики первой трети XX века. Здесь проходили научные конгрессы, имевшие наибольшее значение для развития атомной и ядерной физики, теории относительности и квантовой механики. Их инициатором был Эрнест Сольве (1838-1922), химик, прославившийся тем, что разработал и запатентовал процесс производства карбоната натрия — материала, используемого среди прочего в изготовлении стекла и мыла. Первый Сольвеевский конгресс состоялся в Брюсселе осенью 1911 года. В нем участвовали более 20 ученых со всей Европы, приехавших обсудить и детально проанализировать новшества в физике. Намерением организатора, Хендрика Антона Лоренца, было создание благоприятной атмосферы, в которой лучшие ученые своего времени могли обмениваться идеями и мнениями о зарождающейся квантовой физике. Пятый Сольвеевский конгресс, проведенный в октябре 1927 года, возможно, был самым важным. Там победила копенгагенская интерпретация квантовой механики, которую Нильс Бор предложил месяцем ранее в Италии. На фото: физики — участники этого конгресса (Бор — первый справа во втором ряду).

Другой способ понять неопределенность, характерную для квантовой механики, — сосредоточиться на корпускулярноволновом дуализме. Согласно принципу дополнительности, электроны могут быть изучены как волны или как корпускулы, и обе интерпретации являются дополнительными, но несовместимыми. Это означает, что если думать об электроне как о корпускуле и как о волне, образы в результате будут полностью различными, хотя должны быть сопоставимыми.

РИС.1

Рассмотрим пример, в котором электрону предстоит пересечь решетчатую поверхность с двумя отверстиями, как показано на рисунке 1. Если мы представим его как корпускулу, электрон сможет пройти только через одно из отверстий, и его конечный пункт будет единственным; если же мы представим себе его как волну, он сможет пройти сквозь всю решетку, породив волновое явление дифракции. Это означает, что волна электрона становится видимой на экране, согласно моделям дифракции.

Для Эйнштейна оба решения были несовместимыми. Но Бор показывал ему, что это не так, поскольку отверстия в решетке и экран — это часть эксперимента, и нельзя рассуждать о поведении электронов без учета этих элементов. Так, если смотреть только на экран, не заставляя электрон проходить через конкретное отверстие, то электрон проходит через оба.

Если считать электрон корпускулой, единственное, что можно вычислить,— это вероятность того, через какое из двух отверстий он пройдет. Если заставить электрон пройти через одно из отверстий, например закрыв второе, дифракция исчезает, но при этом мы воздействуем на электрон до того, как он сможет решить, через какое отверстие ему проходить.

Истина и ясность дополняют друг друга.

Нильс Бор

Так возникает неопределенность, поскольку нельзя заранее определить, через какое из двух отверстий пройдет заданный электрон; можно только вычислить вероятность на основе начальных условий и проверить в конце эксперимента, через какое из них он прошел. Отсюда выражение «Бог не играет в кости». Для Эйнштейна факт, что миру свойственна неопределенность, что нельзя точно предсказать будущее, был ограничением, которое нельзя принять априори, поскольку это могло бы означать, что в мире нет причинности и явления происходят без ясной на то причины.

Таким образом, дебаты между Бором и Эйнштейном становились все более философскими — не потому, что они противостояли науке (или, что хуже, были антинаучными), а именно потому, что ученые спорили, что такое наука и чем она должна быть. Ключевым понятием для Бора было «явление», в то время как для Эйнштейна — «объективная реальность». Позже Бор, верный своему стремлению четко определять используемые термины, уточнил идею «явления», связав ее «исключительно с наблюдениями, полученными при специфических обстоятельствах, в том числе с описанием всего эксперимента».

Формулировка Бора означала, что физика, как и любая наука, могла объяснить только результат наблюдений при заданных экспериментах и не имела права идти дальше в своих претензиях на знание. Для Эйнштейна это было абсолютно неприемлемо, поскольку предполагало определенный эпистемологический пессимизм и серьезное субъективное обременение. Наука и человек не перестанут стремиться узнавать то, что он называл «объективной реальностью», то есть узнавать, каковы вещи сами по себе. Бор предлагал оставить эту попытку и сосредоточиться на том, как люди получают знания, особенно в квантовом масштабе, приняв тот факт, что мы никогда не сможем преодолеть барьер своей способности познать действительность. Эйнштейн был убежден, что позиция Бора — исключительно промежуточный шаг на пути к более полной и цельной теории.

