Новый золотой листок, тонкий, вибри­рующий, не хотел прилаживаться к стерженьку старого элек-|| троскопа

Вид материала

Документы

Содержание 35 Д. Данин 545

Подобный материал:

• Старая сказка о Золотой рыбке на новый лад, 47.62kb.
• Лек­ция №2 элек­Т­ричес­кие сиг­НА­лы ин­ТЕ­граль­ных ми­К­РО­схем, 64.56kb.
• Этот старый Новый год!, 113.66kb.
• На маршруте «От Николая до Иордана» новогодний тур для детей и взрослых восточный экспресс, 106.11kb.
• * Законный представитель, 30.63kb.
• Изо­бре­те­ние элек­три­че­ской свар­ки, 31.46kb.
• Московский новый юридический институт мировая экономика контрольные вопросы по курсу, 55.8kb.
• Листок нетрудоспособности. Заполняем новый бланк проверка заполнения больничного листка, 216.67kb.
• Новый год в индии: золотой треугольник + гоа, 215.15kb.
• Сказки "золотой клетки", 811.87kb.

542

Об этом до сих пор ничего не рассказали мемуаристы, и Дирак пока еще воспоминаний не публиковал. Но вот в чем нельзя усомниться: Резерфорд, безусловно, должен был вспомнить, как шестью годами раньше, в мае 1922 года, у него у самого был случай поговорить о возможном существовании положи­тельного электрона.

Он тогда читал очередную кельвиновскую лекцию инжене­рам-электрикам, и ему захотелось объяснить им, отчего носи­телю единичного положительного заряда — водородному яд­ру — было отказано в чести именоваться положительным элек­троном, а придумано было для него новое слово — протон:

Следовало принять априори, что позитивный электрон должен был бы быть двойником отрицательного электро-. на и иметь ту же самую малую массу. Не было, однако, ни малейших намеков на существование такого двойника.

Но поскольку можно было возразить, что носитель положительного электричества с массой гораздо мень­шей, чем у ядра водорода, быть может, будет еще от­крыт, казалось нежелательным ставить под сомнение эту возможность присвоением имени позитивного электрона водородному ядру.

Ну, а так как крестным отцом протона, обсуждавшим эту дилемму, был он сам, Резерфорд, то однозначно ясно, что ви­дение позитрона посещало его задолго до теоретического пред­сказания Дирака. И настолько реальным было это видение, что вот ведь даже имя было зарезервировано для него в ожи­дании дня, когда оно явится во плоти.

Поэтому легко представить, что остаться равнодушным к «игре в символы» на этот раз сэру Эрнсту было много труд­нее, чем когда-либо прежде. Воображению рисуется вспышка его бурного одобрения. И воображать эту вспышку тем инте­ресней, что о Дираке известно: он сам пребывал в сильнейшем смущении оттого, что, безусловно доверяя своей логике, должен был утверждать возможное существование не только антиэлек­тронов, но и антипротонов, антиатомов, а там и антимиров...

Резерфорд мог шумно радоваться, что его вещное чувство реальности теперь вправе было опереться на бесплотный минус в формуле смятенного теоретика. (Вот только радовался ли он этому в действительности, к сожалению, неизвестно.)

В том же 28-м году случилось в Кавендише еще и другое событие, уже наверняка понудившее Резерфорда оставить, на­конец, позицию над схваткой.

Квантовая механика прорыла туннель к атомному ядру.

543

Однажды — было это на первом году его президентства в Королевском обществе — он написал старому манчестерцу Дьердю Хевеши:

Чадвик и я работаем над рассеянием альфа-частиц и надеемся вскоре опубликовать интересные результаты. Я хочу узнать об атомном ядре немножко больше, преж­де чем совсем отойду от настоящей работы.

Была в этих словах его всегдашняя ненасытимая жадность, но прослушивалось и чго-то новое: пожалуй, отголосок глубоко запрятанной усталости. Или смиренного понимания, что ему уже не открыть и не постигнуть всего, что хотелось бы. Сна­чала уходит время посева, потом уходит время жатвы. Не в том только дело, что с годами все больше сил и сосредоточенности будет отнимать у него «ненастоящая работа», а в том еще — и не это ли главное? — что сами наши силы и наша сосре­доточенность суть убывающие функции времени. Словом, это звучало грустно: «Я хочу узнать немножко больше, прежде чем...»

