Сетевая библиотекаСетевая библиотека

Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная ее создателями

Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная ее создателями
Автор: Отто Фриш Жанр: Биографии и мемуары, зарубежная публицистика Тип: Книга Издательство: Родина Год издания: 2019 Цена: 219.00 руб. Просмотры: 9 Скачать ознакомительный фрагмент FB2 EPUB RTF TXT КУПИТЬ И СКАЧАТЬ ЗА: 219.00 руб. ЧТО КАЧАТЬ и КАК ЧИТАТЬ
Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная ее создателями Энрико Ферми Джон фон Нейман Нильс Бор Отто Фриш Дж. Уилер Роберт Оппенгеймер Э. Уолтон Мы знали, что мир уже не будет прежним. Несколько человек смеялись, несколько человек плакали. Большинство молчали. Я вспомнил строку из священной книги индуизма, Бхагавадгиты; Вишну пытается уговорить Принца, что тот должен выполнять свой долг, и, чтобы впечатлить его, принимает свое многорукое обличье и говорит: «Я – Смерть, великий разрушитель миров…» Эти слова Роберт Оппенгеймер произнес после того, как ядерные бомбы стерли с лица Земли Хиросиму и Нагасаки. Две бомбы, получившие имена «Малыш» и «Толстяк», стали результатом длительной работы «Манхэттенского проекта». Группа лучших ученых мира под руководством Роберта Оппенгеймера в течение нескольких лет трудилась над созданием самого мощного и опасного оружия в мире. Статьи, посвященные работе в составе «Манхэттенского проекта», и составили книгу, которую вы держите в руках. Роберт Оппенгеймер, Нильс Бор, Отто Фриш, Энрико Ферми, Джон фон Нейман и др Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная ее создателями О. Фриш Открытие деления ядер Успехи, ошибки и явные неудачи нескольких ученых из различных стран придали своеобразный колорит начальному периоду изучения деления ядер. Удачное сочетание пытливой мысли и счастливого случая превратило эту волнующую идею в реальность. Это начиналось так В 1932 г. был открыт нейтрон. Почему, спрашивается, прошло семь лет, прежде чем было обнаружено деление ядер? Ведь деление ядер поистине поразительное явление: оно сопровождается сильной радиоактивностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию от ранее известных процессов. Почему же так долго не могли открыть деление ядер? Для ответа на этот вопрос лучше всего рассмотреть ситуацию в Европе с точки зрения физика-экспериментатора. Исследования в Европе В Европе было несколько лабораторий, занимавшихся ядерной физикой, но я думаю, что термин «группа» не успел еще войти в научный обиход. В то время наука развивалась благодаря разрозненным усилиям отдельных ученых, каждый из которых работал только с одним или двумя студентами и ассистентами. В Париже имелось несколько лабораторий из числа самых активных исследовательских учреждений в Европе. Здесь была открыта радиоактивность. В Париже работала Мария Кюри (до самой кончины в 1934 г.). Ее влияние было огромным. В то время техника измерений – ионизационные камеры и электрометры – была совсем проста, та же, что и на рубеже двух столетий. Этого было вполне достаточно при измерении естественной радиоактивности элементов, но такое оборудование совершенно не отвечало требованиям, которые возникали при выполнении многих работ, посвященных исследованию деления ядер. К теории Мария Кюри относилась без особого уважения. Однажды, когда один из ее студентов, предлагая эксперимент, добавил, что физики-теоретики уверены в том, что он будет успешным, она ответила: «Это не важно, мы поставили бы этот опыт в любом случае». Возможно, из-за такого отношения к теории в этой лаборатории не открыли нейтрон. Вторым местом, представляющим интерес, был Кембридж. Эрнесту Резерфорду, который стоит за всеми исследованиями, выполненными в Кембридже, удалось расщепить в 1919 г. атомное ядро. С 1909 г. он с особым интересом занимался вопросами обнаружения и счета отдельных ядерных частиц. Им впервые был введен сцинтилляционный метод, который был его любимым детищем. Главные достоинства работ Резерфорда заключались в простоте и безыскусственности применяемых им методов; этим можно объяснить то недоверие, с которым он относился к сложным приборам. Даже в 1932 г., когда Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон впервые расщепили ядро с помощью искусственно ускоренных протонов, для регистрации была использована сцинтилляционная методика. К этому времени Резерфорд понял необходимость развития электронных методов счета частиц. Причиной этого явились очевидные недостатки сцинтилляционного метода: он оказался непригодным как при очень больших, так и при очень малых скоростях счета, а его надежность оставляла желать лучшего. Эти недостатки еще более заметны, если вспомнить о результатах, полученных в третьей лаборатории, а именно в венской. В Вене начиналась моя деятельность. В то время это место было enfant terrible ядерной физики. Например, некоторые физики там утверждали, что не только азот и еще одно или два легких ядра, но практически каждое из легких ядер может быть расщеплено ?-частицами и при этом вылетает значительно большее количество протонов, чем то, которое до сих пор удалось наблюдать. Я до сих пор не понимаю, как они могли прийти к таким ошибочным заключениям. Очевидно, они заставили вести подсчет числа сцинтилляций студентов, которым ничего не говорилось о предполагаемом числе отсчетов. На первый взгляд такая методика измерений кажется весьма объективной, потому что студенты свободны от каких бы то ни было предубеждений. Однако у них быстро выявилась тенденция в пользу больших чисел, так как они чувствовали, что заслужат одобрение, если обнаружат много частиц. Вполне вероятно, что неверные результаты были получены как в силу такой тенденции, так и вследствие некритического отношения к собственным результатам и желания во что бы то ни стало победить англичан. Я хорошо помню, как в момент моего отъезда из Вены (после того как мне удалось избежать обычной участи студентов – подсчета числа сцинтилляций) мой руководитель, Карл Пшибрам, сказал мне унылым голосом: «Не сомневаюсь, что Вы скажете „им“ в Берлине, что мы вовсе не так плохи, как они о нас думают». Убедить «их» мне не удалось. В Германии исследования по ядерной физике велись в нескольких местах. Группа Отто Гана и Лизе Мейтнер (это была одна их первых групп, где начали изучать радиоактивные элементы) к этому времени разделилась на две группы, проводившие независимые исследования. Ган работал над различными приложениями радиоактивности для изучения химических реакций, структуры осадков и аналогичных явлений; Лизе Мейтнер использовала радиоактивные материалы в основном для изучения процессов ?- и ?-излучения и взаимодействий ?-лучей с веществом. Кроме того, в Германии работал Ганс Гейгер. Еще до 1909 г. в дни, предшествовавшие открытию ядра, он работал у Резерфорда. Резерфорд чувствовал ненадежность сцинтилляционного метода и попросил Гейгера разработать для проверки этого метода электрический счетчик. Но как только Резерфорд увидел, что эти два метода дают один и тот же результат, он вернулся к сцинтилляционной методике, которая казалась ему более простой и надежной, если применять ее с соответствующими мерами предосторожности. Гейгер, возвратившись в Германию, продолжал улучшать электрические счетчики и в 1928 г. вместе с В. Мюллером разработал счетчик для регистрации ?-лучей. Ранее созданные счетчики были непригодны для этой цели, а регистрировать ?-лучи сцинтилляционным методом нельзя было. Однако и новые счетчики никак нельзя было назвать быстродействующими, так как разряд между центральным электродом и цилиндрической оболочкой гасился на большом сопротивлении (многомегомном), включенном в цепь; соответственно скорость счета была ненамного больше, чем у сцинтилляционного метода. Даже при нескольких сотнях частиц в минуту необходимы были существенные поправки. Вальтер Боте первым применил метод совпадений, как при попытках исследовать некоторые характеристики космических лучей, так и для измерения энергии ?-лучей по образовавшимся вторичным электронам. Фактически это был первый надежный метод измерения энергии слабого ?-излучения. До 1932 г. единственными источниками, применявшимися для расщепления атомного ядра, были элементы, обладающие естественной ?-радиоактивностью. К ним относились: полоний, достать который было очень трудно (практически весь его запас был в Париже), и один из короткоживущих продуктов распада радия. Хотя последний получался без примесей, он обладал малым временем жизни и давал сильное ?-излучение. Год открытий В 1932 г., который с полным правом можно назвать «годом чудес», был открыт нейтрон и, кроме того, произошли два других важнейших события. В США Эрнест О. Лоуренс запустил первый циклотрон, перспективы которого казались многообещающими, а в Англии Кокрофт и Уолтон построили первый ускоритель протонов, которые были способны расщеплять ядра. Нет необходимости говорить, что эти машины положили начало огромному скачку в развитии ядерной физики. Большинство физиков, занимавшихся ядром, впоследствии не могли обойтись по крайней мере без одного из этих двух инструментов для исследования ядра. Однако самое интересное заключается в том, что оба эти прибора практически не смогли указать тот путь, который привел к открытию деления ядер. Я не хочу очень подробно останавливаться на истории открытия нейтрона, потому что этому было посвящено несколько интересных лекций на Конгрессе по истории науки, состоявшемся в 1962 г. в Итаке (штат Нью-Йорк). В опубликованном сборнике трудов этого конгресса есть интересные доклады Нормана Фэзера и сэра Джеймса Чадвика. Там сказано, что открытие нейтрона в Кембридже было не просто удачей, которая может выпасть на долю каждого исследователя, а явилось результатом поисков нейтрона, проводившихся в Кембридже (несмотря на ошибочные теоретические идеи). Это открытие окрылило ученых Кембриджа. Они обнаружили важное явление, которое могло бы остаться незамеченным. X. К. Вебстер нашел, что интенсивность странных проникающих лучей, испускаемых бериллием при облучении его ?-частицами, была больше в направлении движения падающих ?-частиц, чем в противоположном. Этот результат был абсолютно непонятен, если бы испускались ?-лучи, как думали в то время. Даже французские физики Кюри и Жолио разделяли эту точку зрения, которая существенно подкреплялась всеми теоретическими предсказаниями. Затем эксперименты Чадвика ясно показали, что мистическое излучение состоит из частиц с массой, приблизительно равной массе протона. Возникло некоторое замешательство, так как Энрико Ферми и Вольфганг Паули уже назвали «нейтроном» частицу, позже переименованную в «нейтрино». Конечно, после открытия нейтронов интерес к ним заметно возрос, но никто не знал, что именно надо делать. Нейтроны, в конце концов, были вторичными продуктами расщепления ядер, число их было невелико. Выход нейтронов был мал, так как для облучения использовались элементы с естественной ?-радиоактивностью. Кроме того, одним из главных детекторов была камера Вильсона, с помощью которой удается обнаружить лишь незначительное число реакций, в которых участвует нейтрон. Это довольно утомительно – пытаться восстановить истинную картину по нескольким детектированным трекам ядер отдачи. Лео Сциллард однажды в шутку сказал, что если мужчина совершает какой-нибудь неожиданный поступок, то за этим кроется женщина, ну а если в атомном ядре внезапно что-то произошло, то в этом чаще всего виноват нейтрон. Электронная методика счета тогда только развивалась. Основным поводом для ее развития послужили неверные результаты, полученные в Вене; оказалось, что никто не мог их подтвердить. Поэтому необходимость разработки электронных счетчиков и усилителей стала очевидной. Венские ученые сами начали вести работы в этом направлении, но без особого успеха. Некоторые результаты были получены Германом Грейнахером в Швейцарии. Однако, как я думаю, путь, который привел к созданию хороших счетчиков, был найден в Англии Чарльзом Вином-Вильямсом, использовавшим для изготовления электронных счетчиков хорошую защиту, электронные лампы с низким уровнем шумов и т. д. Тем не менее эти счетчики – хотя они и были использованы с большим успехом Чадвиком в опытах с нейтронами – обладали высоким уровнем шумов, что мешало их более широкому применению. Искусственная радиоактивность По-настоящему все пришло в движение в 1934 г., когда Кюри и Жолио открыли искусственную радиоактивность. Я думаю, что они должны были быть очень счастливы, так как им удалось наверстать то, что они упустили при открытии нейтрона. Эти открытия разделяют два года; они были сделаны чуть ли не в один и тот же день в середине января. За много месяцев до этого Кюри и Жолио знали, что алюминий, облучаемый ?-частицами, излучает позитроны, но им никогда не приходило в голову, что здесь может играть какую- то роль процесс распада. Они наблюдали испускание позитронов только во время облучения мишени. Лоуренс со своей группой, работавшей на циклотроне в Калифорнии, допустил такую же ошибку. Более того, в Калифорнии заметили, что счетчик ведет себя несколько «странно» после выключения циклотрона, и даже разработали специальное приспособление, автоматически выключавшее счетчик одновременно с циклотроном. Будь они повнимательнее, они могли бы открыть искусственную радиоактивность раньше, чем это было сделано во Франции. Удивительно, что никому для этого не пришла в голову мысль о том, что в результате ядерного расщепления может возникнуть нестабильное ядро, хотя о существовании нестабильных ядер было, конечно, известно уже лет тридцать или более того. Мне говорили, что после открытия искусственной радиоактивности Резерфорд написал Жолио и, поздравляя его, заметил, что сам не раз думал о том, что образующиеся ядра могли быть нестабильными, но сам он всегда искал только ?-частицы, потому что ?-частицы его никогда не интересовали. В январе 1934 г., как только стала известна эта работа, многие ученые стали повторять и расширять эксперимент. К сожалению, большинство из них ринулось по пути тривиального воспроизведения опытов Кюри и Жолио, бомбардируя ?-частицами другие элементы. (По тому же пути пошел и я в лаборатории Блэкетта в Лондоне.) Но в Риме в это время Ферми уже решил, что в ядерной физике есть еще важные и интересные направления исследований. У него уже были наготове некоторые экспериментальные установки. Поэтому, когда было сделано это открытие, он быстро поставил эксперименты с целью понять, могут ли ядра становиться радиоактивными под действием нейтронов. Я помню, что моя реакция, как, возможно, и реакция многих других, была скептической: эксперимент Ферми казался бессмысленным, потому что нейтронов было много меньше, чем ?-частиц. Этот простой аргумент, конечно, не учитывал значительно большую эффективность нейтронов. Нейтроны не замедляются электронами, их не отталкивает кулоновское поле ядра. Действительно, не прошло и четырех недель после открытия Кюри и Жолио, как Ферми опубликовал первые результаты, доказывавшие, что различные элементы становятся радиоактивными после их облучения нейтронами. Только спустя месяц он заявил, что при бомбардировке урана возникает некий новый тип радиоактивности, который, как ему кажется, должен быть связан с трансурановыми элементами. На основании как теоретических соображений (кулоновский барьер и тому подобное), так и экспериментальных данных считали, что поглощение нейтронов тяжелыми элементами не может привести к их распаду. Поэтому все были уверены в том, что так должно быть и в случае с ураном. Конечно, работы Ферми представляли значительный интерес для радиохимиков. Многие из них принялись за дело, но опять, как ни странно, главным стимулом послужил неверный результат – работа Аристида фон Гроссе (химика, работавшего в США, немца по национальности), по мнению которого один из этих элементов вел себя как протактиний. Совместно с Ганом он сделал одну из первых работ по протактинию вскоре после открытия этого элемента в 1917 г., поэтому полученные им результаты заставили Гана и Мейтнер мобилизовать все свои силы. Они считали протактиний собственным детищем и решили проверить выводы фон Гроссе. Лизе Мейтнер уговорила Гана снова объединить усилия. Скоро ими было показано, что Гроссе ошибся: это был не протактиний. С другой стороны, было обнаружено так много странных явлений, что работа увлекла их и они решили продолжать исследования. Результат превзошел все ожидания. Схема каналов распада радиоактивных элементов (из статьи Гана, Мейтнер и Штрассмана, опубликованной в журнале «Naturwissenschaften» в 1938 г.) Выше приведены цепочки радиоактивных элементов, классифицированных Ганом и Мейтнер. Они еще не присвоили специальных названий трансурановым элементам, а употребили приставку «эка», чтобы подчеркнуть их связь с рением, осмием и т. д.; ряд трансурановых элементов заканчивался на эказолоте. Очевидно, такое большое число новых химических элементов вызвало у Гана желание ознакомиться с ними и изучить их свойства. В наши дни элементы, идущие за ураном, известны, конечно, как нептуний, плутоний, америций и т. д., а современные данные об их химических свойствах отличаются от сведений, полученных Ганом. Параллельные цепочки Результаты оказались удивительными по двум причинам. Прежде всего, были обнаружены три параллельные цепочки. Судя по образующимся продуктам распада, все вновь полученные элементы вели свое начало от U ; возможно, что некоторые из них происходили от U (который встречается значительно реже). Таким образом, дело выглядело так, что есть по крайней мере две параллельные цепочки элементов-изомеров. Изомерные свойства распространяются на всю цепочку элементов, возникающих при ?