Одна из самых важных дискуссий, которые вели Эйнштейн и Бор, с тех пор повторившаяся бесчисленное количество раз, касалась причинности в интерпретации квантовой механики. Противники копенгагенской интерпретации утверждали, будто Бор уничтожил основополагающий столп науки — принцип причинности. Однако это обвинение происходило от распространенной путаницы между детерминизмом и причинностью. Принцип причинности гласит: «Все, что происходит, происходит по какой-то причине». В традиционной со времен Ньютона интерпретации этот принцип внешне означает как будто то же самое: «Одна причина всегда порождает одно и то же явление». Однако вторая формулировка справедлива только для одного типа причинности — детерминированной. Но не любая причинность обязательно детерминированная. Если, например, засеять поле пшеницей, какие-то из зерен взойдут, а какие-то — нет. Априори все зерна должны взойти, поскольку тип почвы один и тот же и среда одна и та же. Но этого не происходит. Зерна не прорастают, потому что без почвы, без воды, без солнечного света не взойдет ни одно семя. Все прорастающие зерна способны на это ввиду благоприятных условий, но эти условия не гарантируют, что взойдут все из них. Нечто подобное происходит в квантовой механике. Когда происходит какое-то явление, например радиоактивный распад, оно всегда обязано присутствию благоприятных условий. Но не всякий раз, когда эти условия присутствуют, можно утверждать, что распад произойдет. При этом отрицается не принцип причинности, а лишь возможность точно предсказать все, что случится.

После неудачных попыток разбить теорию Гейзенберга и Бора Эйнштейну ничего не оставалось, кроме как принять ее, но не их интерпретацию квантовой механики. Эйнштейн верил, что со временем физика сформулирует более полную теорию, которая позволит отказаться от копенгагенской интерпретации и прийти к абсолютному и точному знанию об «объективной реальности».

Через несколько месяцев после окончания Сольвеевского конгресса 1927 года Эйнштейн выразил свое разочарование ироничными словами:

«Философия успокоения Гейзенберга — Бора (или религия?) так тонко придумана, что представляет верующему до поры до времени мягкую подушку, с которой не так легко его спугнуть. Пусть спит».

Эйнштейн был уверен, что рано или поздно квантовая система в том виде, как ее понимали Бор, Гейзенберг и Паули, рухнет. Но этот момент не наступил: Бор и сегодня все еще остается победителем в данной полемике.

К 1930 году квантовая механика сформировала свои принципы, но оставалось применить их и проверить справедливость для возрастающего числа явлений, неизвестных до тех пор. У модели атома Бора была несколько суетливая жизнь с момента ее рождения, но основные черты оставались неизменными: положительное атомное ядро с электронами вокруг. Имелись два тесно взаимосвязанных вопроса: из чего состоит ядро и откуда берутся электроны, составляющие ^-радиоактивность?

Эксперименты Резерфорда 1911 года показали, что атом неоднороден: почти вся масса сосредоточена в центральной части, в ядре, вокруг которого по орбитам вращаются электроны. Постепенно формировавшаяся гипотеза сводилась к тому, что масса ядер различных атомов кратна массе ядра водорода, Н\ в связи с чем допускалось, что все ядра состоят из этого типа частиц, которые назвали «протонами».

Слово «протон» в начале XIX века ввел английский химик Уильям Праут (1786-1850), который заметил, что некоторые известные в его время атомные массы приблизительно кратны массе водорода. Термин Праута происходит от греческого понятия proto hyle — исходный, или первичный, материал. Эта гипотеза постепенно истаяла с повышением точности измерения атомной массы и с открытием новых элементов. Когда Резерфорд возродил эту гипотезу, пусть только в отношении атомного ядра, он решил использовать то же самое слово.

В результате своих исследований радиоактивности Резерфорд получил окончательное подтверждение существования Н* — протонов — во всех атомных ядрах. В 1919 году, изучая эффект столкновения а-частиц с атомами азота, он увидел, что последние испускают протоны. Когда Резерфорд удостоверился, что это не результат существования примесей водорода в экспериментальной установке, он сделал вывод: наблюдаемые протоны происходят из ядра азота. Это стало первым прямым доказательством существования протонов в атомах, не являющихся атомами водорода.

Итак, в 1920 году были известны две элементарные частицы: электроны и протоны. Также было известно, что р-излучение состоит из электронов, но что это, говоря словами Марии Кюри, «глубинные электроны». Электроны радиоактивности не располагались вокруг ядра, их энергия была намного больше, чем энергия спектральных атомных линий, так что их включали (наряду с протонами) в число ядерных компонентов. Таким образом, как показано на рисунке 2, в начале 1920-х годов атом представлял собой следующее. Ядро, состоящее из протонов и электронов, и оболочка, сформированная только электронами, распределяющимися по уровням энергии, согласно законам квантовой физики.