Вся надежда его была по-прежнему на рассеяние альфа-ча­стиц: от картин рассеяния ожидал он желанной информации об устройстве ядер. Создание более мощной атомной артиллерии еще продолжало оставаться делом неясного будущего. Новое пока врывалось лишь в методы регистрации альфа-снарядов и осколков разбитых ядер.

Методу сцинцилляций, как заслуженному ветерану, уже готовилась почетная отставка. И была ирония истории в том, что только под конец своей блистательной карьеры он, этот метод, удостоился и сам пристального изучения. В самом деле, ведь никто еще не выяснял причин его эффективности! Никто не мог бы точно сказать, а что, собственно, светится на экра­не из сернистого цинка? Какая доля энергии альфа-частицы превращается в энергию этого свечения? И какова- чувстви­тельность глаза при общепринятых условиях счета? Сколько квантов он видит?

С благословения Резерфорда ответы на эти вопросы искал молодой его рисёрч-стьюдент из Ленинграда Юлий Харитон, работавший в Кавендише как раз в ту пору — с осени 26-го по осень 28-го года. В содружестве с молодым канадцем Ли и с помощью препаратов Кроу эти ответы Харитон получил. Выяснилось, между прочим, что каждая сцинцилляция — акт свечения не отдельного атома, как думал некогда Резерфорд, а целого кристалла. И было доказано, что нижний порог чув-

544

ствительности глаза — 30 квантов зеленого света, а после хо­рошей тренировки — 20...

Эта работа дала Харитону — впоследствии выдающемуся атомнику — неоценимый опыт тонкого экспериментирования, снискала ему живейшую симпатию Резерфорда и принесла зва­ние доктора философии Кембриджского университета. Но дни сцинцилляционного метода были уже сочтены. Как рассказы­вает Коккрофт, в разных отдаленных углах и подвалах лабо­ратории кавендишевец Винн-Вильямс и его помощники уже собирали в то время первые усилительные схемы автоматиче­ского счета заряженных частиц. На ядерную физику начинала работать электроника тех лет. Харитон и Ли как бы напи­сали впрок прекрасную эпитафию эпохе, когда безденежные кавендишевцы, натренировав свои глаза на 20 квантов, могли уверенно рассчитывать на приработок у Чадвика.

Однако от этого не становились менее обнадеживающими попытки узнать об атомном ядре «немножко больше» именно по картинам рассеяния альфа-частиц. Напротив, теперь эти кар­тины обещали давать более точную информацию.

Беда была в другом: накапливались факты, но не росло •понимание. И это-то заставило Резерфорда написать грустную фразу в письме к Хевеши.

...Не второстепенности ускользали от понимания, а самое главное. «Большие трудности возникают в тот момент, когда мы задаемся вопросом, почему ядро атома держится как нечто целое...» — говорил Резерфорд в одной из лекций 27-го года. И пояснял, что силы взаимного отталкиванья одинаково за­ряженных частиц, огромные на ничтожных внутриядерных рас­стояниях, должны были бы по закону Кулона разрывать ядро на куски.

, Надо было допустить, что в ядрах действуют по своим законам какие-то еще силы неэлектрического характера — мощные силы притяжения. Стоя непреодолимым потенциаль­ным барьером на страже цельности атомных ядер, они не дают им рассыпаться на составные части. Опыты по рассеянию альфа-частиц показывали, где проходит этот барьер, и позво­ляли вычислить его высоту.

Для ядра урана она оказывалась не ниже 10 миллионов электрон-вольт. Отсюда следовал немедленный вывод, что из­лучаемые ураном альфа-частицы должны обладать не мень­шей энергией движения: в противном случае, по классическим законам механики, как смогли бы. они преодолеть барьер ура­нового ядра? А между тем... .

35 Д. Данин 545

А между тем давно было известно, проверено и перепрове­рено, что энергия альфа-частиц урана — всего 6 миллионов электрон-вольт. И стало быть, по законам классики, они ни­когда не могли бы вырваться из своего ядерного плена. Так было и с другими альфа-излучающими атомами.