-распадах. Изомерия ядер была в 1938 г. новинкой, и не было ясно, как ее интерпретировать. Было предложено считать (как это принято и сейчас), что она обусловлена угловыми моментами высокого порядка, но были также предположения, что она является следствием существования каких-то жестких образований внутри ядра. Можно было представить себе, что такое жесткое образование могло бы уцелеть при ?-распаде и влиять на время жизни следующего продукта распада. Но и в этом случае большая длина цепочки все еще казалась непонятной. В конце концов уран сам по себе не был ?-радиоактивным. Другие элементы этой группы никогда не испытывают больше двух последовательных ?-распадов, а здесь наблюдалось четыре или пять. Ган-химик наслаждался столь большим числом новых элементов, а Гана-радиохимика или физика-ядерщика беспокоил механизм, который мог бы объяснить их существование. Политическая ситуация в Германии затрудняла проведение всех этих работ. У власти был Гитлер, и институт вел тонкую политическую игру с правительством, чтобы предотвратить преследование некоторых сотрудников института по расовым мотивам. Когда в 1938 г. нацисты оккупировали Австрию, положение Мейтнер стало весьма небезопасным; начали распространяться слухи о том, что она может потерять свое место и ей не разрешат выехать из Германии, так как она слишком много знает. Это вызвало у нее беспокойство. Датские коллеги предложили провезти ее нелегально в Голландию без визы. Поэтому в начале лета 1938 г. она уехала из Германии, проехала Голландию, сделала короткую остановку в Дании и воспользовалась гостеприимством Манне Зигбана из Нобелевского института в Стокгольме. Вблизи цели После этого группа Гана, в которую уже вошел Штрассман, стала продолжать работу, но Лизе Мейтнер там не было. Между тем аналогичными вопросами стали заниматься в Париже. Интересно отметить, что точки зрения этих двух групп не совпадали. Сначала трансурановыми элементами в Париже мало интересовались. Однако вскоре интерес к ним резко возрос, так как была обнаружена новая, пропущенная ранее цепочка радиоактивных элементов с атомным весом 4n + 1, получающаяся при бомбардировке тория нейтронами. Известно, что ряды с атомным весом 4n, 4n + 2, 4n + 3 состоят из элементов с естественной радиоактивностью. Но цепочка 4n + 1 не была известна, и поэтому Ирэн Кюри, дочь мадам Кюри-Склодовской, вместе с австрийцем Гансом фон Гальбаном и швейцарцем Петером Прайсверком, приступила к исследованию этой серии и опубликовала несколько работ по этому вопросу. Позже эта группа распалась, потому что Гальбан уехал в Копенгаген, где в течение некоторого времени занимался вместе со мной исследованием медленных нейтронов. Ирэн Кюри нашла нового сотрудника в лице югослава Павле Савича. Они пытались разобраться в вопросах, связанных с трансурановыми элементами. Понимая, что это – целый ряд различных веществ, Ирэн Кюри предложила остроумный метод выделения одного из них по высокой проникающей способности испускаемых им ?-лучей. Покрыв образцы достаточно толстым листом латуни, они исследовали только те препараты, излучение которых проходило через этот экран. Но они не могли даже представить себе, что при такой методике могло бы отбираться не одно вещество, а несколько, тем более что время жизни, равное 3,5 часа, оказалось всюду одинаковым. По своим химическим характеристикам, как они сначала думали, это вещество напоминало торий. Ган проверил эту работу и пришел к заключению, что это не торий. Он сообщил об этом в Париж. Кюри и Савич продолжали работу и в более поздней заметке летом 1938 г. подтвердили, что вещество с периодом полураспада 3,5 часа не является торием, но по своим свойствам немного напоминает актиний, а еще больше лантан. Кюри действительно вплотную подошла к гипотезе о делении ядер, но, к сожалению, не высказала ее достаточно ясно. Она писала, что этот элемент определенно не актиний, очень похож на лантан, «от которого может быть отделен только фракционным методом». Все же, по ее мнению, их можно было разделить. Причиной этого, возможно, было то, что Кюри получила смесь двух веществ; в этом случае, конечно, можно было осуществить отделение одной составной части от другой. Затем эту работу в свою очередь проделали Ган и Штрассман, которые обнаружили радиоактивные продукты, напоминавшие своим поведением актиний и отчасти радий. Примерно в то же самое время другие ученые были тоже близки к цели: Готфрид фон Дросте – физик, работавший с Лизе Мейтнер, попытался обнаружить, испускает ли уран после облучения его нейтронами ?-частицы с большой длиной пробега. Если бы он, подав смещение на усилитель, отсек тем самым обычные ?-частицы, то он бы, конечно, обнаружил явление деления ядер. К сожалению, вместо того чтобы использовать смещение, он применял фольгу, толщина которой была достаточной для того, чтобы через нее не прошло не только ?-излучение от урана, но и осколки деления; также не были найдены длиннопробежные ?-частицы, которые должны были бы появляться в случае образования изотопов радия и актиния. Позже Ган и Штрассман, тщательно исследовав химические свойства этого «радия», обнаружили его идентичность с барием. Плодотворный визит Именно с этого момента я активно включился в работу над этой проблемой. Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на рождество. Она жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я застал ее за завтраком. Она обдумывала письмо, только что полученное ею от Гана. Я был весьма скептически настроен относительно содержания письма, в котором сообщалось об образовании бария при облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность. Мы гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может проделать этот путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу прогулки мы уже могли сформулировать некоторые выводы: ядро не раскалывалось, и от него не отлетали куски, а это был процесс, скорее напоминавший капельную модель ядра Бора; подобно капле ядро могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким образом электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение, которое, как мне удалось установить, падает до нуля при Z = 100 и, возможно, весьма мало для урана. Лизе Мейтнер занималась определением энергии, выделяющейся при каждом распаде из-за дефекта массы. Она очень ясно представляла себе кривую дефекта масс. Оказалось, что за счет электростатического отталкивания элементы деления приобрели бы энергию около 200 МэВ, а это как раз соответствовало энергии, связанной с дефектом массы. Поэтому процесс мог идти чисто классически без привлечения понятия прохождения через потенциальный барьер, которое, конечно, оказалось бы тут бесполезным. Мы провели вместе два или три дня на рождество. Затем я вернулся в Копенгаген и едва успел сообщить Бору о нашей идее в тот самый момент, когда он уже садился на пароход, отправляющийся в США. Я помню, как он хлопнул себя по лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». Но он не заметил, и никто не заметил. Мы с Лизе Мейтнер написали статью. При этом мы постоянно поддерживали связь по междугородному телефону Копенгаген – Стокгольм. Я рассказал о наших соображениях Плачеку, находившемуся в Копенгагене, прежде чем решил ставить эксперимент. Сначала Плачек не верил, что эти тяжелые ядра, которые, как известно, испускают ?-частицы, могут быть подвержены еще одному типу распада. «Это звучит, – сказал он, – примерно так: человек попал под машину, а при вскрытии оказывается, что пострадавший и без того скончался бы через несколько дней, так как у него злокачественная опухоль». Затем он сказал: «Почему бы вам не провести контрольные эксперименты, используя камеру Вильсона?» У меня не было подходящей камеры Вильсона, а найти ее каким бы то ни было образом было трудно. Но я приспособил ионизационную камеру, с помощью которой можно было без труда экспериментально наблюдать большие импульсы, возникающие от ионизации, производимой осколками деления. Я не считаю, что хронологическая последовательность событий играет существенную роль; кроме того, я не хочу приписать себе особые умственные способности или же оригинальность мышления. Мне просто посчастливилось быть вместе с Лизе Мейтнер, когда она получила сообщение об открытии Гана и Штрассмана. Потребовалось некоторое напоминание извне для того, чтобы я провел решающий эксперимент 13 января. К этому времени наша совместная работа была почти написана. Я продержал ее еще три дня, дописал другую статью и отправил их вместе в «Nature» 16 января; они были опубликованы неделей позже. В первой статье я употребил слово «деление», предложенное мне американским биологом Уильямом А. Арнольдом, у которого я спросил, как размножаются клетки. Во второй статье содержалось предложение Лизе Мейтнер о том, что осколки деления, возникающие в результате облучения уранового образца, могут быть сосредоточены у его поверхности, а их активность можно измерить. Независимо эту же мысль высказал Жолио, который успешно провел эксперимент по проверке этой идеи 26 января. Приблизительно в то же время эти новости стали известны в США. К каким следствиям это привело, видно из статьи Уилера. Завершающий этап поисков Вернемся к моему первому вопросу: «Почему так долго не могли обнаружить деление?». Почему не был открыт раньше нейтрон? Резерфорд думал над тем, что такая частица может существовать. Он предсказывал некоторые ее свойства еще в своей Бейкерианской лекции, прочитанной в 1920 г. Однако Жолио не читал ее, считая, что в популярной лекции не может содержаться ничего нового. Когда Жолио и Кюри нашли, что при облучении парафина «бериллиевой радиацией» испускаются протоны, они приписали это некой разновидности комптон-эффекта очень жестких ?-лучей (с энергией около 50 МэВ), не считаясь с возражениями физиков-теоретиков. В конце концов нейтрон был открыт в Кембридже, где предполагали наличие такой частицы и искали ее. В 1932 г., когда был открыт нейтрон, с помощью импульсных усилителей и ионизационных камер можно было легко определить импульсы от осколков деления. Но это был бы слишком большой скачок в развитии наших представлений. Капельная модель ядра родилась позже. Бор предложил модель компаунд-ядра только в конце 1936 г. Надо было быть гением, чтобы тогда же предсказать деление, однако никто не смог этого сделать. Открытие искусственной радиоактивности в 1934 г. было опять-таки случайным, никто не искал его, за исключением Резерфорда, который тщетно искал ?-распад. Группа в Беркли просто закрыла глаза на «странное поведение» счетчиков. После открытия искусственной радиоактивности физики, как стадо овец, бросились повторять опыт с абсолютно очевидными вариациями (я сам также входил в это стадо). Только у Ферми хватило ума выбрать оригинальное и на редкость плодотворное направление. Но затем Ферми пошел по неправильному пути: он был уверен, что уран, подобно остальным тяжелым ядрам, покорно поглотит и замедлит нейтрон, падающий на него. Он сделал предположение, что образующиеся радиоактивные вещества будут отличаться от любого из известных элементов, расположенных близко к урану. Немецкий химик Ида Ноддак совершенно правильно указала, что они могут быть более легкими элементами. Однако ее замечания (опубликованные в журнале, который читают далеко не все химики и едва ли хоть кто-нибудь из физиков) были расценены как совершенно несущественные. Она не указала, как могут образоваться такие легкие элементы. Возможно, ее статья не оказала никакого влияния на более поздние работы. В конце концов все-таки химики нашли правильный путь. Ирэн Кюри и Павле Савич подошли очень близко в решению проблемы, и лишь наличие двух веществ, свойства которых, как нарочно, были почти одинаковыми, помешало им обнаружить деление урана прежде, чем Ган и Штрассман дали окончательный ответ на этот вопрос. Кембриджский университет, Великобритания Дж. Уилер Механизм деления ядер В первых числах января 1939 г. шведско-американский лайнер «Дротнингхольм» шел, пересекая бурное море, из Копенгагена в Нью-Йорк. На его борту находился Нильс Бор, который вез короткое сообщение, приведшее к тому, что центр ядерных исследований переместился из Европы, где в эти годы, совпавшие по времени с правлением Гитлера, были сделаны первые открытия в области ядерной физики, в США. Хотя проведение этих исследований привело к роковым последствиям как для США, так и для остального мира, сам процесс передачи этого конкретного сообщения был прост: несколько слов, сказанных Отто Фришем Нильсу Бору на пристани в Копенгагене, и несколько слов, сказанных в нью-йоркском порту Энрико Ферми и мне Нильсом Бором. На правах младшего участника всех событий, имевших место сразу же после этого и в последующие месяцы, я расскажу о той деятельности, которая привела к опубликованию в журнале «Physical Review» статьи, написанной Нильсом Бором и мной. В этой статье приводились некоторые мысли по поводу сообщения о делении ядер, была рассмотрена капельная модель ядра, которую Фриш применил для объяснения механизма деления и определения фактора упаковки, который учитывала Лизе Мейтнер, делая первые оценки энергии, освобождающейся при делении. В то время никому не удалось при рассмотрении этого нового процесса использовать все свои знания ядерной физики и правильно интерпретировать это явление. К счастью, уже появились основные идеи, без которых нельзя было найти решение этой проблемы. Пожалуй, здесь уместно будет напомнить, как развивалась ядерная физика в предшествовавшие шесть лет. Ключи к разгадке 1932 г. был плодотворным для многих физиков. В то время я только что получил докторскую степень. В этом году был открыт нейтрон и Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую статью, в которой предполагалось, что ядра состоят из нейтронов и протонов. Такие открытия позволяли надеяться, что скоро мы будем знать ядро так же хорошо, как атом. Эта воодушевляющая картина ободряла многих молодых людей и меня в их числе. 1933–1934 гг. я проработал у Грегори Брейта, который оказал на меня большое влияние. В эти дни как он, так и вся его группа интуитивно придерживались следующей модели ядра: нейтроны и протоны двигались в общем самосогласованном поле, аналогичном электрическому полю атома. Принятая нами модель была не только «недоработанной», она была во многом неясной. Ни один из нас, особенно Брейт с его осторожностью и проницательностью, не был ее догматическим приверженцем. Поэтому он всегда был готов считать, что в ядре могут находиться не только нейтроны и протоны, но и ?