РИС. 2

Как распределялись протоны и «глубинные» электроны внутри ядра? Следует учитывать, что число протонов должно в два раза превышать число ядерных электронов, поскольку общий электрический заряд ядра равен общему электронному заряду оболочки, и таким образом атому удается оставаться электрически нейтральным. Законы электричества не объясняли, как протоны и электроны могут находиться в ядре в стабильном виде так, чтобы взаимные отталкивания не заставляли ядро распасться.

Одна из самых жизнеспособных догадок побуждала обратить внимание на а-радиоактивность. Она соответствовала ядрам гелия, которые (следуя модели протонов и электронов) должны были состоять из четырех протонов и двух электронов. Не вызывало сомнений, что эта структура особенно стабильна как внутри, так и снаружи ядра, и могло сложиться представление для лучшего понимания структуры и стабильности ядер, а также и явления радиоактивности.

Дело в том, что спустя более чем два десятилетия изучения радиоактивности, то есть типов излучений, их энергий и проникающей способности, их дисперсий с другими излучениями и прочими телами и так далее, теоретическое развитие практически оставалось на месте. Было очевидно, что понимание радиоактивности атомного ядра — это две стороны одной медали. Понимание пришло с развитием квантовой механики.

Снова блестящий рисковый молодой ученый, начало карьеры которого так же было связано с влиянием Бора, дал импульс этому развитию. Этим человеком был Георгий Гамов (1904-1968). Он родился в Одессе, изучал физику в Петрограде, где познакомился с другими подающими надежды студентами, Львом Ландау (1908-1968) и Дмитрием Иваненко (1904-1994). Вместе они создали группу «трех мушкетеров», чтобы обсуждать последние достижения квантовой физики.

Летом 1928 года, закончив докторантуру в Геттингене, Гамов развернул исследование, объяснявшее а-радиоактивность на основе постулатов квантовой механики. Вернувшись в Россию, Гамов решил поехать в Копенгаген, чтобы познакомиться с Нильсом Бором и показать ему свои расчеты. Он предстал перед Бором без предупреждения и без денег, он не планировал оставаться в городе, так как его визит должен был ограничиться несколькими часами. Но молодой ученый произвел такое впечатление на Бора, что эти несколько часов превратились в два года: 1928-1929 и 1930-1931 учебные годы.

Это стало началом обращения Бора к проблемам зарождающейся ядерной физики, которая принесла много неожиданностей в 1930-е годы, а кроме того, вновь тесно связала его со старым другом Резерфордом и экспериментальными результатами Кавендишской лаборатории.

Возможно, самой заметной головоломкой 1920-х годов была энергия р-лучей (электронов), происходящих из радиоактивных источников. Два города, Берлин и Кембридж, и два человека, Лиза Мейтнер (1878-1968) и Чарльз Драммонд Эллис (1895-1980), были действующими лицами плодотворного научного спора, который привел к нынешнему пониманию ядра. Спор велся вокруг p-спектра радиоактивных материалов, то есть вокруг распределения энергии электронов, испускаемых радиоактивными веществами.

Альберт Эйнштейн и Нильс Бор, фото австрийского физика Паула Эренфеста, 1925 год.

Циклотрон в Институте теоретической физики в Копенгагене, построенный по распоряжению Бора.

Эллис и Мейтнер располагали сходными данными, но их интерпретации были различными. Зная постулаты зарождающейся квантовой физики, Мейтнер считала, что электроны, покидающие ядро, могут принимать только определенные постоянные значения энергии. Таким образом, β-спектр должен быть дискретным. Очевидно, что такой спектр заметить нелегко. Ядро испускает электроны и γ-излучение, которые, в свою очередь, сталкиваются с электронами атомной оболочки. Снаружи сложно различить, какие электроны происходят напрямую из ядра, а какие являются результатом вторичных процессов.

В Кембридже Эллис и Джеймс Чедвик (1891-1974) были убеждены, что спектр ядерных электронов непрерывен, то есть ядро испускает электроны со всеми значениями энергии от минимума до максимума, без учета квантовых скачков. Мейтнер полагала, что результаты Чедвика и Эллиса не имеют смысла, поскольку противоречат квантовой механике. Исследователи из Кавендишской лаборатории, в свою очередь, доверяли экспериментальной ценности своих результатов. Кроме того, Резерфорд не был сторонником квантовой физики, поэтому его не беспокоило, что экспериментальные результаты противоречат ее постулатам.

