| Головна |
| « Попередня | Наступна » | |
XIII. ДИСКУСІЇ ПРО МОЖЛИВІСТЬ АТОМНОЇ ТЕХНІКИ І ПРО ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ (1935-1937) |
||
|
Незважаючи на сполох, викликану в науковому житті не однієї лише нашої країни німецької революцією і що послідувала за нею еміграцією, атомна фізика розвивалася в ті роки з приголомшливою швидкістю. У лабораторії Резерфорда в Кембриджі Коккрофт і Уол-тон сконструювали високовольтну установку, яка дозволяла надавати атомним ядрам водню, протонам, настільки велике прискорення, що при бомбардування ними атомних ядер легких елементів вони могли подолати сили електричного відштовхування, потрапити в атомне ядро і перетворити його. З цим і подібними йому інструментами, особливо з створеним в Америці циклотроном, з'явилася можливість поставити багато нових експериментів в галузі ядерної фізики, так що скоро склалася досить ясна картина властивостей атомного ядра і діючих у ньому сил. Виявилося, що атомні ядра на відміну від атомів в цілому не можна порівнювати з малою планетної системою, де найбільш потужні сили виходять від центрального важкого тіла, визначального орбіти легких тіл, які обертаються навколо нього; швидше, атомні ядра різних елементів - це як би краплі різної величини з однаковою ядерної матерії, що складається, в свою чергу, з приблизно однакового числа протонів і нейтронів. Щільність цієї утвореною протонами і нейтронами ядерної матерії у ядер всіх атомів приблизно однакова, хіба що через сильний електростатичного відштовхування протонів у важких ядрах число нейтронів дещо більше, ніж число протонів. Потужні сили, що утримують ядерну матерію від розпадання, не змінюються при перестановці протона і нейтрона; це припущення підтвердилося. І обнаружившаяся таким чином симетрія між протонів і нейтронів, про яку я здогадувався ще тоді, в хатині на альпійському лузі Штайлер Альм, проявляється також і в тому, що багато атомні ядра при p-розпаді випромінюють електрони, а інші - позитрони. Щоб більш детально вивчити структуру атомного ядра, ми на нашому лейпцигському семінарі спробували розглядати атомне ядро, тобто майже сферичну краплю ядерної матерії, як якийсь кулястий посудину, усередині якого вільно рухаються нейтрони і протони, не ставлячи значних перешкод один одному; тоді як Нільс в Копенгагені, навпаки, надавав дуже великого значення взаємодії окремих елементів ядра і був тому схильний бачити в ядрі щось на зразок мішка з піском. Щоб прояснити це розходження концепцій у бесідах, я за час між осінню 1935 і восени 1936 їздив на кілька тижнів у Копенгаген. Будучи гостем сім'ї, я мав право зайняти кімнату в оселі, яке було надано Бору як почесному громадянину і його родичам датським державою з коштів фонду Карл-сберга. Цей будинок протягом багатьох років грав виняткову роль як місце зустрічі атомних фізиків. Це було будова в помпей-ському стилі, в обробці якого ще виразно відчувався сильний вплив знаменитого скульптора Торвальдсена на данську культурне життя. З вітальні скульптурно прикрашена зовнішня сходи вела у великий парк, середину якого оживляв фонтан серед квіткових клумб і високі старі дерева якого давали захист від сонця і дощу. З передпокою житла з одного боку був вихід в зимовий сад, де тільки дзюрчання ще одного маленького фонтана порушувало панувала в цій частині будинку тишу. Ми часто клали на струмінь цього фонтана кульки від настільного тенісу, танцювали в ній, і теоретизували про фізичні причини цього феномену. За зимовим садом розташовувався великий зал з дорическими колонами, неодноразово використовувався для святкових заходів під час наукових конференцій. У цьому гостинному домі я мав можливість кілька тижнів пожити в сім'ї Бора, і сталося так, що англійський фізик лорд Резерфорд, батько сучасної атомної фізики, як його пізніше іноді