-частицы. Такую точку зрения, казалась, можно было применить при рассмотрении некоторых реакций. Брейт уделял особое внимание расширению исследований, минимально зависящих от модельных представлений. Поэтому многие работы нашей группы были посвящены проникновению в ядро заряженных частиц и изучению зависимости сечений ядерных реакций от энергии. Большое внимание было уделено рассмотрению процессов рассеяния на основе фазового анализа. По рекомендации Брейта я провел следующий год в Копенгагене в институте Нильса Бора. Здесь я приступил к изучению многих новых идей. По-моему, в ядерной физике в то время не было ничего более значительного, чем сообщение Мёллера, привезенное им весной 1935 г. после краткого визита в Рим на пасху. Он рассказывал об экспериментах Ферми с медленными нейтронами и об открытых им удивительных резонансах. Все проведенные ранее оценки показывали, что частица, проходящая через ядро, имеет чрезвычайно малую вероятность поглотиться ядром или потерять энергию на излучение, если считать верной принятую тогда модель ядра. Однако результаты опытов Ферми оказались диаметрально противоположными предсказаниям этой модели. Они установили наличие огромного сечения и резонансов, которые никак не удавалось объяснить. Понадобилось несколько недель для того, чтобы проанализировать основные, наиболее важные результаты этого открытия. Оно произвело на всех большое впечатление, но никто не был так заинтересован, как Бор, который всюду устраивал обсуждения и был самым активным участником дискуссий. Капельная модель ядра История создания капельной модели и модели составного ядра хорошо известна. Но менее ясно и далеко не очевидно, чем в то время эти идеи отличались друг от друга; основным содержанием модели составного ядра было предположение, что судьба составного ядра не зависит от механизма, приведшего к его образованию; капельная модель является, так сказать, частным случаем модели составного ядра, подтверждающим целесообразность такой модели. Бор предположил, что средняя длина свободного пробега нуклона мала по сравнению с размерами ядра, тогда как, согласно всем предыдущим оценкам, она должна была быть больше. Эта новая идея сделала капельную модель ядра чрезвычайно привлекательной. Никто, оглядываясь назад, не может даже с теперешней выигрышной позиции не выразить удивления по поводу «самой большой случайности в ядерной физике» – того обстоятельства, что средняя длина свободного пробега частиц в ядре оказалась ни чрезвычайно малой по сравнению с размерами ядра (предположение модели составного ядра), ни чрезмерно большой (как предполагалось в ранних моделях), а занимает промежуточное положение. Более того, все удивительные свойства физики ядра очень сильно зависят от величины этого параметра. Не так давно Оге Бор и Бен Моттельсон показали, что даже сколь угодно точное знание этого параметра не дает возможности определить тот из многих альтернативных режимов, по которому пойдет реакция. Только наблюдения могут ответить на этот вопрос. Имея так мало сведений об этих определяющих параметрах, как это было в 1935 г., и почти не подозревая об их высокой критичности, не оставалось ничего другого, как использование «на всю мощь» предположения о малости длины свободного пробега. В трудах Фрица Калькара и Нильса Бора 1935–1937 гг. капельная модель получила свое дальнейшее развитие. Они использовали ее для расчета целого ряда процессов. В этом случае основным является предположение о составном ядре, т. е. концепция о двух совершенно независимых стадиях ядерной реакции. На первой стадии частица, попавшая в ядро, переводит его в возбужденное состояние; затем ядро возвращается в основное состояние, испустив ?-квант, нейтрон, ?-частицу или при помощи какого-нибудь другого конкурирующего процесса. Бор привозит новости Сообщение Фриша, полученное Бором перед отъездом из Копенгагена, открыло перед ним новую область применения модели составного ядра. Ко времени своего приезда в Нью-Йорк Бор уже знал, что деление ядер является еще одним конкурирующим процессом наряду с переизлучением нейтрона и испусканием ?-лучей. Через четыре дня после приезда Бор с Розенфельдом окончили статью, в которой содержалась общая картина деления, для объяснения которого использовались понятия об образовании и распаде составного ядра. В течение нескольких месяцев Розенфельд совместно с Бором работал в Принстоне над проблемой измерений в квантовой электродинамике. За это время Бор прочел по этому вопросу не больше шести лекций. Тем не менее эта и многие другие проблемы отнимали у него много времени. Перед входом в его кабинет был вывешен длинный перечень неотложных дел и список лиц, с которыми надо что-то обсудить. При такой занятости легко понять радость Бора, когда он заходил в мой кабинет, чтобы поговорить о выполнявшейся в данное время работе. Мы пытались детально разобраться в механизме деления и для начала проанализировать потенциальный барьер, препятствующий делению, и выяснить, чем определяется его высота. Прежде всего нами было выдвинуто предположение о наличии порога или барьера. Как можно было согласовать существование барьера с моделью капли? Разве идеальная жидкость не может быть разделена на сколь угодно мелкие капли? Может ли энергия возбуждения, необходимая для того, чтобы ядро, находящееся в исходном состоянии, распалось на две части, быть произвольно малой? Ответить на эти вопросы нам помогло вариационное исчисление, теория максимумов, минимумов и критических точек. Достижения этой отрасли математики мы «осмотически» поглотили из окружающей нас среды, которая была наполнена в течение ряда лет идеями и результатами Мастона Морса. Стало ясно, что нами найдено конфигурационное пространство, совокупность точек которого описывает деформацию ядра. В этом конфигурационном пространстве можно определить различные траектории, идущие от основного состояния, когда ядро по своей форме близко к сфере, проходящие через барьер и приводящие к распавшемуся ядру. На каждой из этих траекторий энергия деформации достигает своего максимального значения. Величина максимума неодинакова для разных траекторий, образующих в этом пространстве особую точку типа «седла». Наименьший из этих максимумов определяет высоту седловой точки, т. е. порог деления или энергию активации при делении ядра. Пока мы оценивали высоту барьера и освобождавшуюся энергию для различных типов деления, приближался день открытия пятой ежегодной конференции по теоретической физике, которая должна была начаться в Вашингтоне 26 января. Бор чувствовал свою ответственность перед Фришем и Мейтнер и, как принято в научном мире, считал, что нельзя в настоящее время ни словом обмолвиться об их предположениях и успехах до тех пор, пока им самим не представится удобный случай для публикации. Несмотря на это, Розенфельд вначале не оценил всех затруднений и сложностей в позиции Бора. В день прибытия Бора в США Розенфельд выехал поездом в Принстон. (У Бора в этот день были некоторые дела в Нью-Йорке.) Сообщение о новом открытии, сделанное Розенфельдом в клубе журналистов (открытый по понедельникам вечерний клуб), вызвало всеобщее возбуждение. Исидор И. Раби, присутствовавший там, привез эти новости к себе в штат Колумбию, где Джон Даннинг решил немедленно поставить эксперимент. Тем не менее даже 26 января Бор не хотел говорить об открытии Фриша и Мейтнер до тех пор, пока не получил сообщение о том, что эти результаты уже опубликованы. К счастью, днем ему передали выпуск «Naturwissenschaften», в котором была работа Гана и Фрица Штрассмана; теперь он мог об этом говорить. Сразу же начались новые опыты. Сообщение о первом прямом доказательстве существования деления ядер появилось в газетах 29 января. Создание теории В основе анализа деления лежала капельная модель, которая возвращала Бора к его излюбленной теме. Первая студенческая работа Бора была посвящена экспериментальному исследованию неустойчивости водяной струи при дроблении ее на мелкие капли. Ему была хорошо известна работа Джона У. Стрэтта, третьего лорда Рэлея. Эта работа являлась отправной точкой для нашего анализа. Однако у нас получились члены более высокого порядка, чем в вычислениях Рэлея, поскольку мы не ограничивались чисто параболической частью ядерного потенциала, т. е. той частью, которая квадратично растет с увеличением деформации. Мы рассмотрели члены третьего порядка с целью определить точку максимума у потенциала. Это дало нам возможность оценить высоту потенциального барьера по крайней мере для тех ядер, заряд которых был достаточно близок к критическому значению, соответствующему немедленному делению. При этом нами было установлено, что вся проблема сводится к определению зависимости функции f от одной безразмерной переменной х. Этот «параметр делимости» определяется отношением квадрата заряда ядра к его массе. Величина этого параметра равна единице для неустойчивых ядер сферической формы. Для значений, близких к единице, пользуются разложением в степенной ряд около x = 1, что позволяет оценить высоту барьера. Действительно, вычисление первых двух членов разложения по степеням (1 ? x) дает высоту барьера. Можно проанализировать и противоположный предельный случай. В этом пределе заряд ядра так мал, что высота барьера почти целиком определяется силами поверхностного натяжения. Ролью кулоновских сил при распаде можно пренебречь. Эти два случая (разложение в степенной ряд около точек x = 0 и x = 1) весьма сильно отличаются друг от друга. Мы понимали, что потребуется очень большая работа для того, чтобы определить свойства потенциального барьера в промежуточной области. Поэтому мы просто ограничились интерполяцией между этими двумя предельными случаями. В течение последующих 28 лет во многих работах было проведено весьма большое число вычислений, определяющих топографию энергии деформации в конфигурационном пространстве. Мы пока еще далеки от завершения этого анализа. Здесь особенно интересно отметить ту осторожность, с которой Бор воспринял эту формулу. Он заходил к нам чуть ли не каждый день, и мы сидели, быть может, до полудня, пытаясь подойти к этому вопросу то с одной стороны, то с другой. Но его чрезвычайная осторожность проявилась особенно ярко, когда мы хотели определить число уровней в промежуточном состоянии. В наши дни эта величина носит название «числа каналов», и мы использовали ее в формуле для скорости деления, полученной с помощью теории многоканальных реакций. Кроме того, мы применили аналогичные соображения для описания других ядерных реакций. Но в то время мысль о том, что каждый отдельный канал может быть в принципе экспериментально наблюдаем, не казалась нам достаточно убедительной. Еще более сомнительным мы считали то, что каждый канал может характеризоваться своим отличным от других угловым распределением, из которого удастся определения ядер были весьма полезны. И только более поздние работы Бора помогли нам разобраться в этом вопросе. Процитируем фразу, в которой мы осторожно говорим о числе каналов: «Следует заметить, что специфические квантовомеханические эффекты, которые начинаются при энергии, меньшей или равной критической энергии деления, могут даже оказать свое влияние при энергиях, несколько больших критической, и вызвать слабые осцилляции в начале кривой выхода, что, возможно, допускает прямое определение числа каналов». Теперь-то мы знаем, что позже, в 50-х годах, эти отклонения были найдены Ламфером и Грином, а также другими авторами, и это привело к непосредственному измерению числа каналов. Торжество Бора Важнейшая часть принстонского периода деятельности Бора относится к тому времени, когда я не был непосредственно связан с Бором. Однажды снежным утром Бор шел пешком от Нассау-клуба до своего кабинета в Файн-Холле. После разговора за завтраком с Плачеком, который относился весьма скептически к соображениям о делении ядер, Бор с удвоенной энергией начал искать объяснения необычной зависимости сечения деления от энергии нейтрона. Во время прогулки он пришел к заключению, что деление U вызвано медленными нейтронами, а U – быстрыми. К моменту прихода в Файн-Холл, где собрались Плачек, Розенфельд и я, он был готов изложить эту идею на доске. Согласно предложенной им концепции, ядро U не испытывает деления как под действием тепловых нейтронов, так и при облучении нейтронами промежуточных энергий; эффективными оказывались нейтроны с энергией в миллион электронвольт или больше. Кроме того, наблюдавшееся при более низких энергиях деление происходило по той причине, что имеется U , а сечение захвата нейтрона в этой области энергий обратно пропорционально скорости (~1/v). Нам уже были известны экспериментальные данные о резонансном захвате нейтронов промежуточных энергий. С помощью простых соображений мы смогли показать, что к резонансным реакциям урана с нейтронами U не имеет никакого отношения. Мы пришли к такому заключению, так как было известно, что резонансное сечение превышает теоретический предел, равный квадрату длины волны, если U является ответственным за резонансный эффект. Таким образам, резонанс был обусловлен U , а сам по себе факт, что резонансные нейтроны не вызывают деления, доказывал, что U не мог делиться под действием нейтронов такой малой энергии. Таким образом, если деление не происходило при такой энергии, оно и подавно не произошло бы при более низких энергиях; следовательно, при низких энергиях происходило деление ядра U . Несколькими днями позже, 16 апреля, Плачек, Вигнер, Розенфельд, Бор, я и другие обсуждали вопрос о том, возможно ли создание ядерной взрывчатки. Мысли о возможности отделения U в то время казались столь преждевременными, что я не могу забыть слов Бора, сказанных по этому поводу: «Нужно мобилизовать силы всей страны, чтобы сделать бомбу». Он не мог предвидеть, что на самом деле для достижения этой цели понадобятся усилия тысяч людей, приехавших из трех стран. С помощью теории стало возможным предсказать в общих чертах зависимость сечения деления от энергии. Одновременно с нашей работой по созданию теории в пальмерской физической лаборатории Рудольф Лиденберг, Джеймс Кэннер, Гейнц Г. Баршалл и Ван-Вурис измерили сечение для урана и тория в области от 2 до 3 МэВ; оказалось, что поведение сечения следует предсказаниям теории. Безусловно, что те же самые соображения можно было использовать для предсказания о делении плутония-239. Этим особенно активно занимался Луис А. Тёрнер. Он положил начало направлению, неизбежно ведущему к гигантскому плутониевому проекту, хотя на первых порах он руководствовался только теоретическими оценками. Спонтанное деление являлось наиболее привлекательным приложением этих идей в сочетании с гипотезой о проникновении через потенциальный барьер. Другое приложение касалось разницы между быстрыми нейтронами и вторичными нейтронами. В заключение надо отметить, что деление ядра является процессом, отличным от всех других процессов, с которыми мы имели дело раньше в ядерной физике. Это отличие состоит в том, что в процессе деления превращение ядра носит коллективный характер. В этом смысле деление открыло дверь для развития в послевоенные годы коллективной модели ядра. Принстон, США Роберт Оппенгеймер Летающая трапеция Создание атомного оружия – это, пожалуй, одно из трагических событий в истории науки, когда фантастические по своей смелости и значению открытия обернулись созданием оружия, способного уничтожить всю человеческую цивилизацию. Aтомная бомба была впервые испытана в Нью-Мексико в июле 1945 года; позже Оппенгеймер вспоминал, что в тот момент ему пришли в голову слова из Бхагавадгиты: Если сияние тысячи солнц вспыхнуло бы в небе, это было бы подобно блеску Всемогущего – Я стал Смертью, уничтожителем Миров. 6 августа 1945 г. состоялось первое боевое применение ядерного оружия: бомбардировщик B-29 американской армейской авиации сбросил ядерную бомбу Little Boy (“Малыш”) на японский город Хиросима. Три дня спустя, 9 августа 1945, атомная бомба «Fat Man» («Толстяк») была сброшена на город Нагасаки. Это было последнее применение ядерного оружия в истории человечества. В своей речи перед коллегами, произнесённой 3 ноября 1945 года в Лос-Аламосе, на «родине» атомной бомбы, Оппенгеймер, с одной стороны, говорил о том, что создание ядерного оружия было «органически необходимо», а с другой – предупреждал об опасностях, которое оно несёт человечеству: Сегодня я хотел бы говорить с вами… как ваш коллега-ученый и человек, так же, как и вы, озабоченный той неприятной ситуацией, в которой мы оказались. …Если посмотреть на нынешнее положение в науке, то следует задуматься о том, чем руководствовались люди, приходившие сюда работать… Прежде всего была огромная тревога, что враг может разработать это оружие раньше нас, и сильное чувство, по крайней мере, поначалу, что без ядерного оружия победу одержать будет очень трудно или она отодвинется на невозможно, неимоверно долгое время. Эта тревога немного уменьшилась, когда стало ясно, что война будет выиграна в любом случае. Кем-то, как мне кажется, руководило любопытство, и это вполне понятно; других привлекал дух приключений, и это тоже абсолютно правильно. У третьих были политические аргументы: «Мы знаем, что ядерное оружие в принципе возможно, и несправедливо, если оно останется неоправданной возможностью. Мир должен знать, что можно сделать в этой сфере, и должен сделать это»… И наконец (и это тоже вполне справедливо), было чувство, что кроме Соединённых Штатов в мире нет другого места, где задания по разработке ядерного оружия с большей вероятностью были бы решены и было бы меньше шансов на поражение. Уверен, что все доводы, приводимые этими людьми, правда, и в тот или иной момент жизни я и сам все это говорил. Но если говорить о непосредственной причине – мы сделали эту работу потому, что она была органически необходима… Если вы учёный, вы верите, что открывать принципы мироустройства – благо, выяснять свойства реальности – благо, и благо обратить на пользу всего человечества величайшую силу из всех возможных, чтобы контролировать мир и руководить им в соответствии с человеческими идеалами и ценностями. …Нельзя быть учёным, если не верить, что познавать новое – это хорошо. Нельзя и невозможно быть учёным, если не считать высшей ценностью возможность делиться своими знаниями с каждым, кого они заинтересуют. Невозможно быть учёным, если не думать, что знания о мире и сила, которую они дают, – это неотъемлемое достояние цивилизации, и что вы используете их, чтобы помочь распространению знаний, и готовы принять