Здесь следует уточнить: когда мы говорим, что ядро испускает электроны, нужно учитывать, что в лаборатории нет отдельных ядер, есть макроскопические количества элементов, атомы которых испускают электроны. Как бы мало радиоактивной материи ни было в распоряжении, число атомов достигнет порядка нескольких биллионов. В лаборатории можно наблюдать лишь комбинированный результат действия всех этих атомов. Неудивительно, что при похожих экспериментальных результатах интерпретации различны. Мейтнер и Эллис наблюдали одно и то же — спектр 0-радиоактивности непрерывен, — но видели разные вещи.

Дискуссия Берлина с Кембриджем длилась почти десять лет, пока в период с 1927 по 1929 год стороны не пришли к соглашению, подтвердившему позицию английской команды: электроны 0-радиоактивности изначально имеют энергию, которая варьируется от минимального до максимального значения; спектр энергии этих электронов непрерывен. Казалось, под угрозой — некоторые основные идеи квантовой физики.

И не только они. Если атомы испускают электроны с переменной энергией, как возможно, что энергия до и после излучения всегда одна и та же? Бор выдвинул гипотезу, которую уже выдвигал некоторое время назад: отсутствие сохранения энергии в β-радиоактивности. На этот раз он не стал ничего публиковать, так как в переписке с коллегами смог оценить неприятие, которое вызывала подобная идея.

Другое решение, столь же отчаянное, в 1930 году предложил Паули. В знаменитом письме 4 декабря, направленном участникам конгресса о радиоактивности, Паули допустил, что с p-излучением ядро испускает нейтральную неизвестную до тех пор частицу, энергия которой соответствует энергии, недостающей электрону. Так, при каждом радиоактивном излучении ядро всегда испускает одно и то же количество энергии, и она распределяется переменным образом между электроном и нейтральной частицей. Эту частицу позже назвали «нейтрино», и хотя с фактом ее существования очень быстро согласились, саму ее обнаружили экспериментально только в 1956 году.

Весной 1932 года в Копенгаген хлынул непрерывный поток исследователей из Кавендишской лаборатории. В феврале того года Чедвик объявил о существовании нейтральных частиц, нейтронов, не имеющих электрического заряда, с массой, подобной массе протонов, присутствующих во всех атомных ядрах. Существование частиц не стало неожиданностью. Еще в 1920 году ввиду необходимости лучше понять состав атомных ядер Резерфорд выдвинул предположение о тесно связанных соединениях из протона и электрона, которые он назвал «нейтронами». Это предположение основывалось на существовании другой чрезвычайно стабильной структуры — α-частиц, которые должны были объяснить ядерную стабильность. Однако после некоторых безрезультатных попыток Резерфорд оставил поиск нейтронов.

Различные команды ученых годами исследовали свойства радиоактивности полония-бериллия. При облучении атомов бериллия ^α-частицами, происходящими из радиоактивного полония, получались изотоп углерода и нейтральное излучение с высокой проникающей способностью по формуле:

⁴α₂ + ⁹Ве₄ →¹³С₆ + γ,

где у представляет собой нейтральное излучение, которое изначально истолковали как электромагнитное. Джеймс Чедвик изучал взаимодействие этого нейтрального излучения с различными элементами. Сначала он заметил, что нейтральное излучение полония-бериллия приводит в движение атомы водорода, но то же самое происходило и с атомами азота, которые в 14 раз тяжелее первых. Это было невозможно при электромагнитном излучении. Чедвик говорил: «Эти результаты, а также другие, которые я получил в ходе работы, сложно объяснить, если предположить, что излучение бериллия является квантовым. Сложности исчезнут, если предположить, что излучение вызвано частицами массы 1 и заряда 0, или нейтронами». Данную статью («Существование нейтрона», опубликована в 1932 году в журнале Nature) принято считать моментом рождения новой частицы, нейтрона. Происхождение этих нейтронов задано реакцией:

⁴α₂ + ⁹Ве₄ → ¹²С₆ + ¹n₀.

где n обозначает нейтроны.

Это предположение исказило изначальное толкование открытия Чедвика. Одно дело экспериментально подтвердить, что существует нейтральное излучение (состоящее из частицы массы, схожей с массой протона), и совершенно другое — истолковать эти частицы как элементарные, основополагающие. Последний шаг был сделан не сразу: на то, чтобы весь мир признал основополагающий характер нейтронов, понадобилось почти два года. Между тем многие предпочитали думать, что нейтрон, как и а-частицы, — это соединение протона с электроном.