Альфа-распад становился явлением загадочным. Классика его запрещала. А природа разрешала!

Между прочим, по словам Бора, одним из первых обратил внимание на странность происходящего молодой Роберт Оп-пенгеймер. Было это как раз в 27-м году, когда он перед по­ездкой в Геттинген для работы у Макса Борна некоторое вре­мя провел в Кавендишевской лаборатории. Там, в кабинете Резерфорда, Бор и познакомился с ним. Со временем они ста­ли друзьями, хотя датчанин годился в отцы американцу. И че­рез три десятилетия, в 50-х годах, когда маккартистская Америка травила Роберта Оппенгеймера как противника водо­родной бомбы, Бор со всегдашней своей высочайшей порядоч­ностью намеренно и подчеркнуто заявил о близкой дружбе, связывающей его с Оппи. Он сделал это в мемориальной ре-зерфордовской лекции. И там же рассказал, с какою безоши­бочностью в 1927 году Резерфорд восторженно отозвался о богатой одаренности двадцатитрехлетнего физика из Штатов.

Можно поручиться, что сэр Эрнст оттого-то и отнесся тогда с повышенным интересом к Оппенгеймеру, что тот задумался над противоречивым фактом проникновения недостаточно энер­гичных частиц через высокие потенциальные барьеры. Это противоречие все более и более томило тогда самого Резер­форда.

Сознавая безысходность положения, он недаром требовал новых законов: чутье подсказывало ему, что старыми тут не обойдешься. Но вместе с тем он еще пытался выйти из затруд­нений миролюбиво — с помощью одних классических пред­ставлений. В сентябре 27-го года он даже опубликовал в «Philosophical magazine» чисто теоретическую статью «Струк­тура радиоактивных атомов и происхождение альфа-лучей», в которой, по его же собственным словам, выразилось «стрем­ление примирить явно противоречащие друг другу данные...».

Примирить! Не очень-то это было в духе времени. В том самом сентябре 27-го года уже готовились к решительной схват­ке на 5-м Сольвеевском конгрессе традиционалисты и новато­ры. А ведь прежде и он, как редко кто, умел обнажать кон-

546

фликты и обострять в непонятном черты необычности. Не так ли было с открытием эманации тория, и с отражением альфа-частиц от сердцевины атомов, и с выбиванием длиннопробеж-ных протонов из азотных ядер? И во всех этих случаях дело кончалось эпохальными свершениями: теорией радиоактивного распада, планетарным атомом, расщеплением ядра... Так, мо­жет быть, и на этот раз все могло кончиться новым громким успехом, если б он, как бывало, обострил ясно обозначив­шийся конфликт между классикой и природой?

Конечно, могло! И даже наверное...

Зная наперед, как разрешилось противоречие, легко на­бросать простую схему очередного выдающегося открытия, по­маячившего перед ним, но в руки ему не давшегося.

В самом деле, разве не смог бы он прийти к идее волн-частиц и увериться, что микромир населен этими неклассиче-скимй кентаврами? Обострение конфликта означало бы, что альфа-частица, преодолевая барьер, превышающий ее энергию, совершает поступок, абсолютно невозможный для корпускулы. Абсолютно! Но так как она его все-таки совершает, не оста­валось бы другого выхода, как допустить, что природа наде-,лила ее не только корпускулярными свойствами. И если бы четыре года назад де Бройль не провозгласил двойственности электрона, он, Резерфорд, вынужден был бы сейчас на свой страх и риск объявить коллегам о двойственности альфа-частиц:

в их поведении с несомненностью сказывается некая волнооб-

разность.

Он объяснил бы: им, корпускулам, как видно, присуща та черта, что позволяет световым волнам огибать препятствия или проникать за поверхность раздела двух сред даже тогда, когда лучи падают под углом полного внутреннего отражения. Поток частиц — классических корпускул — ни на то, ни на другое не способен: явлений диффракции не дает и от запретной гра­ницы отражается полностью. И если потенциальный барьер вокруг ядра такой границей для альфа-частиц не служит, то нельзя не признать, что они — волны. Тогда их незаконное про-сачиванье сквозь барьер сразу становится законным. И альфа-распад перестает быть загадкой. А так как они вместе с тем все-таки частицы, то нужно согласиться, что микромир населен кентаврами. (Логический переход от альфа-частиц к любым микрообъектикам был бы совершен без труда.)