все последствия. …Думаю, будет справедливо сказать, что атомное оружие – угроза каждому человеку, и в этом смысле это общая проблема, такая же общая, как проблема разгрома нацистов, стоявшая перед союзническими войсками. Думаю, для того, чтобы справиться с этой проблемой, необходимо полное ощущение общей ответственности. Не думаю, что люди начнут принимать участие в решении проблемы, если они не осознают способности сделать свой вклад. Думаю, это область, в которой осуществление совместной ответственности имеет определённые и бесспорные преимущества. Это новая область, где сами по себе новизна и специфические характеристики технических операций дают возможность установить общность интересов, которую можно практически считать экспериментальным образцом международного сотрудничества. Я говорю об этом как об экспериментальном образце, поскольку полностью очевидно: контроль за ядерным оружием не может быть единственной конечной целью подобной операции. Единственной конечной целью может быть объединённый мир, где нет места войне… Подобной цели нелегко достичь, и хочу разъяснить, какую это обещает огромную смену настроений. Есть вещи, которые мы ценим очень высоко и вполне справедливо; я бы сказал, что слово «демократия» среди них не на последнем месте. Много есть мест в мире, где нет демократии. Но есть и другие ценности. И когда я говорю о новом настроении в международных отношениях, я имею в виду, что даже при всей важности этих дорогих нам вещей, за которые американцы готовы отдать жизни, – при всей важности этих вещей мы осознаем, что есть что-то более глубокое. А именно: общая связь с другими людьми во всем мире. …Мы не только учёные, мы ещё и люди. Мы не можем забыть о том, что зависим от таких же людей, как мы… Это самые сильные связи в мире, более сильные, чем те, которые связывают нас друг с другом. Самые глубокие связи – те, которые связывают нас с такими же людьми, как мы. Из предисловия Уидденские чтения учреждены в 1954 году в память о бывшем ректоре Макмастерского университета, ныне покойном Говарде П. Уиддене (1871–1952), члене Канадского Королевского общества. Уидденские чтения имеют целью помочь студентам преодолеть барьеры, разделяющие факультеты в современном университете. Чтения не ограничиваются какой-либо общей тематикой. Седьмой цикл Уидденских чтений был проведен в январе 1962 года. Лекции были прочитаны выдающимся ученым доктором Юлиусом Робертом Оппенгеймером, директором Института высших научных исследований Принстонского университета (штат Нью-Джерси, США). Доктор Оппенгеймер, окончивший Гарвардский университет учившийся и преподававший в Кембриджском, Геттингенском, Лейденском, Цюрихском и многих других университетах как в США, так и в других странах мира, известен широкой общественности как бывший директор Лос-Аламосской научно-исследовательской лаборатории во время Второй мировой войны, а позднее как председатель общего консультативного комитета Комиссии по атомной энергии США. Лос-Аламосская лаборатория в значительной мере обязана своим успехом в военное время доктору Оппенгеймеру, который как руководитель умел вдохновлять своих сотрудников. Он не просто выдающийся ученый-физик в области атомной энергии. Большой гуманист, он проявляет глубокое беспокойство о будущности человека и о судьбе человечества. Это многосторонний ученый, обладающий глубокой культурой: в юности он изучал классические языки Древней Греции и Древнего Рима. Все, кто присутствовал на Уидденских чтениях 1962 года, согласятся с тем, что трудно представить более достойного лектора, чем доктор Оппенгеймер. Э. Т. Сэлмон, ректор университетского колледжа Макмастерского университета Май 1964 г. Введение Три лекции «Летающая трапеция: три кризиса в физике» читались профессором Оппенгеймером по конспективным наброскам и были застенографированы. Слушать их без волнения было невозможно. Поучительно было наблюдать, как время от времени профессор Оппенгеймер искал наиболее точное слово, приводил множество образных примеров, которыми он иллюстрировал каждую мысль. Когда я читал стенограмму, мне бросилось в глаза, что его яркая образная речь, столь ясная для слушателя, содержала множество сложных предложений, трудно воспринимаемых при чтении. Более того, анализ каждого из трех кризисов («Пространство и время», «Атом и поле», «Война и нации») никак не укладывался в рамки одной лекции. Поэтому профессор Оппенгеймер продолжал разговор по первой теме во время второй лекции, а по второй теме – во время третьей. Это вынуждало его повторять некоторые сведения и обобщать их. Представляется уместным в письменном изложении посвятить каждой теме определенную главу. По этой причине мне пришлось объединить некоторые вопросы, затронутые в конце лекции, с материалами следующей лекции. При этом я почти ничего не опустил, но кое-где изменил порядок некоторых абзацев. М. А. Престон, магистр искусств, доктор философии, член Канадского Королевского общества, профессор теоретической физики Макмастерского университета Пространство и время Нынешний век – великий век в области физики, век неожиданных, глубоких и волнующих открытий, которые, будучи применены на практике, в значительной мере изменили условия жизни человека. В течение нескольких последних лет достигнут огромный прогресс в понимании основных сторон жизни, и я убежден, что в предстоящие годы человечество гораздо больше, чем за весь период своего развития, узнает об удивительных функциях живых организмов, о самом человеке как о части природы. Мы, физики, в настоящее время все еще заняты чрезвычайно трудной борьбой за познание законов материи и ее природы. Я хочу говорить не об этом, а скорее о задачах, которые в какой-то мере решены, хотя вопросы, вытекающие из достижений более раннего периода нашего века, все еще открыты и все еще остаются нерешенными. В данной и следующей лекциях я буду говорить о расширении нашего понимания природы и об изменениях в этом понимании. В третьей лекции я затрону прежде всего вопрос об изменениях в положении человечества, которые были вызваны достижениями физики и других наук. В наше время наука играет первостепенную роль – и это его отличительная черта. Для него характерны чрезвычайно быстрые перемены и стремительный рост – рост науки, рост производительности, рост населения, рост масштабов передвижения и связи. Какие бы статистические показатели мы ни взяли, мы видим, что кривая резко идет вверх, проявляя тенденцию к удвоению за десять, двадцать или тридцать лет. В области точных и естественных наук это удвоение происходит примерно каждые десять лет, и можно привести ряд весьма показательных цифр, подтверждающих эту ситуацию. Вспомним, например, тех, кто посвящает свою жизнь изучению природы или практическому применению познанных явлений, т. е. тех, кого мы называем учеными, и мы увидим, что общее количество ученых, существовавших за всю историю человечества, довольно велико, но около 93 % из них живет и сегодня. Это говорит о чрезвычайно быстром росте числа людей, занимающихся наукой. У меня есть друг в Европе, который определил темпы роста одного американского журнала по фундаментальным физическим исследованиям. Он установил, что при существующем темпе роста вес томов этого журнала в будущем столетии превысит массу земного шара. Не так давно меня посетил ученый секретарь Академии наук СССР, который провел со мной целый день в Принстоне. По-моему, он занимает важный политический пост. Мы немного поговорили о расширении масштабов научной деятельности, к которой он имеет отношение как администратор. Я спросил, каковы, по его мнению, перспективы на дальнейший пятидесятилетний период после следующей пятилетки. Не задумываясь, он ответил: «К тому времени мы все станем учеными». Ужасный смысл сказанного дошел до него не сразу, но затем он добавил: «Ну, не совсем все». И все же, говоря о нынешнем веке как о веке науки, мне кажется, следует учитывать два соображения. Во-первых, на сегодняшний день у нас нет ясности относительно того диапазона проблем, который будет доступен науке. Мы не знаем, в какой мере человеческое поведение поддается объективному, часто неожиданному изучению, именуемому наукой. Таким образом, мы, возможно, живем сегодня в состоянии некоего несоответствия между уровнем наших знаний о физическом мире, зачатками познания живого мира и уровнем наших знаний о внутреннем мире человека. Я, однако, глубоко убежден в том, что те научные знания о человеке, которыми мы, возможно, будем обладать (а они столь незначительны сегодня), всегда останутся, так же как и наше знание физического мира, весьма и весьма неполными, а следовательно, научные достижения не всегда будут помогать осознанию нами необходимости жить и действовать в соответствии с традициями, здравым суждением и мудростью. Во-вторых, нам следует помнить, что по большей части нынешнее положение вещей является результатом не того, что мы познали, а того, как наши знания применяются в области техники. А это, в свою очередь, зависит от организации экономики и – в более ограниченной, но все же ощутимой мере – от нашей политической системы. Ни один из этих факторов не вытекает из науки, ни один не связан тесно с ней, так как, хотя развитие познания в значительной мере отвечает потребностям человека, оно все же не полностью обусловлено этими факторами. Например, наличие ужасных, не поддающихся лечению болезней, конечно, обусловливает широкое и интенсивное изучение проблем, могущих иметь к ним отношение. Проблемы подъема продуктивности сельскохозяйственного производства, проблемы технического развития и, пожалуй, в наибольшей степени проблемы военного значения способствуют оказанию энергичной и усиливающейся поддержки исследовательским работам. Но то, что выдающиеся научные открытия делаются не потому, что они полезны, а потому, что они оказались возможными, является глубокой и неоспоримой истиной. Например, в течение многих столетий делались попытки превратить ртуть в золото только потому, что это казалось весьма полезным. Эти попытки оказались тщетными. А мы нашли пути превращения ртути в золото, преследуя при этом совершенно другие цели. Я считаю, что наличие средств, идей или концепций, которые не всегда, но по большей части являются математическими, скорее, чем человеческие потребности, определит те великие изменения, которые произойдут в нашем представлении о мире. Зрелость в науке, по сути дела, – все, а зрелость есть способность творить новое и выдвигать новые мысли. Эта свобода выбора охватывает все поле деятельности. Нельзя вечно сидеть над неразрешимой проблемой. Можно сидеть над проблемой в течение очень долгого времени, и это может оказаться правильным. Но в конечном счете ученый будет руководствоваться не тем, что полезно узнать, а тем, что возможно узнать. Те, кто стоит далеко от науки, могут счесть подобный подход безответственным. Может показаться, что, создав столь потенциально вредную вещь, как ядерная бомба, нам следовало бы попытаться открыть нечто потенциально полезное, что помогло бы нам избавиться от нее. Действительно, нам следовало бы этим заняться. Но, скорее всего, наши мысли будут направлены на выполнение более легких дел, они будут нацелены на дела более близкие. И данный подход не есть безответственность. Он является характерной чертой того особого пути, который ведет к быстрому прогрессу в познании, так как часто необратимый процесс постижения происходит через установление ошибки. Доказав однажды ошибочность того или иного положения, мы к нему не возвращаемся, так как извлекли урок. «Прогресс», когда речь идет о морали и человеческих отношениях, – весьма расплывчатое понятие, несомненно, применимое к некоторым сторонам нашей жизни, хотя отнюдь не ко всем, но в науке он неизбежен. Прогресс равнозначен самому существованию науки. Две первые лекции посвящены именно тем случаям, когда твердо укоренившиеся ошибочные воззрения, несмотря на возмущение противников, были безжалостно исправлены, и исправлены таким образом, что повторение этих ошибок исключено. Более того, этот прогресс в познании природы коренным образом изменил не только наши представления о ней, но и некоторые наши представления о самих себе как об исследователях. Пользуясь старым любимым выражением Баттерфилда, можно сказать, что прогресс, так же как и революции позднего средневековья и семнадцатого века, изменил «мыслительный аппарат» людей. Я, возможно, ошибаюсь, но я разделяю вместе с моими коллегами или же с многими из них твердое убеждение в том, что этот опыт следует распространить за пределы ограниченных коллективов специалистов. Умение видеть, как наши мысли, слова и идеи могут быть ограничены недостатком знаний и опыта, – весьма ценное качество. Это в некотором смысле способствует улучшению морального состояния человека, а также доставляет ему удовольствие. Нам представляется, что это дает возможность воспрянуть человеческому духу, избавиться от провинциализма и узости. Например, достаточно вспомнить о том, что означало для нас, когда на протяжении последних столетий мы поняли, насколько культуры других народов могут отличаться от нашей собственной и все же действительно быть культурами! Прогресс такого рода возможен лишь потому, что он сочетает в себе две противоречивые черты. Одна из них характеризуется огромной тягой к приключениям. Она побуждает ученого искать новые явления и новые обстоятельства, побуждает его исследовать глубины космоса, «вгрызаться» в недра материи и делать множество вещей, которые уводят его от привычного человеческого опыта. Такова одна черта. Другая черта – приверженность к установившемуся порядку, нежелание отказаться от достигнутой как будто бы ясности, словом, своего рода консерватизм. Например, если даже ученый и готов переписать заново Ньютона, ему очень не хочется слишком далеко отходить от него. Хотя ученый вполне сознает, что все ранее сделанное в области физики – лишь частичная истина, он неистово отстаивает эту частичную истину. Ученый силен традицией, он придерживается традиции в описании нового опыта, придерживается до тех пор, пока, наконец, это станет невозможным, и лишь тогда он решительно порывает с ней. Многие из тех, кто способствовал переворотам в науке, впоследствии тяжело переживали то, что они вынуждены были совершить. Увлекавшийся небесными сферами Кеплер открыл эллиптические орбиты. Планк, который ввел ставшее знаменитым понятие о кванте действия, ввел тем самым в физику идею прерывности, что представлялось ему самому чрезвычайно странным и уродливым. Эйнштейн, который свыкся с теориями относительности[1 - Имеются в виду специальная и общая теории относительности. – Прим. ред.] и высказывал сожаления лишь по поводу весьма немногих аспектов этих теорий, также внес вклад в развитие квантовой теории. Он выдвинул идею световых квантов, но так и не смог до конца примириться с квантовой теорией, логически построенной на этой основе. Де Бройль, который открыл волны, связанные с материальными частицами, так и не мог примириться с истолкованием этих волн только как волн информации, а не как возмущений в материальной среде. Такие изменения навязываются физикам в какой-то степени вопреки их собственной воле потому, что они, как приверженцы определенных традиций, консервативны, и потому, что они в какой-то мере слишком авантюристичны. В течение нашей жизни мы не раз наблюдали ломку установившихся понятий и опыта. В таких случаях применяется ходячее выражение «пережить революцию во взглядах», но это не совсем верно, так как наши взгляды и опыт углублялись и изменялись, но полностью не отвергались. Я полагаю, что общее знакомство с такого рода явлениями и наличие такого опыта может оказаться полезным в разрешении человеческих проблем в условиях столь быстро меняющегося мира. Моя задача на сегодня и завтра строго ограничена. С одной стороны, часто считают, что без математических формул невозможно рассказать о существе открытий, в особенности в области физики. До некоторой степени это верно. По всей вероятности, эти открытия невозможно было бы сделать, не применяя математического аппарата, который дает возможность быстро, кратко и четко выразить присущий природе порядок. Поэтому неудивительно, что математика – неотъемлемая часть науки о природе. Математика – это необходимое условие логичности, и если мы и уверены в чем-то, так это в том, что природа может быть трудна для постижения, но она не бывает непоследовательна. (Только мы можем отличаться непоследовательностью.) Я, однако, полагаю, что можно дать некоторое представление о физических концепциях с помощью весьма несложного математического аппарата, которым я и намереваюсь ограничиться. Позвольте привести аналоги. Лучше увидеть «Гамлета» на сцене, конечно, в хорошем исполнении, нежели просто прочитать пьесу. Это произведение было написано для театра, а не для чтения в кабинете. И все же, если прочитать «Гамлета», можно, обладая некоторым