Среди первых, кто принял это радикальное толкование, были Паули, Гейзенберг и Бор. Последний организовал в Копенгагене в апреле 1932 года семинар по изучению недавнего открытия и следствий из него для структуры атомного ядра. Чтобы представить себе тот энтузиазм, с которым Бор воспринял новость о существовании нейтронов, обратимся к фрагменту письма, отправленного им Резерфорду после апрельского семинара:

«Прогресс в исследовании ядерной структуры настолько скоростной, что задаешься вопросом, какие новости ждут нас завтра. [...] Пожалуй, я никогда еще так не хотел быть ближе к вам и к Кавендишской лаборатории».

Если считать нейтрон элементарной частицей, а не соединением протона с электроном, то образ атомного ядра меняется радикально. Атом обрел иную структуру (см. рисунок 3): ядро, образованное протонами и нейтронами (частицами схожей массы, хотя первая обладает электрическим зарядом, а вторая нет), и несколько электронов вокруг ядра, число которых равно числу ядерных протонов.

РИС.З

У этой модели атома было много преимуществ относительно предыдущей, но был один очевидный недостаток. Если ядро состояло только из протонов и нейтронов, откуда испускались электроны β-радиоактивности? Чтобы ответить на этот вопрос, требовалось ввести новую частицу, которая была открыта в 1932 году, — позитрон.

С 1910 по 1912 год немецкие ученые Альберт Гокель (1860— 1927), Вернер Кольхёрстер (1887-1946) и австриец Виктор Франц Гесс (1883-1964) изучали тип излучения (неизвестного до той поры), происходящего из атмосферы. Поднявшись на аэростатах, исследователи заметили, что количество обнаруженного в атмосфере электрического заряда с высотой увеличивается. Это указывало на то, что излучение происходит из верхних слоев атмосферы или (почему бы и нет?) из космоса. Поэтому его назвали Hohenstrahlen, или Ultrastrahlen, дословно «излучения высот», или «излучения извне».

В 1925 году американец Роберт Эндрюс Милликен (1868- 1953) назвал это «космическими лучами». Неизвестное происхождение данного типа излучения окружало его мистическим ореолом, перед которым Милликен не мог устоять. Изучение космических лучей было частью большого проекта, который задумал американский физик. После открытия радиоактивности в конце XIX века ученые знали, что имеют дело с процессами трансмутации материи: одни атомы превращаются в другие с испусканием положительного (а), отрицательного (Р) и нейтрального (у) излучения. С тех пор перед воображением ученых открывались завораживающие возможности: использовать атомную энергию, синтезировать атомы в лаборатории, полностью постичь структуру атома... Следующие слова Милликена показывают нам, что его заинтересованность космосом связана с вопросами состава материи:

«У радия и урана мы видим только распад [атомов]. Но где-то почти наверняка эти элементы постоянно как-то образуются. Возможно, они сейчас собираются в звездных лабораториях. [...] Сможем ли мы когда-нибудь контролировать этот процесс? [...] Если мы добьемся подобного, это будет новый мир для человека!»

Для Милликена исследование космических лучей было способом изучить процессы, которые происходят на звездах — «фабриках Бога», как он их называл. Здесь можно отметить еще один интересный элемент его исследования: у Милликена имелась теория о происхождении атмосферного излучения до проведения экспериментальной работы. В то время как в Европе обсуждали не только происхождение такого излучения, но даже сам факт его существования, Милликен считал очевидным внеземное происхождение излучения в атмосфере. Он не мог доказать, что космические лучи на самом деле космические, поскольку не мог выйти за пределы атмосферы, однако, окрестив излучение так, уже навязывал свое видение этого явления. Милликен считал, что в процессе образования различных элементов из «доменных печей» звезд испускаются разные типы излучения как отходы этих процессов. Следовательно, изучение даст нам информацию об образовании атомов. Космические лучи — это «первые крики новорожденных атомов».

Проект космических лучей дал неожиданный результат. Карл Дейвид Андерсон (1905-1991), молодой американский исследователь, работавший под руководством Милликена, сфотографировал траектории космических лучей при их прохождении через туманную камеру (аппарат, который выявляет частицы ионизирующего излучения). Чтобы определить заряд излучения — как космического, так и радиоактивного происхождения, — к туманной камере применяется магнитное поле, которое искривляет траектории частиц в том или ином направлении, в зависимости от их заряда. Летом 1932 года Андерсон столкнулся со странным типом излучения. Судя по массе, частицы, которые он обнаружил, были электронами, но заряд их был положительным, так что они скорее походили на протоны. Было и третье толкование, которому Милликен противился, но Андерсон в итоге решился опубликовать его самостоятельно: траектории соответствовали положительным электронам (получившим затем название позитронов). Так что пришлось добавить новую элементарную частицу к уже существующим — протону, электрону и нейтрону.