називали, провів коротку канікулярний час теж у Боров в Копенгагені. Так само собою вийшло, що ми не раз бродили втрьох по парку, обмінюючись думками про новітні експериментах або про будову атомного ядра. Спробую зафіксувати одну з цих бесід. Лорд Резерфорд: «Що, власне, на Вашу думку, станеться, якщо ми побудуємо ще більші високовольтні установки або інші прискорювальні машини і обстріляли протонами ще вищих енергій і швидкостей важкі атомні ядра? Проб'є чи швидка бомбардир частинка атомне ядро просто наскрізь, майже не завдавши йому ушкоджень, або ж вона застрягне в атомному ядрі так, що вся її кінетична енергія в кінцевому рахунку передасться ядру? Якщо взаємодія окремих елементів ядра дуже істотно, як вважає Нільс, то бомбардир частинка швидше за все застрягне в ядрі. Але якщо протони і нейтрони майже незалежно рухаються в атомному ядрі, не впливаючи один на одного зі значною силою, то частка, мабуть, пролетить крізь ядро, не викликавши великих руйнувань ». Нільс: «Я безумовно вважав би, що бомбардир частка, як правило, застряє в атомному ядрі і що її кінетична енергія якимось чином рівномірно розподіляється серед всіх нуклонів внаслідок інтенсивної взаємодії між ними. Атомне ядро просто розігрівається внаслідок зіткнення, і ступінь розігріву можна розрахувати, виходячи з власного тепла ядерного речовини і з енергії, що міститься в бомбардуючої частці. Те, що потім відбувається, найкраще було б назвати частковим випаровуванням атомного ядра. Це означає, що енергія деяких частинок на його поверхні зростає настільки, що вони покидають атомне ядро. Але що думаєш про це ти? Питання був звернений до мене. - Мені теж би так здавалося, - відповів я, - хоча це не зовсім в'яжеться з нашими Лейпцігськими уявленнями про майже вільному обігу нуклонів усередині ядра. Однак проникла в ядро дуже швидка частинка явно повинна при великих силах внутрішньоядерної взаємодії випробувати багато зіткнень і втратити тим самим свою енергію. Повільна частка, що рухається всередині атомного ядра з невеликою енергією, може вести себе інакше, бо тоді починає проявлятися хвильова природа частинок, і число переносів енергії скорочується. Тоді зневага взаємодією допустимо в порядку апроксимації. Втім, треба, напевно, просто розрахувати все це; адже про атомному ядрі відомо вже достатньо. Ми займаємося таким розрахунком в Лейпцигу. Але я хотів би поставити зустрічне запитання: чи мислимо взагалі, щоб збільшення потужності прискорювачів привело зрештою до технічного застосування ядерної фізики, - скажімо, почнеться виготовлення штучних волокон хімічних елементів у великих кількостях або використання внутрішньоядерної зв'язку приблизно таким же чином, як при спалюванні використовується енергія хімічного зв'язку? Є, здається, англійська футурологічний роман, в якому вчений-фізик в момент крайньої політичної напруженості винаходить атомну бомбу і з її допомогою як Deus ex machina допомагає своїй країні впоратися з усіма труднощами. У кілька більш серйозній формі физикохимик Нернст в Берліні якось заявив, що Земля є, власне, свого роду порохова бочка, при якій поки не вистачає тільки сірники, щоб вона злетіла на повітря. І справді: якби вдалося, скажімо, кожні чотири ядра атома водню в морській воді з'єднати з одним ядром атома гелію, то вивільнилася б така жахлива енергія, що порівняння з пороховою бочкою можна було б вважати сміховинним пріукра-ням реальності. Нільс: «Ні, подібні ідеї поки ще не додумалися до кінця. Вирішальна різниця між хімією і ядерною фізикою полягає в тому, що хімічні процеси, як правило, відбуваються таки за участю більшості молекул відповідної речовини, наприклад пороху, тоді як в ядерній фізиці можна експериментувати завжди лише з малим числом атомних ядер. І з появою великих прискорювачів справу, в принципі, теж не зміниться. Число