воображением, при желании довольно хорошо почувствовать смысл пьесы. И я надеюсь, что вы, если не в ходе наших бесед, то по крайней мере при более благоприятных обстоятельствах в будущем, поймете, что хотя математика и помогает восприятию, она все же не абсолютно необходима для того, чтобы получить представление о некоторых фундаментальных открытиях современной физики. Во второй лекции я буду говорить о глубоких изменениях в нашем представлении относительно причинности, относительно детерминизма в природе, а больше всего о том, что мы подразумеваем и можем подразумевать под объективностью. Эти изменения оказались необходимыми для того, чтобы составить довольно точное представление об обычных свойствах материи, т. е. о тех свойствах, которые выявляются даже тогда, когда материю не подвергают мощному воздействию, осуществимому благодаря применению огромных ускорителей и существованию космических лучей. В данной же лекции мне хотелось бы коснуться некоторых изменений в представлениях о пространстве и времени. Обе эти темы являются вариациями проблемы о последовательности наших представлений о движении в пространстве и о том, что находится в пространстве, – о его поле или содержании. Квантовая теория – плод трудов многих ученых. Думаю, все согласятся с тем, что Нильс Бор был душой этой блестящей плеяды. С другой стороны, хотя понятия пространства и времени разрабатываются с давних времен, они были революционизированы одним ученым, жившим в нашем веке. Можно считать, хотя бы в отношении некоторых аспектов этой проблемы, что если бы не он, эта революция не произошла бы. Имя этого человека – Эйнштейн. Первая теория относительности, по крайней мере на Западе, была создана не в двадцатом веке. Она восходит к тринадцатому – началу четырнадцатого века и разрабатывалась парижской школой натурфилософов. Наиболее известные представители этой школы – Буридан и Орезме. Эта теория, безусловно, явилась этапом в развитии человеческой мысли. Для нее характерно то, что, относясь к области физики, она опиралась не на какие-нибудь усовершенствованные экспериментальные методы, а на здравый смысл и умение анализировать поведение вещей. Это было началом, без которого дальнейшее развитие науки почти немыслимо. Открытие заключалось в следующем: при анализе проблемы движения был сделан вывод, что равномерное движение, т. е. движение, при котором тело движется с постоянной скоростью, не требует какого-либо объяснения или установления причин, поскольку равномерное движение является естественным состоянием материи. Конечно, этот взгляд не соответствовал воззрениям схоластов; он не соответствовал точке зрения Аристотеля, который считал, что для того чтобы какой-то предмет двигался, на него надо оказывать постоянное воздействие. По мнению Аристотеля, единственным естественным состоянием является состояние покоя. Новое утверждение получило название теоремы толчка, которую мы сегодня называем теоремой количества движения. Смысл ее заключается в том, что равномерное движение тела не требует объяснения, а требует объяснения лишь изменение в импульсе тела, в его количестве движения. Этот взгляд, как вы знаете, представлял также точку зрения Галилея, и мы называем преобразование координат, которое подчеркивает беспричинный характер равномерного движения, преобразованием Галилея, хотя название было дано этому явлению без разрешения Галилея и без достаточных на то исторических оснований. Сущность преобразования в следующем: поскольку равномерное движение беспричинно, между равномерно движущимися телами существует взаимное сходство и при описании их можно использовать аналогию. Преобразование Галилея позволяет по координате x тела, находящегося в состоянии покоя в момент времени t, определить координату, время и скорость, наблюдаемые в системе, в которой указанное тело движется равномерно со скоростью v: х’ = х + vt, t’ = t. Представьте, что какое-то тело находится в состоянии покоя в точке x и вы смотрите на него в момент времени t. Теперь предположим, что вы движетесь по отношению к данному телу со скоростью v. Тогда координата тела будет x’, время же при этом не изменится, а любая скорость V, которая может появиться в первоначальной системе, появится как новая скорость V’ в новой системе, таким образом, что V’ = V + v. Это и есть инвариантность Галилея – и это есть просто здравый смысл. Отсюда следует, что если частица просто движется в некотором направлении, то координата ее увеличивается в силу того, что частица находится в движении, время же не меняется под влиянием скорости, а скорости суммируются. Эта теорема толчка, разумеется, и есть первый закон Ньютона. Ньютоновские законы движения гласят, что силы, создающие ускорения, инвариантны при таком простом преобразовании. Применяя законы Ньютона, невозможно отличить одно равномерное движение от другого. Они релятивистские в том смысле, что относительное движение можно наблюдать, – однако абсолютное движение, пока оно равномерно, т. е. пока оно происходит без ускорения, наблюдать невозможно. Начиная с Ньютона и до самого конца XIX века физики на основании этих законов построили чрезвычайно точную и красивую науку, охватывающую механику небесных тел Солнечной системы, теорию газов, поведение жидкостей, упругие колебания, звук, – они построили столь стройную и разнообразную, всеохватывающую и, видимо, всесильную систему, что дальнейшее развитие даже трудно было предвосхитить. Мне кажется, что единственное ясно выраженное сомнение относительно преобразования Галилея и механики Ньютона встретилось мне в труде Эйлера, написанном примерно за сто лет до появления теории относительности. Поскольку между фиксированной звездой и Землей имеет место относительное поперечное смещение, то звезда видна под углом, отличающимся от истинного направления. Эйлер установил, что при расчете данного отклонения в системе, связанной со звездой, и в системе, связанной с Землей, результаты не совпадали. В эксперименте разница была столь незначительна, что он не стал дальше рассуждать по этому поводу. Он лишь отметил наличие этой разницы. Но в начале XIX века и с нарастающим напряжением в течение этого столетия велись исследования в другой области физики. Эти исследования не касались вопросов движения тел под действием сил тяготения. Они касались свойств света и электромагнетизма. В отличие от сегодняшнего дня в то время не возникал вопрос, является ли гравитация силой, действующей на расстоянии, или же сила притяжения распространяется непосредственно от одного тела к другому. В то время не было (да и сегодня тоже нет) надежных экспериментальных данных для установления разницы между этими двумя положениями. В принципе имеются хорошие средства для решения этой проблемы, и мы полагаем, что ответ нам известен, но мы его еще не проверили на практике. Что же касается электромагнитных сил, то здесь положение совершенно иное. Мне думается, вы все наблюдали картину, которая получается, если на обычный стержневой магнит положить лист бумаги и насыпать железных опилок. При этом железные опилки создают совершенно определенный рисунок, образуя вокруг полюсов магнита линии, напоминающие параболы. Уже в первой половине XIX века Фарадей наблюдал это явление. Он полагал, что пространство вокруг магнита, хотя и свободное от материальных тел, обладает физическим свойством, а именно наличием магнитного поля – силой, воздействующей на магнит. В самом деле, мелкие железные опилки играют роль магнитиков. Поле оказывает на них свое воздействие, они реагируют на него и поле проявляется через них. Подобно этому при приближении к заряженному электричеством стержню или шару предмета, имеющего заряд того же знака, возникает противодействующая сила, которая отталкивает его. Однако при приближении предмета с противоположным зарядом возникает притягивающая сила. Эти явления имеют место, когда объекты не находятся в соприкосновении: они порождаются неким свойством, характеризующим пространство, которое окружает электрический заряд или магнит. Фарадей говорил о силовых линиях и трубках, об электрических и магнитных потенциалах (это слово употреблено не в техническом значении), существующих в пространстве. Фарадей считал, что эти поля оживляют пространство. Поля можно было измерить: можно было определить их направление и их силу. Они были столь же осязаемы, как и реальные предметы, но они существовали в вакууме. В самом деле, поля действительно существуют в вакууме. Наличие атмосферы не имеет к ним никакого отношения. Они видоизменяются при наличии материальных тел, если таковые там присутствуют, но в то же время они существуют и в отсутствие этих тел. Конечно, это чем-то напоминает пресловутый эфир, т. е. пустое пространство, обладающее определенными свойствами. Фарадей показал, что если быстро изменять магнитное поле, то появляется электрическое поле, а Максвелл теоретически доказал, что достаточно быстрое изменение электрического поля приводит к возникновению магнитного поля. Позже этот эффект получил подтверждение, хотя проверить его экспериментально значительно труднее, чем результат Фарадея. Действительно, Максвелл предсказал, что такого рода колебания поля, при которых электрическое и магнитное поля генерируют друг друга, могут свободно распространяться в отсутствие каких-либо зарядов и токов. Он произвел расчет скорости распространения колебаний и нашел, что она равна скорости света. Таким образом, это поле Фарадея «деятельно». Оно не просто сосредоточено вокруг зарядов и магнитных диполей, оно передает электромагнитные волны. Оно передает все волны, которые питают телевизоры, управляют ракетами и позволяют нам благодаря радио наслаждаться замечательными плодами нашей культуры. Это поле передает свет и тепло, многие формы излучений высокой энергии – проникающие излучения, которые играют большую роль в ядерной физике. (Реальность созданных человеком длинных электромагнитных волн была установлена Герцем в конце XIX века.) Это густо заселенное пространство, которое полно всяких электрических и магнитных явлений, следующим образом связано с движущимися частицами: если мы имеем заряженный предмет, то он, безусловно, реагирует на силу тяготения (это универсальная сила), но он также реагирует на электрические поля, а если он в движении – то и на магнитные поля. Этот предмет ощущает дополнительный импульс, так как электрическое поле толкает его в направлении поля, а магнитное поле толкает его под прямым углом к полю и к направлению его собственной скорости. Законы этих воздействий на заряды были уже довольно хорошо изучены в конце прошлого и в начале нынешнего века, во всяком случае в той мере, в какой они касались предметов, движущихся не с чрезмерно большими скоростями. Однако концепция Максвелла о распространении электромагнитных волн света и вся основа его теории, равно как и интуитивное представление Фарадея о пространстве, сплошь заполненном полями, не согласовывались со свойством инвариантности Галилея. Это следует из общих соображений, так как если пространство заполнено электрическими и магнитными полями, оно не обязательно должно представляться тем же самым для наблюдателя, который движется по отношению к нему. Говоря более точно (и это действительно вызывает своего рода недоумение), надо отметить, что в соответствии с теорией Максвелла скорость света есть нечто фиксированное. Полученный им результат очень близок к наблюдаемым данным. Но если я движусь относительно среды, заполненной полями, то я должен как будто применить формулу V’ = V + v, из которой вытекает, что скорость видимого мною света составляет сумму (или разность) скорости моего движения и скорости света в среде. Скорость видимого мною света может быть больше или меньше, в зависимости от того, приближаюсь ли я к источнику света или удаляюсь от него. Именно это мнение и господствовало в конце прошлого и в начале нашего века. Однако оно было опровергнуто многочисленными косвенными методами и одним прямым экспериментом, одним из великих и решающих экспериментов в истории науки. До того как эксперимент был проведен, представлялись возможными по крайней мере три альтернативы. Во первых, можно было предположить, что существует система, в которой имеются электрические и магнитные поля, описываемые уравнениями Максвелла и подчиняющиеся им в своем поведении, и эта система уникальная; к ней применимо понятие абсолютного покоя, а все, что движется по отношению к этой системе, имеет вследствие своего движения другое физическое поведение. Принять такую альтернативу значило отказаться от закона инвариантности, полностью отказаться от идеи относительности, т. е. от относительности равномерного движения. Во-вторых, можно было бы утверждать, что уравнения Максвелла, несмотря на то что они объясняют огромное множество явлений, в каком-то смысле неправильны, но сделать это было чрезвычайно трудно после полувекового успеха. В-третьих, можно было бы сказать: «Относительность существует, и Максвелл прав, но уравнения Галилея не описывают преобразования относительности». Никто этого не сделал, пока положение не стало действительно отчаянным. А положение стало отчаянным после проведения эксперимента Майкельсона – Морли. Готовясь к этим лекциям, я просмотрел записи лекций Эйнштейна, которое он читал в Принстоне в 1921 году. Говоря об эксперименте Майкельсона – Морли, он сказал, что считает результаты эксперимента известными его слушателям. Я подумал, что мне не следует поступать точно так же, как он, поскольку этот опыт был сделан довольно давно. Майкельсон измерил время, которое потребовалось свету, чтобы пройти небольшой путь туда и обратно в лаборатории. При этом он хотел проверить, будет ли получен один и тот же результат, если свет идет параллельно направлению движения Земли вокруг Солнца и перпендикулярно к нему. Ожидаемая разница должна быть чрезвычайно незначительной, и нужна была большая виртуозность, чтобы обнаружить ее. Майкельсон проделал указанный эксперимент, повторил его снова и снова. Приборы Майкельсона обладали достаточно высокой чувствительностью, чтобы измерить скорость движения Земли относительно эфира (если он существует), регистрируя изменение скорости света в зависимости от того, движется ли Земля в том или ином направлении по отношению к эфиру – среде, где сконцентрировано электромагнитное поле, – или вообще неподвижна по отношению к нему. Он получил нулевой результат. Это было столь неожиданным, что эксперимент повторялся на протяжении десятилетий со множеством усовершенствований и во многих вариантах. Надо ли говорить о травмирующем характере ответа! Таким образом, нельзя полагать, что скорость света зависит от скорости его источника. Нельзя сомневаться в правильности уравнений Максвелла во всех координатных системах. Нельзя также сомневаться в том, что преобразование Галилея не является точным описанием, это лишь приближённое описание того, что происходит, когда наблюдаемая система находится в состоянии равномерного движения по отношению к нам. Три человека нашли решение, но только один из них сразу же осознал весь его смысл. Этим человеком был Эйнштейн. Эйнштейн сказал: «Постараемся понять ситуацию, обусловленную тем, что мы не можем поддерживать связь со скоростью, превышающей скорость светового сигнала». Исходя из обычных эталонов, это довольно большая скорость (3 ? 