Обнаружение субатомных частиц возможно благодаря их электрическому заряду. При пересечении жидкой или нестабильной газообразной эмульсии эти частицы образуют в месте прохождения след из мельчайших пузырьков, похожий на след самолета в атмосфере.

Изучая космические лучи, Андерсон заметил, что не все электроны происходят из атмосферного излучения, некоторые из них, кажется, движутся по направлению к нему... если только это не положительные электроны! Чтобы прояснить, идет речь об отрицательных электронах с восходящей траекторией или о новом типе частицы, похожей на электрон, но с положительным зарядом и нисходящей траекторией, Андерсон поставил свинцовую пластинку посередине их траектории. Так он заметил, что кривизна траектории частицы больше в нижней части. То есть она теряет энергию при прохождении сквозь свинец сверху вниз. И Андерсон смог утверждать, что его наблюдения соответствуют вероятным положительным электронам. Справа показана фотография, сделанная Андерсоном.

Как и в случае с нейтроном, едва Андерсон убедился в реальности новой сущности (положительных электронов), самой сложной задачей стало истолковать, что это за частицы и откуда они исходят. Поль Дирак (1902-1984), молодой физик- теоретик, который обосновался в Кембридже, но оставался на связи с Бором, во время визита в Копенгаген в 1928 году высказал предположение о существовании положительных электронов. Он развил квантовую теорию для релятивистского движения электронов, которая, несмотря на математическую сложность (Дирак изобрел новую систему обозначений, используемую до сих пор), успешно предсказывала их поведение. Единственная проблема теории заключалась в том, что она предоставляла решения для поведения электронов как для положительных энергий, так и для отрицательных.

Что означал электрон с отрицательной энергией? Тогда Дирак не нашел правильного толкования этого результата. Но когда появились положительные электроны — позитроны, — их практически мгновенно отождествили с электронами отрицательной энергии: речь не об электронах с отрицательной энергией, а об электронах с положительным зарядом — позитронах.

РИС . 4

На рисунке показано "рождение" пары электрон-позитрон на основе фотона. У этих частиц различные вогнутости из-за их противоположного электрического заряда. Фотон невидим, потому что на имеет заряда.

В то же время в Кембридже Патрику Блэкетту (1897-1974) и Джузеппе Оккиалини (1907-1993) удалось изготовить позитроны в лаборатории, то есть получить позитроны не как результат случайных и непредсказуемых явлений, вроде космических лучей, а как результат взаимодействия излучения с материей. Один из прогнозов Дирака заключался в том, что при определенных обстоятельствах энергия у-излучения может трансформироваться в частицы, рождая пары электрон-позитрон, как показано на рисунке 4. Одновременно обе частицы могут взаимно аннигилировать и превращаться в γ-излучение.

С самого начала явление не казалось совсем уж невообразимым. Несколько лет назад было принято знаменитое уравнение Эйнштейна, Е = mc², связавшее материю и энергию. Но на сей раз это отношение было впервые сфотографировано в лаборатории. И удалось это сделать Блэкетту и Оккиалини.

Таким образом, позитрон добавлял неожиданную характеристику понятию элементарной частицы: они могут создаваться и аннигилировать, превращаясь в энергию. То, что не допускалось для атома Дальтона в начале XIX века, теперь совершали даже его компоненты.

Летом 1932 года семья Боров переехала в особняк, который фонд •«Карлсберг» предоставлял тому, кого исполнительный комитет сочтет самым влиятельным датчанином в культуре или науке на национальном и международном уровне. Проживать в этой резиденции было честью, но это также подразумевало многочисленные официальные обязанности, поскольку в особняке проводились встречи со знатными лицами и выдающимися деятелями политики, экономики и культуры. С этими задачами Боры — особенно Маргрет — всегда справлялись как радушные хозяева.

Первыми почетными гостями, которых Боры приняли в своей новой резиденции в сентябре 1932 года, стали Резерфорд с супругой, которым недавно были пожалованы титулы лорда и леди Резерфорд Нельсон. Это, безусловно, стало особенно волнительным моментом для обоих друзей. С тех пор как состоялась их первая встреча, миновало 20 лет. Тогда информация о структуре атома была минимальной, было известно лишь, что существуют электроны. Резерфорд и Бор изменили это представление за несколько лет работы в Манчестере, и сейчас они видели, как их детища, Институт теоретической физики в Копенгагене и Кавендишская лаборатория в Кембридже, стали центрами мировой физики, ядерной физики.