процесів, що протікають під час хімічного експерименту, відноситься до числа процесів, які до цих пір вдається викликати при експериментах в ядерній фізиці, приблизно так само, як, скажімо, діаметр нашої планетної системи відноситься до діаметру кругляка; і тут уже не буде великої різниці , якщо ми замінимо булижник уламком скелі. Було б, звичайно, зовсім інша справа, якби нам вдалося довести шматок речовини до настільки високих температур, щоб енергії окремої частки було достатньо для подолання сил відштовхування між атомними ядрами, і якби одночасно вдавалося підтримувати таку щільність речовини, щоб зіткнення не були занадто рідкісними. Але для цього треба підняти температуру до, скажімо, одного мільярда градусів, а при таких температурах, зрозуміло, вже не існує ніяких стін і камер, в які можна було б укласти цю речовину; вони вже давно до того часу випаруються ». Лорд Резерфорд: «Поки немає мови і про видаляння енергії з внутрішньоядерних процесів. Дійсно, при введенні протона або нейтрона в атомне ядро відбувається ізольований процес вивільнення його енергії. Але, щоб домогтися здійснення такого процесу, треба спочатку витратити набагато більшу енергію, наприклад для прискорення дуже великого числа протонів, більшість яких не потрапляє в ядро. Переважна частина цієї енергії практично втрачається у формі теплового руху. Так що з точки зору енергії експериментування з атомними ядрами досі залишається чисто програшним підприємством. Розмови про технічне застосування енергії атомного ядра - повна нісенітниця ». Ми легко зійшлися на цій думці, і ніхто з нас не підозрював тоді, що вже через кілька років відкриття розщеплення ядра урану Отто Ганом докорінно змінить ситуацію. Тривожна епоха мало чим давала про себе знати у тиші парку Бора. Ми сиділи на лаві в тіні високих дерев і спостерігали, як поривом вітру струмінь від фонтану відносило іноді в бік, і тоді окремі крапельки води повисали на пелюстках троянд, виблискуючи в сонячних променях. Після повернення в Лейпциг я провів обіцяні розрахунки. У них підтвердилася здогадка Нільса, що швидкі протони від великого прискорювача, як правило, застряють в атомному ядрі, просто розігріваючи його ударом. Приблизно в той же час процеси подібного роду вдалося реально поспостерігати на швидких протонах космічного випромінювання. Водночас ті ж наші розрахунки, схоже, містили і деяке обгрунтування того, чому при дослідженні внутрішньої будови атомного ядра допустимо при першому наближенні не враховувати сильну взаємодію окремих частинок. Ми продовжили наші лейпцігські дослідження в тому ж напрямку. Карл Фрідріх, який був тоді асистентом Лізі Мейтнер в інституті Отто Гана в Далеме, часто приїжджав на наші семінари з Берліна в Лейпциг і при зустрічах повідомляв нам про свої дослідження ядерних процесів усередині сонця і зірок. Йому вдалося теоретично довести, що в найбільш гарячих внутрішніх частинах зірок відбуваються цілком певні реакції між ядрами легких атомів і що величезна енергія, постійно випромінюється зірками, очевидно, створюється цими ядерними процесами. Бете в Америці опублікував аналогічні дослідження, і ми привчилися розглядати зірки як гігантські атомні котли, в яких перед нашими очима постійно відбувається видобуток енергії атомного ядра, звичайно, не у вигляді технічно контрольованого процесу, а у вигляді явища природи. Однак про атомну техніки мови ще не було. Наш лейпцігський семінар працював не тільки над теорією атомного ядра. По ходу справи розгорталися і думки, що намітилися у мене тієї ночі в хатині на Штайлер Альм, коли я намагався краще зрозуміти природу елементарних частинок. Гіпотеза Поля Дірака про існування антиматерії стала тепер після багатьох експериментальних підтверджень надійним надбанням науки. Ми знали, що в природі має місце принаймні один процес, при