10 см/сек). В нормальных условиях мы не заметим никакого ограничения. Наши велосипеды никуда от нас не убегут. Но эта скорость – конечная, что вносит большое изменение в концепцию. При отсутствии мгновенной связи и при необходимости сравнить информацию в двух различных пунктах следует принимать во внимание время, необходимое для того, чтобы сообщение пришло из одного пункта в другой и обратно. Например, пусть требуется синхронизировать двое часов, находящихся на большом расстоянии друг от друга. (Часы должны быть однотипными, желательно, чтобы они были «естественными», например «атомными», так как это гарантирует их идентичность.) Естественно было бы установить одни часы на среднее время между временем выхода сигнала с противоположного пункта и временем его получения после отражения. Понятие одновременности, которое интуитивно представляется чем-то таким, что не должно зависеть от какого-либо движения, вполне достоверно, когда предметы находятся в одной и той же точке пространства. Но это понятие перестает быть достоверным, если указанные предметы разделены большими расстояниями и если речь идет об относительных движениях со скоростями, приближающимися к скорости света. Отсюда вытекает, что если действительно нельзя посылать сигналы со скоростью, превышающей скорость света, и если представление о такой возможности физически противоречиво, то следует говорить об относительности понятия одновременности, т. е. о зависимости суждений об одновременности от скорости. Существуют также и другие физические эффекты, регистрируемые приборами, предназначенными для измерения времени и расстояния. Поясняю, что под словом «часы» я понимаю устройство, предназначенное для измерения с максимально возможной точностью определенных промежутков времени. Под словом «расстояние» я подразумеваю нечто, измеряемое линейкой, которая калибрована на основании дистанционного сравнения с эталоном метра, находящимся в Париже. Таким образом, часы и линейки являются физическими предметами. Чтобы не было противоречия с фактом существования предельной скорости, которая является не бесконечной, а конечной скоростью света (обычно обозначаемой с), необходимо отказаться от преобразования Галилея и заменить его новым преобразованием – преобразованием Лоренца, которое получило свое название по фамилии ученого, впервые выразившего его в математической форме. Это преобразование должно определять координату точки x и время t, если смотреть на эту точку из системы, движущейся равномерно с некоторой скоростью – v: Это чрезвычайно простое преобразование Лоренца; здесь v – относительная скорость обеих систем, а ? – некоторый коэффициент, близкий к единице, когда скорость v невелика по сравнению со скоростью света c, и становящийся бесконечным (тем самым определяя предел применения этих преобразований) по мере приближения величины v к скорости света c. Более того, это преобразование ясно показывает предельный характер скорости света. Итак, вы видите, что интервал длины в одной координатной системе окажется уменьшенным в отношении 1/? при наблюдении в движущейся относительно него координатной системе. Вы видите также, что в различных координатных системах часы будут показывать разное время, причем разница не только в масштабах, но зависит и от местонахождения часов. Вот в чем соль суждений об одновременности. Кроме того, длительность процесса t, измеренная в системе, в которой предмет находится в состоянии покоя, увеличивается, преобразуясь в величину ?t, если наблюдатель движется относительно данного предмета со скоростью V. Итак, движение сокращает отрезки длины и увеличивает промежутки времени; оба эти обстоятельства учтены в преобразовании Лоренца. Далее формула преобразования скорости V’ показывает, что если сложить две скорости, весьма близкие к скорости света, то все равно превысить скорость света не удастся; удастся лишь несколько приблизиться к ней. Это вполне последовательная система не позволяет рассуждать о свойствах относительного движения со скоростью, превышающей скорость света, но она показывает, как толковать поведение реальных часов, стержней, атомов и всего прочего. Указанные уравнения дают инвариантное описание физических явлений, описание, не зависящее от характера относительного равномерного движения, одинаково пригодное как для одной системы, так и для другой. Этот формализм придает новое выражение старой теме Буридана, утверждавшего, что равномерное движение не требует причины; однако теперь с установлением совершенно новой закономерности, которую нельзя было предвидеть на основе обычного опыта и в соответствии с которой движение предметов со скоростью, превышающей скорость света, невозможно, получается, что аналогом бесконечной скорости является скорость конечная. Если принять эту точку зрения, то, естественно, возникает вопрос, остаются ли инвариантными не только уравнения электромагнитного поля Максвелла, но и уравнения движения заряженных и нейтральных частиц, имеют ли они все одинаковое содержание, независимо от системы координат, в которой мы описываем явления, при условии, что речь идет только о равномерном движении. Разумеется, так мы поступаем, рассуждая и о самых обычных вещах. Если, например, в задаче имеется полная симметрия, без выделения какого-либо направления, то нам наверняка захочется рассуждать таким образом, чтобы сохранить эту симметрию в нашем описании; если в пространстве нет ничего, что делало бы одну точку отличной от другой, то нам захочется дать такое описание, которое было бы одинаково верным как в городе Чикаго, так и в городе Гамильтоне[2 - Город Гамильтон находится в Канаде. – Прим. перев.]. Подобно этому, в данном случае нам хотелось бы получить описание, которое было бы в равной мере верным независимо от относительной скорости рассматриваемых предметов или от того, что делает наблюдатель в момент наблюдения за этими предметами. Такое предположение было сделано и относительно уравнений механики, и сразу же стало понятно, что уравнения Ньютона неверны. Это ясно a priori, так как если ускорение пропорционально силе и обратно пропорционально массе, то нет никаких причин для того, чтобы не достигнуть скорости, превышающей скорость света. Следовательно, что-то мешает этим силам быть столь эффективными, указывая на то, что масса тела фактически не постоянна. В самом деле, если теоретическая механика должна согласовываться с требованием постоянства скорости света и относительности в этом ограниченном смысле, то масса тела должна следующим образом увеличиваться с возрастанием скорости: Здесь m — масса покоящегося тела, а m – масса тела, движущегося со скоростью V. Это и есть источник плодотворных размышлений Эйнштейна, так как если масса тела растет вместе со скоростью, то возрастает и его кинетическая энергия. Закон изменения кинетической энергии определяется соотношением ?? = c ?m Здесь ?T – изменение кинетической энергии, а ?m – соответствующее изменение массы. Поскольку общее количество энергии в системе не исчезает и не увеличивается, а сохраняется, то соображения относительно изменения кинетической энергии справедливы и для всех видов энергии вообще; следовательно, изменение энергии и изменение массы взаимосвязаны, причем изменение энергии равно изменению массы, умноженной на квадрат скорости света. Этот случай было бы неплохо пояснить математически, что сэкономило бы время; но это есть прямое и неизбежное следствие чисто кинематических связей, которые я выразил письменно с помощью преобразования Лоренца. Еще один важный момент заключается в том, что это преобразование в гораздо большей степени выражает взаимосвязь понятий пространства и времени, нежели преобразование Галилея. До известного предела нельзя считать пространство и время взаимозаменяемыми. Они различны по присущему им характеру. Часы есть часы, а линейка есть линейка. Линейкой нельзя измерять время, а часами нельзя измерять координаты. Но и то и другое меняется при относительном движении. Разумеется, вы не ограничены только прямолинейным движением относительно исследуемого предмета, вы можете повернуться или переместиться в иную точку пространства. Весь комплекс движений, как то: вращение, параллельный перенос (выбор иного начала координат, т. е. иной исходной точки), а также равномерное движение в каком-либо направлении – все это вместе составляет замкнутое множество операций, образующих группу Лоренца. С помощью указанных операций нельзя преобразовать какой-либо пространственный интервал во временной и наоборот. Однако с их помощью можно изменить «направление» пространственного отрезка и придать ему некое временное качество. То же можно проделать и с временными отрезками. Эта система – специальная теория относительности, – которая правильно предсказывает поведение стержней и часов при движении, стала абсолютно всепроникающей чертой физики. Она используется буквально во всех областях ядерной физики, во многих областях атомной физики и во всех областях физики, изучающих элементарные частицы. Эта теория проверялась и перепроверялась многими различными способами. Она представляет собой богатейшую часть нашего научного наследия. Например, многие частицы, создаваемые в атмосфере космическими лучами, неустойчивы. Им присуща естественная тенденция распадаться с превращением в другие частицы. Но при чрезвычайно быстром движении частиц скорость распада уменьшается. Соответствующее правило выражается следующим простым образом: где ? — скорость распада, когда частицы находятся в состояния покоя, а ?’ — скорость распада при движении частиц со скоростью V. Это явление можно наблюдать, и оно весьма наглядно. Мы еще не наблюдали случаев, чтобы люди оставались молодыми, однако мы наблюдаем миллиарды нестареющих частиц. Еще один момент, который несколько выпадает из хронологического порядка. Я уже упоминал о вращениях, параллельных переносах и равномерных движениях, входящих в группу Лоренца, но есть и еще одна часть группы Лоренца, которая не столь просто связана с этими операциями. Вращая правую руку, нельзя превратить ее в левую. Добиться того, чтобы одна рука была конгруэнтна другой, можно только с помощью зеркального отображения. Можно попытаться вертеть руками туда и сюда, но превратить с помощью вращения одну руку в другую невозможно. Можно было бы подумать, что если вращение не вызывает никакой физической разницы, то и зеркальное отражение также ее не вызовет: если пространство столь изотропно, что в нем нет никакого выделенного направления, то не будет иметь никакого значения, является что-то правым или левым. Оба расположения, казалось бы, равновероятны, и все дело только в случайном характере асимметрии человека. В этот закон инвариантности верили по крайней мере лет тридцать. Было обнаружено множество блестящих примеров, позволяющих классифицировать состояния атомных и ядерных систем в зависимости от того, оставались ли они неизменными в результате зеркального отражения или же в результате такого отражения их знак менялся. В обоих случаях можно было сказать, что при любом допустимом в физике движении или явлении зеркальное отображение также возможно. Если можно сделать так, чтобы вращалось колесо и при этом стрелка была направлена вверх, то можно оставить колесо вращающимся в том же направлении, но изменить лишь направление стрелки, а это будет зеркальным отображением. Такие вещи существуют в физике. В самом деле, нейтрино является ярким примером этого. Лишь несколько лет тому назад возникло сомнение в том, что любая система в природе обязательно имеет зеркальное отображение, лишь бы оно было совместимо с законами природы. Сомнения эти вызывали столь большое беспокойство и были столь глубокими, что Ли и Янг решили провести специальное исследование и обнаружили, что в случае определенного класса очень слабых сил и очень медленных реакций это правило фактически не получает экспериментального подтверждения. И они, вернее, не они, а их друзья, поставили эксперименты и установили, что в этом конкретном проявлении природа отдает решительное предпочтение правым, а не левым системам, но в других случаях она отдает предпочтение обратным системам. Это очень странно и чрезвычайно неожиданно, но возможно лишь потому, что нельзя с помощью вращения или параллельного переноса получить зеркальное отображение. Теперь мы более или менее убеждены в том, что если какая-либо конфигурация возможна, то возможно и зеркальное отображение при условии полной замены положительных зарядов на отрицательные и наоборот и обратного движения во времени. Но это единственное, что нам твердо известно. Теория относительности вторглась во все области физики. Хотелось бы подчеркнуть, что весьма странные вещи, кажущиеся нередко парадоксальными, которые нашли свое воплощение в специальной теории относительности, на самом деле не являются парадоксальными в том смысле, что их нельзя толковать как противоречия между различными экспериментами. Они не находятся в противоречии с природой, однако вносят большое изменение в те воззрения, которые сложились за минувшие столетия как у ученых, так и у рядовых людей, воззрения, ставшие для них привычными за всю историю человеческой мысли. То, что свет движется со скоростью, которую нельзя ни увеличить, ни уменьшить путем перемещения источника света, что предметы сокращаются, когда они находятся в движении, что процессы, происходящие во время движения, замедляются, в особенности если движение происходит при скоростях, близких к скорости света, – все это составляет новые элементы картины природы. Теория же относительности придала согласованность и осмысленность связям между этими явлениями. Такие сокращения предметов и замедления событий, конечно, взаимны, и это несколько парадоксально. Довольно трудно себе представить, что если движущийся относительно вас объем материи сплющивается в направлении своего движения, то и себя вы должны увидеть сплющенным, случись вам оказаться связанным с этим объемом материи и посмотреть на себя из исходного положения; тем не менее это так; то же относится и ко времени. Это и есть сущность парадокса близнецов. Верно и то, что при изменении массы может произойти соответствующее чудовищное изменение энергии. Знание этого одновременно и обнадеживает, и настораживает нас. Нельзя быть уверенным в том, что по мере вторжения в миры чрезвычайно малых размеров (я имею в виду не обычные атомные размеры, а размеры в несколько миллионов раз меньше) мы сможем точно представить себе, что означает утверждение: «Ничто не может двигаться быстрее света». Мы, однако, убеждены, что ставим под сомнение не то, что не может быть скорости, превышающей скорость света, а так называемое понятие «ничто». Нам не совсем ясно, что означает «ничто» в этой области. Сейчас я подхожу к обобщению теории относительности, которая охватывает обширную область, начиная с вопросов неравномерных движений и кончая вопросами природы тяготения. Общая теория относительности весьма непохожа на любую другую часть физики и, как я уже говорил, является чем-то таким, что мы, возможно, начали бы постигать только сейчас, если бы Эйнштейн не сделал этого более сорока лет тому назад. Частично это является следствием того, что гравитация, по сравнению с электричеством, – чрезвычайно слабая сила, которая может проявляться только тогда, когда речь идет о довольно больших телах, таких как Земля, Солнце, и даже меньших телах, но не о телах, соизмеримых с атомом. Поэтому экспериментальное изучение гравитационных явлений представляет труднодоступную задачу, так как объекты исследования слишком велики, чтобы ими можно было свободно манипулировать. Можно было бы предположить, что гравитация подобна электричеству в том смысле, что она создает в вакууме поля, которые можно измерять и которые распространяются со скоростью света. В какой-то мере это верно, но тут есть два огромных различия. Первое заключается в следующем: одноименные заряды отталкиваются, в то время как любые массы притягивают друг друга. Это уже означает, что сущность данных явлений не может быть одной и той же. Другое различие состоит в том, что гравитация – явление универсальное; все тела подчиняются одним и тем же закономерностям, когда на них действует лишь одна сила тяжести; об этом говорит принцип эквивалентности, сформулированный Галилеем. Однако если вы попытаетесь разработать теорию тяготения, подобную, насколько возможно, теории электричества или теории магнетизма (а такие попытки предпринимались только в течение последнего года или двух), то окажется, что в противоположность строго предопределяемым эффектам воздействия равномерного движения на результаты измерения влияние гравитационных полей на поведение линеек и часов является более сложным и глубоким. Если вести эти исследования и дальше, то неизбежно будут сделаны два вывода, свидетельствующие, что тяготение существенным образом отличается от электричества и магнетизма. Во-первых, в результате воздействия тяготения на стержни и часы измеряемое ими пространство, которое на небольшом протяжении и в течение короткого времени всегда кажется плоским, на большом протяжении оказывается искривленным, подобно поверхности двухмерного яйца. Кривизна пространства может изменяться от точки к точке и сама является выражением гравитационных воздействий, происходящих в данном пространстве. И во-вторых, поскольку поле тяготения, так же как и электромагнитное поле, обладает потенциальной энергией и поскольку тяготение создается любой массой, а следовательно, любой энергией, тяготение создает тяготение и гравитационные поля не являются линейными в том смысле, что, если имеется две гравитационные волны, эффект одной не просто накладывается на эффект другой, а эти волны взаимодействуют. Точно так же, если вокруг Солнца имеется гравитационная волна и гравитационное поле, они взаимодействуют. Ко всем этим выводам можно прийти довольно банальным путем – на основании аналогии с электричеством и магнетизмом. Подход же Эйнштейна был совершенно иным. Он изучал вопрос с двух точек зрения. Во-первых, с точки зрения единообразия движения в гравитационном поле, что привело его к возможности геометрического толкования явления. Во-вторых, с точки зрения того, что принцип относительности в философском аспекте не следует ограничивать рамками равномерного движения. Если вокруг нет ничего, как можно установить, происходит ускорение или нет? Это можно определить только в сравнении с чем-то, что не имеет ускорения. Но ведь известно, что ускоренное движение отличается от