Так что же: перед Рёзерфордом маячило как бы второе открытие основной физической идеи квантовой механики? Если угодно — да. Но для физики имело бы значенье не это переот­крытие уже известного, а более скромное достижение: первое

качественное указание на возможность волнового решения'про­блемы потенциального барьера. Дальше началась бы громозд­кая математика, однако бесценна была бы тогда именно эта физическая подсказка.

А она его не осенила!

И это редкий случай, когда можно понять, почему не осе­нила... (Или только кажется, что это можно понять?!)

Не оттого ли так случилось, что Резерфорд впервые ока­зался не на уровне века? Слишком долго отмалчивался от спорной новизны. Слишком задержался в позиции над схваткой. Слишком часто пошучивал не совсем безобидно:

Тенденции современной физики? Я не могу написать об этом статью. Тут и разговоров-то всего на две мину­ты. Все, что я мог бы сказать, сводится к одному — физики-теоретики ходят хвост трубой, а мы, экспери­ментаторы, время от времени заставляем их сызнова под­жимать хвосты!

Так ответил он на предложение выступить перед очеред­ным конгрессом Би-Эй с посланием о «тенденциях современной физики». А может быть, в действительности все объяснялось без психологических хитростей и затей. Может быть, просто начал уже ощутимо сказываться в его деятельности всеобщий человечий закон убывания с течением жизни духовного пло­дородия? Может быть.

Так или иначе, но теория альфа-распада была добыта не на Фри Скул лэйн. Y|

10

В октябре 1928 года эту теорию привез с собою в Кавен-дишевскую лабораторию молодой теоретик Георгий Гамов.

...Она привлекательно называлась; теория туннельного эф­фекта. Тотчас возникал наглядный образ альфа-частицы, как бы роющей в горе потенциального барьера туннель, чтобы по нему вырваться из ядра наружу. Конечно, антинаглядным было, как она его роет и что это за туннель, но зацепка для вообра­жения наличествовала бесспорно.

И зримо ясным было: чем выше энергия альфа-частицы, тем ближе к вершине горы расположен ее туннель. И тем он коро­че. А следовательно, тем вероятней альфа-распад. И стало быть, тем меньше среднее время жизни радиоактивного элемен­та. Но как раз такая — обратно пропорциональная — зави­симость между энергией испускаемых альфа-частиц и периодом полураспада альфа-излучателей была замечена в резерфор-

548

донской обители уже давно, еще в манчестерские времена, и получила название закона Гейгера — Нэттолла.

Туннельный эффект был тем самым волновым просачива­нием микрокентавров через потенциальный барьер, которое могла предсказать только квантовая механика. С помощью вол­нового уравнения Шредингера и Соотношения неопределен­ностей Гейзенберга теоретически получались результаты, пре­жде бытовавшие в теории радиоактивности как эмпирические закономерности.

— Работа Гамова произвела колоссальное впечатление в Кембридже. Все были взбаламучены. — Это слова К. Д. Си­нельникова, к той поре уже год как работавшего в Кавенди-шевской лаборатории.

А что уж говорить о реакции Резерфорда!

Вдруг, проснувшись однажды утром, он обнаружил, что может без новых усилий «узнать об атомном ядре немножко больше». Но, сверх того, и это было особенно важно, он смог окончательно и бесповоротно увериться в могуществе кванто-вомеханических подходов и построений. Теория туннельного эффекта сумела не только разрешить многие старые трудно­сти, но еще и предсказала необычные возможности лаборатор­ного вторжения в атомное ядро. Ничем другим нельзя было бы подкупить Резерфорда вернее.

«У волновой механики удивительное свойство — она рабо­тает...» — стал говорить он. Запас карман не ломит: насмеш­ливый эпитет «удивительное» гарантировал ему приятное пра­во в случае чего поворчать вместе со всеми скептиками по по­воду философской неблагонадежности вероятностного понима­ния микромира. Однако существенно было, что работоспособ­ность новой механики признавалась им теперь не молча, а вслух и с деловыми последствиями. Вполне деловыми.