Действительно, 1932 год считается чудесным годом для Кавендишской лаборатории: там не только был открыт нейтрон и «рожден» позитрон, но также успешно создан и запущен первый ускоритель частиц, с помощью которого физики Джон Дуглас Кокрофт (1897-1967) и Эрнест Уолтон (1903-1995) добились первого искусственного радиоактивного распада в истории.

Доказательство существования нейтрона и позитрона, наряду с предположением о существовании нейтрино, радикально изменило понимание атомного ядра, и уже можно было дать первое связное объяснение первому ядерному явлению — радиоактивности. Ведь если ядро состоит лишь из протонов и нейтронов и точно известно, что β-излучение состоит только из электронов, которых нет в оболочке атома, откуда берутся эти электроны? В 1930 году Паули ввел почти призрачную частицу (не имеющую заряда, массы и практически необнаружимую) — нейтрино,— которая испускалась при β-излучении.

Первую теорию, все еще справедливую в ее основных принципах, в декабре 1933 года сформулировал Энрико Ферми (1901-1954). Эта теория была настолько прогрессивной, что при первых попытках опубликовать статью издатели научных журналов отказывались печатать ее, посчитав исключительно умозрительной. И это после 20 лет постоянных прорывов в физике!

Ученые зависят не от идей одного человека, а от комбинированной мудрости тысяч людей, которые все вместе думают над одной и той же проблемой. Каждый из них вносит свой маленький вклад в структуру знания, которая постепенно выстраивается.

Эрнест Резерфорд

Теория Ферми гласит, что в ядре нейтрон может трансформироваться в протон + электрон + нейтрино, при этом последние два испускаются вне ядра. То же самое может происходить с трансформацией протона в нейтрон + позитрон + нейтрино, благодаря чему образуется искусственная радиоактивность, которую некоторое время назад открыли супруги Ирен Кюри (1897-1956), дочь Марии Кюри, и Фредерик Жолио-Кюри.

При этих трансформациях масса, заряд и другие величины, например спин, сохранялись. Как видно, Ферми укрепил в этой теории идею о том, что элементарные частицы не так уж и элементарны, они способны трансформироваться одна в другую.

Идею подхватил Гейзенберг, а через некоторое время японец Хидэки Юкава (1907-1981) объяснил, как протонам и нейтронам удается оставаться такими сплоченными в столь маленьком пространстве, как атомное ядро. С учетом действия единственных известных на тот момент сил — гравитационной и электромагнитной — эта сплоченность была невозможной из-за электростатического отталкивания, которое должны были испытывать протоны (все с положительным зарядом).

РИС . 5

Ядерные протоны и нейтроны сплочены благодаря их постоянной смене сущностей, результату взаимообмена мезона.

Гейзенберг ввел термин «нуклон» в отношении как протонов, так и нейтронов. Его идея состояла в том, что протоны постоянно превращаются в нейтроны, а те — в протоны, и именно эта постоянная смена сущности поддерживает нуклоны сплоченными (см. рисунок 5). Юкава в 1934 году допустил, что эта трансформация протонов в нейтроны, и наоборот, осуществляется с созданием, взаимообменом и аннигиляцией промежуточной частицы — мезона.

В 1937 году в космических лучах была обнаружена новая частица, характеристики которой походили на предсказанные Юкавой, включая непродолжительность их жизни. Так что умозрительная частица Юкавы была сразу же отождествлена с мезоном, замеченным в космических лучах. После Второй мировой войны это отождествление было признано неверным (мезон космических лучей и мезон Юкавы оказались двумя различными частицами), но это способствовало созданию первого устойчивого образа атомного ядра и пониманию, что его внутренние силы отличаются от известных до тех пор. Это стало первым шагом на пути к тому, что мы сегодня знаем как «слабое взаимодействие» (сила Ферми в радиоактивности) и «сильное взаимодействие» (сила Юкавы).

С момента открытия в годы Первой мировой войны Института теоретической физики основным оборудованием в нем были бумага и карандаш, доска и мел, а также постоянно пополнявшийся книжный и журнальный фонд. В 1930-х Бор реорганизовал свое учреждение и превратил его также в экспериментальный центр ядерной физики первого порядка.

Успех первого ускорителя частиц Кокрофта и Уолтона в Кембридже подстегнул сооружение других ускорителей и развитие новых технологий во многих центрах физики во всем мире. Бор решил, что Копенгаген не может отстать в этой набирающей обороты гонке. Благодаря авторитету и административным способностям Бор получил финансирование, достаточное для строительства не одного, а трех ускорителей: двух линейных и одного циклического, или циклотрона.

Смысл ускорителей был не только в изучении ядерной физики на более глубоком уровне, но и в производстве радиоактивных изотопов для медицинских целей. И именно так сложился симбиоз биологии с физикой в Институте Бора.