равномерного, поскольку последнее мы не чувствуем, в то время как ускорение ощущается нами, а кроме того, различные явления реагируют на него. Эйнштейн обнаружил, что равномерное ускорение во всех своих физических проявлениях есть абсолютно то же самое, что и однородное гравитационное поле. Это еще один из принципов эквивалентности. Поэтому Эйнштейн пришел к мысли, что проблема изучения неравномерных движений и проблема объяснения гравитации взаимосвязаны и даже идентичны. Если вы движетесь в некотором свободном от каких-либо объектов пространстве, вы не можете сказать, как велика ваша скорость, покуда не сравните свое движение с каким-либо другим телом, например с Землей, Солнцем или звездами. При движении же рывками, с ускорением и замедлением, можно даже при задвинутых шторах, без каких-либо ориентиров определить, что что-то происходит, и даже измерить происходящие изменения. Поэтому нельзя говорить об относительном характере движения вообще, движения по кругу, движения с ускорениями и замедлениями, движения рывками в железнодорожном вагоне, так как внутри движущегося предмета (железнодорожного вагона, лифта или ракеты) можно ощущать толчки, тягу, повороты, рывки и т. п., а также измерять все это с помощью приборов. Можно было бы сказать, что относительное равномерное движение в самом деле относительно, что ни один закон природы не должен оказывать предпочтения одному виду такого движения в ущерб другому, но ускоренные движения, хотя бы те, которые имеют место в нашей части Вселенной, не относительны, так как рывки нами явно ощущаются. Тем не менее теория Эйнштейна об ускоренном движении называется общей теорией относительности. Этот термин неудачен. Теорию Эйнштейна скорее следовало бы назвать общей теорией неотносительности, если бы не один ключевой момент чрезвычайной важности, который хотя и был ранее известен, был осознан и выдвинут на первый план только Эйнштейном. Находясь в ящике, из которого невозможно выглянуть, в котором можно делать лишь внутренние измерения, человек, ощущающий равномерное ускорение, не может определить, вызвано ли это ускорение прямым воздействием на ящик какой-либо силы или же указанное ощущение вызвано однородным гравитационным полем. Проще всего это подтверждается свободным падением, во время которого можно заметить, что ни тяготение, ни ускорение не ощущаются. На самом же деле и ускорение, и гравитационное поле налицо, но они взаимно аннулируют друг друга. Не следует это проверять, выпрыгивая из окна, но если человек часто летает на самолетах, то он может оказаться в подобном положении. Поэтому Эйнштейн пришел к выводу, что изучать движение более общего характера можно только с учетом явлений гравитации. Надо сказать, что этот принцип (т. е. то, что гравитационные поля и ускорения в значительной мере эквивалентны) часто называется принципом эквивалентности. Он тесно связан с принципом Галилея, гласящим, что если действуют исключительно гравитационные силы, то все тела движутся одинаковым образом. Если бы принцип Галилея был иным, нельзя было бы заменить гравитацию ускорением, которое для всех тел явно одинаково. В формулировке Эйнштейна теория гравитации и теория общего движения неразрывно связаны. Но эту проблему можно, кажется, решить более прямым путем, и в последние годы был разработан менее блистательный метод. Можно предполагать, что гравитационные силы, так же как и электромагнитные, являются дальнодействующими силами, влияние которых медленно ослабляется по мере увеличения расстояния. Отсюда вытекает, что теорию гравитации, естественно, следует строить по аналогии с интуитивными представлениями Фарадея и уравнениями Максвелла, описывающими явление электромагнетизма, поведение электромагнитных волн, а также поля вокруг магнитов и зарядов. Однако с самого начала необходимо учитывать один немаловажный факт, определяющий различие между этими явлениями, а именно: в то время как одноименные заряды отталкиваются, любые массы взаимно притягиваются. С учетом всего сказанного можно получить результат, который воспроизводит теорию тяготения Ньютона для не слишком сильных полей (а в мире, возможно, вообще не существует сильных гравитационных полей), которые, кроме того, не слишком быстро меняются во времени, так что вопрос о конечности скорости света не играет никакой роли. Такая теория включает оба принципа эквивалентности, как принцип Галилея, так и принцип Эйнштейна. Помимо того, из нее вытекают некоторые интересные физические следствия, которые также были предсказаны Эйнштейном. Например, обе теории предсказывают, что при падении света в гравитационном поле он становится более синим, так как частота увеличивается, а длина волны уменьшается и свет из красного превращается в синий. Недавно в Гарвардском университете был проведен чрезвычайно точный и, по-моему, очень изящный эксперимент. Во время этого эксперимента свет свободно падал с третьего этажа здания физического факультета в подвал. Можно было наблюдать степень увеличения голубизны света, которая соответствовала относительному изменению длины волны на 10 , что не так уж много. Кроме того, как и предвидел Эйнштейн и как ранее предполагалось другими учеными, свет при прохождении через гравитационное поле вблизи Солнца или вблизи какой-либо звезды отклоняется. Наконец, и это важнее всего, если еще дальше развивать аналогию между гравитацией и электромагнетизмом, окажется, что между ними существует одно очень большое и глубокое различие. Чтобы объяснить причину этого различия, потребуется не так уж мало писать на доске. Однако чтобы понять, в чем заключается суть различия, много писать, по-моему, не придется. Я буду применять слово «пространство» для обозначения четырехмерного многообразия, состоящего из привычного трехмерного мира, к которому добавлено четвертое измерение – время; последнее нельзя полностью и безоговорочно отделять от пространственных интервалов, поскольку эти понятия взаимосвязаны, как мы уже выяснили при рассмотрении равномерного движения. При исследовании пространства с помощью простых линеек и часов оказывается, что это реальное пространство не есть пространство Евклида, это не есть пространство геометров-классиков, поскольку оно имеет некую структуру и некие присущие ей искажения. Это не есть пространство, которое изображается на бумаге и измеряется при помощи линейки. Весьма трудно представить, по крайней мере мне, четырехмерные континуумы, в особенности если одно из измерений не расстояние, а время. Но можно ведь представить обычную двухмерную плоскость и предположить, что четырехмерный континуум – аналогичная математическая абстракция, которая легко поддается математическому описанию, но которую визуально представить себе намного труднее. То, о чем мы говорим, не есть аналог плоской поверхности, а аналог чего-то имеющего своеобразно изогнутую форму. Локально, в пределах небольших размеров любая искривленная поверхность, если у нее нет хребта, ровная и выглядит как плоскость. Но если по ней пройти некоторое расстояние, то присущее пространству искажение начинает явственно выступать. Например, сумма углов треугольника не составит развернутый угол (180°), и теорема Пифагора не будет правильной. Кроме того, здесь возникнут многие геометрические осложнения. В достаточно сильном и неупорядоченном гравитационном поле такого рода искажения выражаются в характере пространства и времени, и их даже можно обнаружить путем конкретных измерений. Отсюда вытекает, что, если принять гравитационную аналогию электромагнетизма, можно прийти к результатам, подобных которым нет в электромагнетизме. И если внимательно к ним присмотреться, можно обнаружить, что это и есть теория Эйнштейна или же что-то весьма близкое и подобное теории Эйнштейна. Но сорок пять лет назад Эйнштейн шел не этим путем. Он разработал свое описание гравитации на основе нескольких довольно общих идей. Одна из них – это идея о том, что силы гравитации определяются материей и находят свое выражение в геометрии пространства – времени. Каковы же определяющие свойства материи? Конечно, не цвет, а те свойства, которые явно относятся к ее массе, энергии, импульсу или инерции, и другие, связанные с этими характеристики, дающие вместе целостное представление о материи. В данном случае я бы добавил, что электричество и магнетизм, поскольку они обладают энергией, также дают свой вклад в гравитационные поля. Другой важный момент заключается в том, что неотъемлемые свойства геометрии целиком определяют силы гравитации, которые действуют на тела. Мы употребили термин «неотъемлемые», чтобы подчеркнуть, что нас не интересует вопрос о геометрической интерпретации в терминах пространственных координат; нас интересует вопрос о тех свойствах, которые определяют структуру пространства – времени. Таким образом, с одной стороны, «неотъемлемая» геометрия определяется распределением материи, а с другой – реакция материи на тяготение целиком определяется геометрией. В самом деле, материальное тело в пространстве – времени движется по наиболее «прямой» линии, определяемой характером геометрии. Из этих двух основных моментов и исходил Эйнштейн, но они не привели его ни к чему определенному. Кроме того, Эйнштейн рассмотрел те предельные случаи, для которых ему был известен правильный ответ. Один из них – теория тяготения Ньютона, которая, как я уже сказал, верна для не слишком сильных полей, если последние не подвергаются со временем слишком большим изменениям. Второй случай соответствует утверждению, что пространство и время в пределах достаточно малой области должны быть плоскими и в этой области справедливы преобразования Лоренца специальной теории относительности. Это и есть четыре элемента, так называемые четыре постулата Эйнштейна. Пятый постулат, который никто никогда не сможет истолковать, состоит в том, что теория должна быть простой. В этом случае я бы сказал, мы стоим перед тем фактом, что лишь изобретя правильную систему обозначений и исходя из правильных математических идей, можно сделать вывод о простоте или сложности той или иной теории. После долгих мучений и многих лет безуспешных попыток, т. е. после многих лет, в течение которых изложенные мною идеи физики стали уже ясными, Эйнштейн наконец натолкнулся на раздел математики, созданный другими учеными, который явился идеальным средством для изложения на бумаге вопросов гравитации и общей теории относительности[3 - Этим разделом математики является тензорный анализ. – Прим. ред.]. И все те, кто сегодня тщетно пытается придать этой теории более прозаический характер, не могут не восхищаться богатством воображения, смелостью и красотой того, что сделал Эйнштейн. Что же касается правильности или ошибочности его теории – это уже другой вопрос. Она, безусловно, правильна во всех тех частностях, о которых я говорил. Но пока что имеется очень немного экспериментальных данных, подтверждающих специфические черты этой теории, черты, которые не имеют ничего общего ни с электромагнитной теорией, ни с плоской пространственно-временной структурой, ни с теорией Ньютона. Мы, быть может, долго ждали того, что мы уже узнали, но я не встречал ни одного физика, который бы не считал, что в действительности теория Эйнштейна родилась все-таки на основании замечательных догадок. Однако нет никаких данных, которые опровергли бы эту теорию. Таким образом, проблема пространства – времени еще не завершена. Я не беру на себя смелость говорить о том, что будет дальше, но ясно, что нерешенные вопросы есть еще в двух крайних областях. Одна из них касается масштаба того огромного, что охватывает все, что мы видим в телескопы и слышим с помощью радиотелескопов. Имеются в виду расстояния, превышающие пять – десять миллиардов световых лет, которые сейчас являются пределом. Мы видим, что Вселенная стремительно расширяется; мы еще не установили в деталях ее пространственную структуру. Вопрос о том, является ли пространство (сейчас я не говорю о времени) конечным или бесконечным, полностью открыт, так как ответа на него сегодня нет, да и вряд ли будет в ближайшем будущем. Эйнштейн считал, что пространство конечно, но это было потому, что он считал все устойчивым и статичным. Изучая пространство, мы видим, что характерной особенностью является движение; чем глубже мы заглядываем, тем больше возникает новых вопросов, тем стремительнее удаляются от нас объекты; и мы не в состоянии ответить, прекратится ли этот процесс или будет длиться вечно, и есть ли предел тому расстоянию, которое мы можем наблюдать. Другая область – это еще один нерешенный вопрос, о котором я уже упоминал. Дело в том, что когда мы переходим к весьма малым размерам (я имею в виду не размеры атомов и даже ядер, а размеры тех объектов, из которых они состоят), то нельзя с точностью установить, до какого предела возможно различать близлежащие точки в пространстве и времени и в какой мере разделение таких точек имеет смысл. Но скажу одно. Здесь дело не в искривлении пространства, ибо в этом случае гравитация представляет силу, которой вполне можно пренебречь; кроме того, предполагается, что скорость света и в этом случае является конечным пределом, ограничивающим скорость распространения всех физических возмущений или сигналов. Исходя из этого предположения, можно сделать далеко идущие выводы, и по сей день ни один из этих выводов не был опровергнут опытом, являющимся одним из могучих орудий современной физики. Атом и поле Моя сегодняшняя лекция посвящена квантовой теории, которая берет начало от двух параллельных и даже взаимно дополняющих друг друга исторических источников. Первый из них – это свойства электромагнитного излучения (но не те, которые имеют значение для теории относительности), второй – стремление познать структуру атома. Говоря о структуре атома, я имею в виду атомы, с которыми имеет дело химик или специалист в области спектроскопии, а не атомы, с которыми имеет дело физик, работающий на гигантском ускорителе. Второе направление также представляет интерес, но фактически оно возникло в течение последних десятилетий и как следует не разработано, тогда как квантовая теория приобрела почти законченный вид еще тридцать пять лет назад. Касаясь вопроса об электромагнитном излучении, следует прежде всего еще раз несколько подробнее остановиться на том, что переменное магнитное поле создает электрическое поле, переменное же электрическое поле генерирует магнитное, и этот процесс перекачки порождает электромагнитные волны. Эти волны обладают весьма важными, глубокими, хотя и несколько абстрактными свойствами, которые являются общими для всех других явлений, именуемых физиками волновыми процессами. Всякая электромагнитная волна характеризуется векторами электрической и магнитной напряженности, которые колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях; в частности, они могут совершать периодические во времени колебания, принимая то положительное, то отрицательное направление и обращаясь в нуль при переходе от одного к другому; эти векторы могут колебаться в противоположных фазах, так что когда напряженность электрического поля равна нулю, напряженность магнитного поля максимальна, и наоборот; и все это движется со скоростью света в направлении, перпендикулярном к напряженности как электрического, так и магнитного полей. Это один из видов электромагнитных волн, рассмотрением которых мы и ограничимся. Рис. 1 Волна характеризуется тремя параметрами: длиной волны ?, частотой колебаний v и скоростью распространения c. Длина волны измеряется расстоянием между двумя соседними максимумами вектора электрической напряженности. Частота определяется скоростью изменения электрического поля в данной точке со временем. Произведение этих двух величин есть скорость распространения волны, равная для электромагнитной волны скорости света, так что c = ?v. Можно определить длину и частоту любой волны, например звуковой волны или волны, образующейся на поверхности воды. Произведение этих величин тоже определяет скорость волны, т. е. соответственно скорость звука и скорость движения гребня волны, распространяющейся в воде. Важное свойство любого волнового процесса, будь то распространение электромагнитных волн, распространение звука, колебание водной поверхности (в последнем случае особенно легко наблюдать явление, о котором идет речь ниже), заключается в следующем. Если две волны перекрываются в некоторой области пространства и времени, то они взаимодействуют и соответствующие возмущения складываются. Например, напряженность электрического поля, обусловленного двумя электромагнитными волнами, равна сумме напряженностей электрических полей каждой волны в отдельности. То же относится и к напряженности магнитного поля. Это означает, что при наложении двух волн электрические поля могут либо складываться (рис. 2, б), либо гасить друг друга (рис. 2, а) в зависимости от взаимного расположения волн. Весьма важно отметить, что интенсивность