якому енергія перетворюється в матерію. З енергії випромінювання можуть виникати пари електрон-позитрон. Було природно припустити, що можливі й інші процеси цього роду, і ми намагалися уявити, яку роль можуть ці процеси грати при зіткненні елементарних частинок високих швидкостей. Моїм найближчим співрозмовником на ці теми був Ганс Ейлер, який кількома роками раніше приєднався до нас, будучи молодим студентом. Він відразу мені сподобався не тільки своєю обдарованістю, далеко виходила за середній рівень, але також і своїм зовнішнім виглядом. Він виглядав більш вразливим і чуйним, ніж більшість студентів, і на його обличчі - якраз коли він посміхався - можна було іноді помітити страдницьку рисочку. У нього було тонке довгасте обличчя з запалими щоками і високим чолом, з білявими кучерявим волоссям, і в його мові відчувалася напружена зосередженість, незвичайна для молодої людини. Було неважко помітити, що матеріально він жив у вкрай скрутних обставинах, і я був радий, коли зумів виклопотати для нього місце асистента, хоча і зі скромним окладом. Лише дуже нескоро, коли я заслужив його повна довіра, він повідав мені про дійсних масштабах своєї невлаштованості. Його батьки ледве змогли нашкребти кошти на його навчання. Сам він був переконаним комуністом; схоже, що вже і його батько потрапив в стиснене положення з політичних причин. Ейлер був заручений з молодою дівчиною, яка через свого єврейського походження була змушена тікати з Німеччини і тепер жила у Швейцарії. Про людей, що захопили після 1933 року владу в Німеччині, він міг говорити лише з відразою. Але він дуже неохоче торкався цієї теми. У ті роки я часто запрошував Ейлера до себе в квартиру на обід, що вже було якоїсь допомогою йому, і в наших бесідах ми зважували, між іншим, можливість його еміграції. Однак він ніколи не розглядав її всерйоз, і в мене склалося враження, що він відчував себе занадто прив'язаним до Німеччини, а й про це він говорив неохоче. Словом, я часто бував в компанії Ейлера, і ми, природно, обговорювали з ним можливі наслідки відкриття Дірака і перетворення енергії в матерію. - Завдяки Дірака ми знаємо, - так приблизно питав у мене Ейлер, - що квант світла, що пролітає повз атомного ядра, може перетворитися на пару частинок, один електрон і один позитрон; чи означає це, власне кажучи, що світловий квант складається з одного електрона і одного позитрона? У такому випадку світловий квант буде свого роду подвійний зіркою, тобто системою, в якій електрон і позитрон обертаються навколо один одного. Чи це помилкове наочне уявлення? - Не думаю, щоб в подібній зображенні містилося багато істини. Справді, виходячи з неї довелося б укласти, що маса подібної подвійної зірки не може бути набагато менше суми мас двох частинок, з яких вона складається. Незрозуміло також, чому така система повинна рухатися в просторі завжди зі швидкістю світла. Чому б їй десь не прийти в стан спокою? - Але тоді як же треба в даній зв'язку говорити про квант світла? - Можна, напевно, сказати, що квант світла складається з електрона і позитрона віртуально. Слово «віртуально» вказує на те, що мова тут йде про можливість. Сенс тільки що сказаної фрази в такому випадку просто в тому, що квант світла може у відомих експериментах розпадатися на електрон і позитрон. Не більше того. - При зіткненні частинок дуже високих енергій квант світла може, мабуть, перетворитися також у два електрони і два позитрона. Скажете Ви в такому випадку, що квант світла віртуально складається з цих чотирьох частинок? - Так, думаю, в цьому була б логічна послідовність. Слово «віртуально», позначаючи можливість, дозволяє стверджувати, що квант світла складається віртуально з двох або чотирьох часток. Адже дві різні можливості не виключають одна іншу. - Але що ж корисного дає нам таке твердження? - Критично зауважив