Дьёрдь де Хевеши, с которым Бор уже сотрудничал в Манчестере, отвечал за развитие биологической части ядерного проекта. Идея заключалась в создании радиоактивных изотопов низкой интенсивности для использования в качестве маркеров в тканях и органах.

Гонка строительства все более мощных ускорителей частиц в 1930-е годы имела конкретную цель: контролировать в лаборатории явления высокой энергии, которые на тот момент были возможны только в непредсказуемых процессах космических лучей. Чтобы ускорить частицы при высокой энергии, нужно чтобы они были электрически заряженными. Нейтральные частицы, такие как нейтроны или сами атомы в обычном состоянии, могут быть ускорены, только если что-то предварительно ускоренное столкнется с ними. Есть два вида ускорения частиц с электрическим зарядом: линейное и циклическое. В первом случае частицы ускоряются электрическим полем: создается разница потенциалов между концами трубки, образуется электрическая энергия, ускоряющая заряженную частицу. Существенный недостаток этой техники: сложно создать большие разницы потенциалов без произведения электрического разряда, который бы их аннулировал. В циклических ускорителях используются одновременно электрическое и магнитное поля. Первое служит для небольшого ускорения частицы, а второе — для искривления ее траектории, чтобы частица вновь прошла через электрическое поле и вновь была ускорена. Так достигают того, чтобы одно и то же электрическое поле давало много импульсов заряженным частицам, чем увеличивало бы их скорость.

Циклотрон Калифорнийского университета, 1939 год.

Радиоактивность всегда рассматривали как форму проникающей энергии, с помощью которой можно сжигать и разрушать недоступные ткани. Так, вскоре радиоактивность более или менее успешно была направлена на борьбу с раком. Хевеши рассуждал иначе и занялся производством радиоактивных материалов, химические и биологические свойства которых были хорошо известны. Энергия излучения этих веществ должна быть очень низкой, но достаточной для обнаружения с помощью очень чувствительных приборов. Получив эти изотопы, их вводили в тело живого существа и прослеживали маршрут благодаря радиоактивности. С помощью этого метода можно было обнаружить, например, препятствия, вероятные признаки аномалии, порока развития или опухоли.

Из всех частиц, которые были обнаружены в 1930-е годы, нейтрон стал «звездой» физики. Ввиду его нейтрального заряда было относительно легко использовать нейтроны для исследования внутреннего строения ядра, поскольку они им не притягивались и не отталкивались. Многие физические лаборатории в Европе и некоторые в США и Японии занимались ядерным исследованием с помощью нейтронов. Вскоре было замечено, что иногда при бомбардировке атомов нейтронами последние поглощаются ядром, в связи с чем оно превращалось в другой изотоп этого же самого элемента. Но новые ядра были нестабильны, поэтому быстро распадались, испуская радиоактивность. Так перешли к изготовлению новых радиоактивных элементов. Особенно завораживающими были трансурановые элементы — те, что шли за ураном в периодической таблице.

Проект, который навсегда изменил ядерную физику, реализовали Лиза Мейтнер, Отто Ган (1879-1968) и молодой химик Фриц Штрассман (1902-1980). Было ясно, что если физическая часть заключается в бомбардировке атомов нейтронами, то для анализа полученных атомов нужны химики. Но в 1938 году Мейтнер, имевшая еврейские корни, была вынуждена покинуть Берлин, и проект остался в руках Гана и Штрассмана. У Мейтнер возрастало ощущение, что какая-то из их гипотез неверна, поскольку поведение трансурановых элементов не совпадало с ожидаемым.

Говорят, что на встрече в Институте Бора в Копенгагене Мейтнер посоветовала Гану снова проанализировать эти элементы в надежде, что на самом деле они не трансурановые, а что это барий, элемент 56 периодической таблицы. Если бы все обстояло так, то результатом бомбардировки ядер нейтронами был бы не элемент с большим атомным номером, а расщепление ядра. По возвращении в Берлин Ган и Штрассман провели анализ, который предложила Мейтнер, и убедились в ее правоте. Ядро разделилось посередине.

Казалось, что у манипуляций с атомными ядрами нет предела. Можно было расщеплять ядра, используя нейтроны в качестве снарядов. Идея была не нова. С тех пор как Эйнштейн вывел уравнение Е=mc2, научная фантастика увлеклась возможностью трансформации материи в энергию, чтобы получить ее неограниченный источник. Но на пороге Второй мировой войны фантастика стала ужасающей реальностью. Когда были заложены научные методы деления ядра, использование такой энергии в целях разрушения стало вопросом времени.