света или электромагнитного излучения, переносимая ими энергия и многие количественные характеристики вызываемых ими эффектов пропорциональны не напряженности электрического поля, а квадрату напряженности. Рис. 2 Глядя на рис. 2, вы видите, что волны при интерференции могут складываться, в результате чего амплитуда волны удваивается (рис. 2, б) и, следовательно, учетверяется ее интенсивность; но волны могут также и гасить друг друга, как показано на рис. 2, а, где одна волна с достаточно большой положительно амплитудой полностью гасится другой, с такой же по величине, но отрицательной амплитудой. Таковы общие свойства волн, которые я считал нужным изложить, и сделал это, надеюсь, не совсем необоснованно. На них мы будем ссылаться в течение всей сегодняшней лекции. Следует помнить, что эти свойства характерны для всех видов волн: волн на поверхности воды, звуковых и всех электромагнитных, в том числе самых длинных радиоволн, используемых для радиопередач, микроволн, тепловых, световых, ультрафиолетовых, рентгеновских, вплоть до самых высокочастотных, которые могут вообще существовать. Одно из следствий этого свойства волн заключается в том, что световые волны от разных источников могут интерферировать. Для иллюстрации приведу лишь два примера. К одному из них мы еще вернемся. Рис. 3 На рис. 3 показаны источник S – диафрагма с очень узкими щелями – и выходящие из этих щелей расходящиеся световые волны. Кривые линии обозначают гребни световых волн: в точках совпадения гребней свет особенно интенсивен, а в точках совпадения гребня со впадиной волны света нет вообще. Таким образом, наличие этих двух отверстий создает чередование ярких и затемненных областей, явление, которому нельзя было бы дать объяснения, рассматривая распространение света от каждой щели в отдельности, и которое характеризуется длиной волны и расстоянием между щелями. Если бы было много щелей, расположенных на одном и том же расстоянии друг от друга, свет распространялся бы от них в определенных направлениях, определяемых соотношением между длиной волны и расстоянием, разделяющем щели. Такой набор щелей называется решеткой. Сотни экспериментов показали, насколько изящно можно объяснить явления распространения света, такие как отражение, прохождение через щели, дифракция на решетке и дисперсия, с помощью простых представлений об интерференции световых волн. До сегодняшнего дня не возникает ни малейшего сомнения в правильности такого описания. К нему прибегают всякий раз при проектировании радиолокационной антенны, а также при анализе вопросов электромагнитного излучения и его распространения вблизи различных объектов. Свет или радиоволны от различных зазоров сходятся, причем результирующая интенсивность зависит от разности фаз взаимодействующих волн. В этом аспекте волны являются абстрактными в том смысле, что движение материи отсутствует и нет никакого движущегося эфира. В то же время эти волны конкретны, поскольку существуют электрические и магнитные поля, те самые, о которых столько мечтал Фарадей, поля, поддающиеся измерению. Гребень каждой волны соответствует значению максимальной напряженности электрического поля в определенный момент времени, а каждая впадина – значению максимальной напряженности магнитного поля в каждый момент времени. (Проводить такие измерения для световых волн чрезвычайно утомительно, но когда речь идет о длинных радиоволнах, то дело сводится к довольно простому эксперименту, который хотя многому и не научит, но зато подтвердит здравость вашего ума.) Но вот на рубеже прошлого и нынешнего веков этой гармоничной картине природы электромагнитного излучения был нанесен сильный удар, после которого она уже не смогла приобрести прежний вид. Чтобы объяснить случившееся, лучше было бы вообще не касаться истории, но я расскажу, как открыл это Планк. В газе, состоящем из молекул, каждая молекула в среднем обладает одной и той же энергией, которая является мерой температуры газа. Если вы имеете электромагнитное поле в некотором замкнутом объеме, то может показаться, что волна данной длины должна обладать примерно той же энергией, как и любая другая, и эта энергия пропорциональна температуре материи, образующей замкнутое пространство и излучающей указанные волны. Уже с первого взгляда это представляется абсурдным, поскольку согласно теории относительности не существует предельной длины волны, ибо достаточно сесть в скорый поезд – и волны станут короче. Следовательно, в любом ограниченном объеме пространства тепловое равновесие между материей и излучением может наступить только при бесконечно большом содержании энергии. Энергия попросту будет выкачиваться из материи, пока все не станет абсолютно холодным, поскольку вся энергия будет передана электромагнитному полю[4 - Так как электромагнитное поле является одной из форм материи, под словом «материя» следует понимать «вещество». – Прим. ред.]. Как известно, это не соответствует истине. В поисках объяснения Планк воспользовался следующими известными ему фактами. Он знал, что для электромагнитных волн чрезвычайно низких частот закономерность, согласно которой все электромагнитные волны в замкнутом пространстве обладают одинаковой энергией, соответствует истине. Он знал также, что, когда дело касается чрезвычайно высоких частот, имеет место совершенно иное явление; при этом энергия, которой обладает волна, равна энергии, которая была бы необходима для образования так называемого кванта энергии, характеризуемого величиной hv. Планк ввел постоянную h, чтобы связать оба изученных режима. С тех пор она известна под названием постоянной Планка. Как видите, эта постоянная такова, что, будучи умножена на частоту, она дает величину энергии. Называемая также квантом действия, она будет встречаться снова и снова, являясь как бы эмблемой атомной физики. Планк получил формулу, которая примирила противоречия, возникавшие ранее при описании свойств равновесного излучения в замкнутом пространстве, а также довольно точно определил величину введенной им постоянной. Но при этом ему пришлось исходить из возможного, но формального предположения, что свет излучается не непрерывно, подобно волне, а в виде отдельных порций энергии, кратных частоте и равных hv. Он не верил в эту возможность и в течение многих лет пытался вывести свою формулу без такого сенсационного предположения, которое полностью противоречило представлению о свете как о волне. Ведь согласно его гипотезе свет не мог излучаться подобно радиоволнам, возбуждаемым, например, при движении зарядов; процесс испускания света должен был сопровождаться излучением порций энергии; а если отсутствует возможность излучения такого количества энергии, то ничего не происходит; если же излучение энергии возможно – происходит испускание кванта света, и если существуют условия для многократного повторения процесса, то это и происходит многократно. Естественно было думать, что Планк мог допустить ошибку в таком сложном, запутанном, имеющем статистический характер вопросе; и он сам долгие годы упорно надеялся, что так оно и есть. Но в этом он был неправ. Его надежде был нанесен тяжкий удар, когда в год создания специальной теории относительности Эйнштейном была написана еще одна работа, которая оказалась даже более ошеломляющей. Эта работа очень тесно связана с открытием Планка. Если направить на металлическую поверхность не слишком красный свет, то электроны, находящиеся в металле, будут вылетать из него. В лаборатории было открыто довольно странное явление: если, например, удвоить интенсивность света, то это повлияет не на скорость электронов, а на их число. Конечно, если мыслить свет как электромагнитную волну, интенсивность которой возрастает, то можно ожидать, что на электроны будет оказано более сильное воздействие. Однако ничего подобного не происходит. Энергия электронов не зависит от интенсивности света, а связана с его частотой и постоянной Планка весьма простым соотношением E = hv ? В. Здесь световая энергия hv – та же энергия, которую Планк ввел пятью годами раньше; Е – кинетическая энергия вырванного из металла электрона; величина В не является фундаментальной и равна той работе, которую необходимо затратить, чтобы выбить электрон из металла. Эта формула получила очень точное и изящное подтверждение. И Эйнштейн сказал: «Это решает дело. Совершенно очевидно, что существуют кванты энергии света». Свет поглощается порциями, кратными hv, после чего энергия просто уносится электроном, – а это и есть объяснение формулы. Но это открытие, разумеется, не упразднило опыт, накопленный за целое столетие изучения волновых явлений. С помощью интерферометров, призм, микроскопов и радиоволн ученые продолжали изучать свет как явление распространения волн. С другой стороны, возникло представление о прерывной структуре света, о световой частице (по крайней мере по отношению к явлениям поглощения и излучения света), и от этого нельзя было отмахнуться. Более того, оно даже подтвердилось экспериментами с чрезвычайно жестким излучением, а именно с рентгеновским. В самом деле, сталкиваясь с электронами, рентгеновское излучение ведет себя так, как если бы у него была энергия, определяемая соотношением E = hv, и импульс p = h/?, равный той же самой постоянной h, деленной на длину волны. Таким образом, наблюдалось, что при столкновении с электроном свет ведет себя как частица, которая обладает импульсом и энергией, связанными этими простыми соотношениями с его частотой и длиной волны; эти соотношения, в свою очередь, согласуются с правилами взаимосвязи энергии и количества движения электромагнитной волны, но, включая постоянную h, подразумевают дискретную передачу энергии и импульса электрону при соударении с ним света. Указанный эксперимент, получивший название эффекта Комптона, привел в 1923 году к решающему заключению о двойственной природе света. Вполне возможно, что во всем этом так и не удалось бы сразу разобраться, если бы не возник еще один столь же загадочный аспект; в данном случае речь пойдет не о непосредственном поведении света, а о поведении материи в масштабе атома. Позвольте напомнить вам, что в самом конце прошлого века Томсон открыл универсальную составляющую обычной материи – электрон, несущий отрицательный заряд. По сравнению с атомом он очень легок, его масса приблизительно в две тысячи раз меньше массы самого легкого атома – атома водорода. Заряд его равен единице, которая присуща исключительно атомному миру. Томсон правильно предположил, что число электронов в атоме связано с его химическими свойствами и его местом в периодической системе. Таким образом, атом водорода обладает одним электроном, атом гелия – двумя, а атом урана – девяносто двумя. Томсон знал, что атомы нейтральны, но не знал, где находится нейтрализующий положительный заряд. Тогда он предположил, что заряд, вероятно, распределен по всему объему атома, т. е. по сфере диаметром в одну сотую часть миллионной доли сантиметра. Такова была томсоновская модель атома. Она не вызывала никаких вопросов, поскольку была довольно неопределенной, и особенно спорить о ней было бесполезно. Но Томсону удалось доказать, что некоторые закономерности (местоположение определенных чисел и наличие периодов), которые встречаются в периодической системе, вытекают из этой модели. Однако модель просуществовала недолго, так как работа Резерфорда, начатая в Макгилле и продолженная в Манчестере, была наконец успешно завершена. Резерфорд доказал, что положительный заряд не распределен по всему объему атома. И сделал он это блестяще. Изучая естественную радиоактивность урана, радия и других тяжелых элементов, он уточнил их родственные связи, определив, какие химические элементы получаются в результате естественного распада тех или других элементов, и установил последовательность процессов распада. Он выделил три типа радиоактивности: излучение тяжелых частиц с положительным зарядом, являющихся ядрами гелия, – он назвал их альфа-частицами; излучение легких отрицательно заряженных частиц, т. е. электронов; и, наконец, излучение нейтральных частиц, которые оказались световыми квантами очень высокой частоты. Вначале он только предполагал, что альфа-частицы – это ядра гелия, но его интересовал вопрос, как ведут себя эти частицы при прохождении через вещество. Оказалось, они вели себя не так, как если бы положительный заряд был равномерно размазан по всему объему атома, внутри которого распределены чрезвычайно легкие электроны, согласно томсоновской модели. В таком случае не было бы столь большой силы, которая могла отклонить альфа-частицы, поскольку распределенный заряд не может иметь достаточное количество сконцентрированного электричества, а электроны обладают слишком малой массой для того, чтобы они могли «играть в мяч» альфа-частицей, которая в семь тысяч раз тяжелее их. Резерфорд установил, что альфа-частицы хотя и не часто, но регулярно отклонялись на большой угол, и отсюда сделал вывод, что положительный заряд сконцентрирован в некотором малом объеме; точнее, он сконцентрирован вместе с основной массой атома в области более чем в десять тысяч раз меньшей по размерам, чем сам атом. Так он открыл атомное ядро, которое несет положительный заряд, определяющий химические и основные физические свойства атома. Это была захватывающая история, но она явилась только началом действительно очень больших загадок. Представьте себе самый простой по своей структуре атом – атом водорода. Он обладает протоном, единственной ядерной частицей в центре, несущей единичный положительный заряд, а также электроном, и вместе они образуют систему с четко определенными размерами. Этот размер является стандартным, радиус атома в обычных условиях остается неизменным. При бомбардировке атом водорода излучает совершенно определенный спектр. Ни одно из этих свойств нельзя было понять на основе ньютоновских представлений о движении и о взаимодействии заряженных частиц, так как Резерфорд доказал, что поле вблизи протона является электрическим. Это поле по форме является точным подобием гравитационного поля вокруг Солнца; силы уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния. Все силы направлены к протону, поскольку в данном случае это силы притяжения, ибо электрон и протон несут противоположные заряды. Следовательно, это опять та же проблема планетарного движения. Однако нам известно, что планетарные движения бывают в той или иной степени различными: планеты описывают любые эллипсы в любой плоскости с любым эксцентриситетом и любых размеров. Поэтому весьма странно, что все атомы водорода имеют одинаковый размер и ведут себя одинаково. С точки зрения классической физики невозможно объяснить, почему один атом водорода не должен отличаться от любого другого по размеру, форме и поведению. Более того, хотя я подробно не говорил об этом, известно, что заряженная частица, описывающая круговую или эллиптическую орбиту, испытывает ускорение, а ускоряемая заряженная частица излучает световые волны и поэтому теряет энергию. Однако атом водорода, если только он не подвергается бомбардировке, может годами и столетиями пребывать в неизменном состоянии. Он не теряет энергии, а электрон не приближается по спирали к ядру, чтобы окончательно в нем исчезнуть. И наконец, законы, определяющие цвет света, излучаемого при движении по такой классической орбите, хотя и несколько сложнее законов, определяющих звуковые частоты скрипичной струны, но все же по форме напоминают их. Поэтому должна бы существовать основная частота, определяемая периодом вращения электрона по орбите, а также обертоны или гармоники, т. е. частоты, кратные основной; наблюдаемые же в атомном спектре (включая водород) частоты не являются ни гармониками, ни суммой целых кратных основной частоты, а скорее сложными сочетаниями разностей между числами, которые не соотносятся гармонично. Конкретно все наблюдаемые частоты можно представить соотношением V = v – v , где V и V – два числа некоторой последовательности v , v , v … Для водорода эти числа были найдены Бальмером, а вообще каждый атом характеризуется своим набором подобных чисел. Другими словами, уникальность атомных систем (что труднее доказать для атома с 92 электронами, но тем не менее это остается верным), выраженная в законе испускания света при возбуждении, стабильность этих систем и единообразие их размера никак не вытекали из каких-либо данных, известных физике в то время. Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=43455149&lfrom=334617187) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом. notes Примечания 1 Имеются в виду специальная и общая теории относительности. – Прим. ред. 2 Город Гамильтон находится в Канаде. – Прим. перев. 3 Этим разделом математики является тензорный анализ. – Прим. ред. 4 Так как электромагнитное поле является одной из форм материи, под словом «материя» следует понимать «вещество». – Прим. ред.
КУПИТЬ И СКАЧАТЬ ЗА: 219.00 руб.