Ейлер. - Тоді з рівним успіхом можна сказати, що всяка елементарна частинка віртуально складається з будь-якого довільного числа інших елементарних частинок. Адже при досить високій енергії зіткнення може виникнути як завгодно велике число часток. А сказати так - значить майже вже нічого не сказати. - Ні, число і вид часток таки не настільки вже довільні. Для опису аналізованої частинки придатні лише конфігурації частинок, що мають ту ж симетрію, що і початкова частка. Ейлер був все ще не цілком задоволений. «Те, що Ви зараз говорите, досить-таки абстрактно. Краще було б, мабуть, придумати експерименти, які пройдуть інакше, ніж до цих пір було прийнято від них чекати, причому саме тому інакше, що кванти світла віртуально складаються з пар частинок. Все-таки варто було б припускати, що ми отримаємо щонайменше якісно розумні результати, якщо приймемо на момент всерйоз наочний образ системи з спарених зірок і запитаємо, що з цього має слідувати за законами колишньої фізики. Наприклад, можна було б зайнятися питанням, чи дійсно два світлових променя, що перетинаються в порожньому просторі, пройдуть один через одного абсолютно без перешкод, як завжди вважалося раніше і як того вимагають старі Максвеллови рівняння. Якщо в одному світловому промені віртуально, тобто як можливість, присутні пари електронів і позитронів, то інший світловий промінь повинен якось розсіюватися при зустрічі з цими частками; інакше кажучи, має існувати розсіювання світла світлом, взаємне порушення двох світлових променів, яке можна було б підрахувати з теорії Дірака і яке піддавалося б також експериментальному спостереженню ». - Чи можна такі речі спостерігати, залежить, звичайно, від величини взаємного порушення. Однак Ви неодмінно повинні розрахувати передбачуване Вами вплив. Можливо, експериментальні фізики знайдуть потім засоби і способи виявити його. - Власне кажучи, я знаходжу цю філософію за принципом «коли б» 20, яку ми тут займаємося, все-таки дуже дивною. Квант світла поводиться у багатьох експериментах, «коли б» він складався з електрона і позитрона. Часом він вдобавок поводиться так, «як якби» він складався з двох і більше таких пар. Схоже, що ми впадаємо тут в якусь абсолютно невизначену, розмиту фізику. А адже з теорії Дірака можна з великою точністю підрахувати ймовірність того, що певна подія відбудеться, і експерименти підтвердять цей результат. Я спробував ще трохи далі розгорнути цю філософію за принципом «коли б»: «Вам відомо, що фізики-експери-ментатори нещодавно виявили ще один вид среднетяжелой елементарної частки, мезони. Крім того, існують потужні сили, які не дають розпадатися атомному ядру і яким, в свою чергу, повинні, в сенсі дуалізму хвиль і частинок, відповідати якісь свої елементарні частинки. Можливо, існує взагалі не дуже багато елементарних частинок, які нам поки ще не відомі просто тому, що вони мають занадто короткою тривалістю життя. У такому випадку, в дусі філософії за принципом «коли б», елементарну частинку можна порівнювати з ядром атома або з молекулою, тобто можна представляти справу так, як якби окрема елементарна частинка була цілим скупченням дуже багатьох потенційно різноманітних частинок. У такому випадку знову можна буде поставити питання, яке мені недавно задав у Копенгагені лорд Резерфорд з приводу атомного ядра: «Що станеться, якщо елементарною частинкою з дуже високою енергією бомбардувати іншу частку? Застрягне чи вона в ураженій нею елементарної частинки, яку ми тепер представляємо як скупчення частинок, нагрів це скупчення і викликавши його випаровування, або ж вона пролетить наскрізь через скупчення, які не зробивши занадто великих порушень? »Це залежить, природно, знову ж таки від сили взаємодії при одиничному зіткненні, а про неї ми зовсім нічого не знаємо. Але, мабуть, варто поки обмежитися