А суть новых возможностей эксперимента хорошо и точно отражалась в появившемся тогда термине — «обратный тун­нельный эффект». Буквально — обратный: речь шла уже не об испускании альфа-частицы, а об ее проникновении снаружи в атомное ядро.

Ясно было, что и на этом пути перед нею вырастает гора потенциального барьера. Не какого-нибудь нового, а уже зна­комого нам энергетического барьера, но тодъко обращенного к ней теперь своим внешним склоном. В самом деле: несущая двойной положительный заряд, она не может ворваться в ядро, не преодолев сначала мощных сил отталкиванья положитель-

549



ного заряда этого ядра. Они-то и создают внешний склон барь-< ера, да и вообще повинны в его существовании, ибо как раэ против них и должны работать силы внутриядерного притяже-1 ния. И будь альфа-частицы классическими корпускулами, им| для успеха вторжения... Стоит ли повторять все сначала? До--;

вольно конца. Они микрокентавры, частицы-волны, и для успе-S ха вторжения в ядро им не надо обладать энергией, обязатель-';

но превышающей высоту барьера. Они и снаружи способны* просачиваться через него так же, как изнутри. ;

Короче: альфа-частицы способна! на обратный туннельный | эффект точно так же, как и на прямой. Последствия очевид-1 ны: скажем, .для вторжения в ядро урана, окруженное барье­ром в 10 миллионов злектрон-вольт, альфа-частице вовсе не⁷ нужно двигаться с такой энергией. Достаточно и меньшей.,' Правда, чем меньше она, эта энергия движения, тем меньше :

вероятность успеха. Однако хоть и с меньшей вероятностью, но вторжение медленных частиц все-таки происходить будет...

Стоило только в этих рассуждениях, разумеется оснащен­ных математическими парусами, заменить альфа-частицы про­тонами, как открывались, благодаря обратному туннельному эффекту, соблазнительнейшие перспективы. Не смогут, ли про­тоны послужить еще более эффективной атомной артиллери­ей, чем альфа-частицы? Несущие одинарный, а не двойной за­ряд, они ведь должны отталкиваться ядрами с меньшей силой, чем альфа-частицы. Потенциальный барьер любого ядра будет для них как бы ниже. И, снабженные даже относительно малой энергией, не сумеют ли они со сравнительно большой вероят­ностью проникать в ядра, вызывая их трансмутации?

Предварительные расчеты Гамова обнадеживали: для успеш­ной бомбардировки легких ядер достаточно было взять про­тоны с энергией порядка 10⁶ электрон-вольт. Не о миллионах, а всего лишь о сотнях тысяч электрон-вольт пошел разговор! По тем временам это имело громадное, если не решающее значение.

Легко говорится «взять протоны нужной энергии». Это осо­бенно легко говорится во второй половине XX века, когда атомно-ядерные лаборатории с их гигантскими ускорителями стали циклопическими сооружениями землян, а протоны-мил­лиардеры сделались такой же лабораторной обыденностью, как рентгеновы лучи. Но на рубеже 20—30-х годов нашего сто­летия протоны в тысячу раз менее энергичные — протоны-мил­лионеры — чудились Резерфорду почти неосуществимой меч­той. За год до открытия туннельного эффекта, осенью 27-го го­да, вручая и» заседании Королевского общества почетную ме-

550

даль д-ру Кулиджу, создателю известной лучевой трубки, сэр Эрнст именно в такой мечтательной интонации говорил об «изо­бильном снабжении» экспериментаторов потоками заряженных частиц более энергичных, чем частицы в естественных альфа-и бета-лучах. В принципе все было легко достижимо; на деле — недоступно. В идее — заманчиво просто; технически — край­не сложно. И дорого, очень дорого! Блэккет рассказывал, что в гечение нескольких лет Резерфорд неизменно отклонял пред­ложения Чадвика заняться ускорением протонов для бомбар­дировки ядер. И причины тому были всякий раз одни и те же:

слишком сложно и слишком дорого...

Но осенью 28-го года, когда с таким же предложением к нему явился Джон Дуглас Коккрофт, Резерфорд уверенно сказал «да!». И даже сопроводил свое согласие вдохновляю­щим: «Вперед, солда-аты Христа!..»