вже відомими взаємодіями і подивитися, що при цьому з'ясується ». Ми були тоді ще далекі від справжньої фізики елементарних частинок. Тільки космічне випромінювання давало відомі експериментальні точки відліку; про систематичне експериментуванні в даній області ще не було мови. Ейлера хотілося дізнатися, наскільки оптимістично або песимістично я оцінюю розвиток у цій галузі атомної фізики, і він сказав: - Після відкриття Дірака, тобто з урахуванням існування антиматерії, вся картина стала набагато більш складною. Якийсь час здавалося, що весь світ можна побудувати з трьох елементарних цеглинок - протона, електрона і кванта світла. Це було просте уявлення, і можна було сподіватися, що головне вдасться скоро зрозуміти. Але тепер картина все більше заплутується. Елементарна частинка, власне, вже зовсім не елементарна, вона виявляється, принаймні «віртуально», дуже складним утворенням. Чи не означає це, що ми набагато далі від розуміння, ніж можна було раніше сподіватися? - Ні, я б з цим, мабуть, не погодився. Адже колишня картина, в яку входили три елементарних цеглинки, була по суті справи мало правдоподібною. Чому обов'язково має бути саме три таких довільно взятих одиниці, з яких одна, протон, рівно в 1836 разів важче, ніж інша, електрон? Звідки взялося це число 1836? І чому ці одиниці повинні бути незруйновними? Взаємно бомбардувати ними один одного можна з як завгодно високими енергіями; ймовірно чи, що внутрішня міцність частинок переходить всі межі? Тепер, після відкриття Дірака, все виглядає набагато більш розумним. Елементарна частинка, подібно стаціонарному стану атома, визначається своєю властивістю симетрії. Стійкістю форм, яку Бор зробив свого часу вихідною точкою своєї теорії і яку можна принаймні в принципі зрозуміти в рамках квантової механіки, пояснюється й існування, і стабільність елементарних частинок. Ці форми, якщо їх руйнують, постійно утворюються заново, подібно до атомів хіміків, і причина тут, мабуть, в тому, що симетрія вкорінена в самому законі природи. Звичайно, нам ще дуже далеко до формулювання законів природи, що обумовлюють структуру елементарних частинок. Але я дуже легко можу собі уявити, що коли-небудь пізніше з цих законів вдасться вирахувати і число 1836. Мене захоплює думка, що симетрія є щось більш фундаментальне, ніж частка. Це відповідає духу квантової теорії, як її завжди розумів Бор. Це відповідає також і філософії Платона, що нас як фізиків, однак, не повинно зараз цікавити. Будемо дотримуватися того, що можна безпосередньо досліджувати. Вам треба б розрахувати розсіювання світла при перетині зі світлом, а я буду ламати голову над більш загальним питанням про те, що відбувається при зіткненні елементарних частинок дуже високих енергій. Цієї робочої програми ми й трималися в наступні місяці, і мої розрахунки виявили, що вже то взаємодія, яке відіграє вирішальну роль при радіоактивному бета-розпаді атомного ядра, при високих енергіях здатне стати дуже сильним, допускаючи при зіткненні двох високоенергетичних частинок ймовірність виникнення багатьох нових частинок. Це так зване множинне освіту елементарних частинок в ті роки почасти простежувалося при вивченні космічних променів, проте хорошого експериментального докази його ще не існувало. Лише 20 років потому з'явилася можливість безпосередньо спостерігати подібні процеси у великих прискорювачах. Ейлер разом з іншим учасником мого семінару, Кокеля, обчислив розсіювання світла при зіткненні зі світлом, і хоча прямого експериментального докази провести тут не вдалося, проте сьогодні вже навряд чи залишається сумнів у тому, що сформульоване Ейлером і Кокеля розсіювання дійсно існує.
|
||
| « Попередня | Наступна » | |
|
|
||
Інформація, релевантна "XIII. ДИСКУСІЇ Про можливі АТОМНОЇ ТЕХНІКИ І про елементарні частинки (1935-1937) " |
||
|
||