Дело в том, что Коккрофт оказался тем кавендищевцем, с которым Гамов детально обсуждал экспериментальные след­ствия своей теории. Почему эта доля выпала Коккрофту? Воз-мржно, тут действовал случай. Если так, то это был очень ра­зумный выбор с его стороны.

Энтузиазм молодости (ему шел только еще тридцать вто­рой год) сочетался в Коккрофте с трезвой многоопытностью (ему шел уже тридцать второй год!). Но всего существенней бы­ло другое, в его лице сочетались воедино инженер-электрик, физик-экспериментатор и математик-профессионал. Он не окан­чивал ни электротехнического института, ни математического факультета. Однако два года, проведенные в юности на ман­честерском предприятии известной компании «Метрополитен-Виккерс», сделали его электриком высокого класса. А необ­ходимость выйти на первое место при конкурсной сдаче зна­менитого математического трайпоса заставила его приобрести незаурядную осведомленность во всех разделах математики. Она была и прежде его коньком — он учился у Горация Лэм-ба, — но стать победителем трайпоса ему и вправду было необходимо: только под этим условием Резерфорд в 22-м году обещал Коккрофту место в Кавендише. Отчего так случилось, Коккрофт в своих мемориальных лекциях не рассказал. Од­нако так случилось, хотя на сэра Эрнста до крайности было непохоже столь почтительное отношение к экзаменам. И такая злодейская требовательность к юноше на него тоже была не слишком похожа.

У Чадвика и Эпплтона молодой йоркширец прошел кавенди-

551

шевский физпрактикум. У Капицы — первую школу оригинал ного экспериментирования. И ко времени встречи с ГамовыЯ он был совершенно готов к большим лабораторным делам. |

Кстати, весьма вероятно, что Капица и сыграл в этой встре| че роль благого случая, сделавшего разумный выбор. Джо| Коккрофт давно уже стал его другом. А Георгий Гамов en оставался его соотечественником. Вот он и свел их.

Да, двадцатищестилетний автор теории туннельного эффев га тогда осгавался еще Георгием Гамовым из Ленинградскоп университета, а вовсе не был Джорджем Гамоу из университета Вашингтона, И кому могло прийти в голову, что со времене.ч| такое превращение совершится! Тогда, в 28-м году, ни его учи| телям, ни приятелям не думалось, что он способен на веролом| ство, и в один злосчастный день, разом обманув их веру в егЙ порядочность и доверие государства, решит не возвращаться на родину из очередной заграничной командировки.

Конечно, можно было бы и не касаться здесь этой скверной истории, если бы в резерфордовском фольклоре не бытовала версия, по которой сэр Эрнст отнюдь не остался равнбдушным к решению Гамова. • • \

Вообще-то он прекрасно к нему относился. Лишь однаждь] Гамов вызвал его ярость, когда в начале 30-х годов одновре¹ менно с Бором гостил в Кембридже. В честь датчанина бьи) устроен в Ньюнхэм-коттедже званый чай. Мужчины разго­варивали о гольфе, дамы — о туалетах, и Бору это быстрей надоело. Он наклонился к Гамову и сказал: «Я видел внизу-мотоцикл, кажется, ваш. Не покажете ли вы мне, как он рабо­тает?» Через несколько минут бешеное тарахтенье машины щ крики заставили сэра Эрнста бросить гостей и поспешить неь улицу. Оседланный Бором мотоцикл носился по Квин-роуд, расч пугивая прохожих, собак и велосипедистов. Бор не умел ero»i остановить. И дело кончилось бы плохо, если бы внезапно не1 заглох мотор. В тишине растерянный Гамов услышал громо­подобный голос: «Если вы еще раз дадите эту колясочку, Нильсу Бору, клянусь, я сверну вам, Гамов, вашу проклятую| шею!» По-английски это звучало еще гораздо грубее, чем по-­русски. Но именно это-то свидетельствовало, что Гамов в Ка-;

вендише — «свой парень», с которым можно не стесняться. '|

Так вот рассказывали, что, когда в середине 30-х годов Га-| мов появился в Кембридже и попросил Резерфорда приняты его в штат Кавендишевской лаборатории, тот ответил отказом;;

Эту версию считает вполне правдоподобной кавендишевец тех: