Уолтер Гратцер - Эврики и эйфории. Об ученых и их открытиях

За прошедший год был открыт целый ряд продуктов ядерных бомбардировок, которые иногда, как казалось, нарушали установленный ранее закон: столкновение элементарной частицы с ядром может разве что выбить оттуда альфа-частицу (идентичную ядру гелия-4) или бета-частицу (электрон); в результате получались по прогнозам и на практике ядра с зарядом (то есть атомным номером) на два меньше или на один больше, чем у ядра-родителя. Среди продуктов бомбардировки урана Ган и Штрасман обнаружили, как они полагали, изотопы радия. (Изотопы — это разновидности элемента, отличающиеся только числом нейтронов в ядре; поскольку число положительно заряженных протонов в ядре и, следовательно, отрицательно заряженных электронов снаружи у них одинаково, то изотопы с химической точки зрения идентичны.) Результат казался необъяснимым, поскольку у радия ядро меньше, чем у урана, и Лизе Майтнер предупредила Гана, что следует тщательно все проверить, прежде чем публиковать статью о необъяснимой аномалии.

Когда Отто Фриш впервые навестил тетю в Кунгэльве, маленьком шведском городке, где та отдыхала с друзьями, он обнаружил ее размышляющей над последним письмом Отто Гана. Вот как он описывает встречу:

Я собирался рассказать ей о новом эксперименте, который задумал, но она и не думала меня слушать; вместо этого она попросила меня прочесть письмо. Его содержание было настолько ошеломляющим, что я был вынужден отнестись к нему скептически. Ган и Штрасман выяснили, что три получившихся у них вещества не были радием с точки зрения химии; более того, оказалось затруднительно отделить их от бария, который, как обычно, они добавили, чтобы облегчить процедуру химического разделения. Они пришли к выводу, неохотно и с колебаниями, что это были изотопы бария (ядра которых вдвое меньше ядер урана).

Было ли это просто ошибкой? “Нет, — сказала Лизе Майтнер, — Ган для этого слишком хороший химик”. Но как мог барий получиться из урана? Никогда еще от ядер не отщепляли больших кусков, чем отдельные протоны и ядра гелия, а чтобы отщепить сразу много частиц, требовалось слишком много энергии. Также не представлялось возможным, что урановое ядро будет разрезано поперек. Ядро не похоже на хрупкий материал, какой режут и ломают; Георгий Гамов давно предположил, а Бор убедительно аргументировал, что ядро скорее похоже на каплю жидкости. Возможно, капля может превратиться в две капли более плавно: сначала вытянуться, потом сжаться посередине, а потом разорваться — но не сломаться напополам. Мы знали, что существует сильное взаимодействие, которое будет препятствовать такому процессу, подобно тому как поверхностное натяжение обычной жидкости мешает капле распасться на части. Но ядра отличаются от капель одной важной особенностью: они несут электрический заряд, а отталкивание зарядов противодействует поверхностному натяжению. На этом месте мы оба присели на поваленное дерево (разговор происходил во время нашей прогулки по заснеженному лесу, я был на лыжах, а Лизе Майтнер заявила, что справится и без них) и приступили к расчетам на обрывках бумаги. Заряд уранового ядра, как мы выяснили, и в самом деле достаточно велик, чтобы преодолеть силы поверхностного натяжения практически целиком, поэтому урановое ядро должно напоминать крайне шаткую, неустойчивую каплю, готовую разделиться от малейшего толчка — такого, как удар одного-единственного нейтрона.

Но была и другая проблема. После разделения капли будут удаляться друг от друга за счет взаимного электростатического отталкивания, получая высокую скорость и невероятно высокую энергию, в общей сложности порядка 200 МэВ. К счастью, Лизе Майтнер вспомнила эмпирическую формулу для вычисления масс ядер и вывела, что пара ядер, получающихся при распаде урана, будет легче его примерно на одну пятую массы протона. Далее, когда масса исчезает, по формуле Эйнштейна Е=mc 2возникает энергия, и одна пятая массы протона как раз соответствует 200 МэВ. Итак, источник энергии был скрыт здесь. Все сходилось!

Несколько дней спустя я отправился в Копенгаген в сильном волнении. Я догадался предъявить наши измышления — тогда это не казалось чем-то большим — Бору, которому предстояло вот-вот отбыть в США. У него для меня было всего несколько минут, но стоило мне начать рассказывать, как он ударил себя кулаком по голове и запричитал: “О, какими идиотами мы все были! Да, но это прекрасно! Именно так и должно быть! Вы с Лизе Майтнер уже написали статью?” — “Нет, — сказал я, — но как-нибудь обязательно опубликуем.” Бор пообещал никому не проговориться, пока статья не выйдет”. А потом он отправился встречать свой корабль.

Фриш спросил некоего американского биолога из лаборатории, как в биологии называется процесс, когда из одной клетки получаются две. “Деление”, — ответил тот, и так, стараниями Фриша, термин “деление ядер” появился на свет.

Laidler Keith, The World of Physical Chemistry (Oxford University Press, Oxford, 1993,); Szilard Leo, The Collected Works of Leo Szilard: Scientific papers, ed. Feld B.T. and Szilard G.W. (МГГ Press, Cambridge, Mass., 1972): и Frisch Otto, What Little I Remember (Cambridge University Press, Cambridge, 1979).

Исидор Раби родился в Польше в 1898 году, рос в страшной бедности в Нью-Йорке и стал одним из величайших физиков мира. В 1944 году он получил Нобелевскую премию за открытие явления, которое сделало возможной ЯМР-спектроскопию, один из самых действенных способов, позволяющих изучить структуру молекул и создавать изображения живых тканей. Он основан на том, что (и в этом заключалось открытие) атомное ядро обладает магнитным моментом, как если бы оно было микроскопической намагниченной стрелкой.

Раби, который большую часть деятельной жизни провел в Колумбийском университете в Нью-Йорке, после присуждения Нобелевской премии стал государственным советником по вопросам науки. Он охладел к работе в лаборатории; однажды он отозвался о Нобелевской премии так: “Если только в вас нет тяги соревноваться, вряд ли после церемонии вы начнете работать энергичней. Это как с бостонской леди, которая заявила: “К чему мне путешествовать, если я уже здесь?” К тому же премия отвлекает вас от вашей области, поскольку открываются новые горизонты”.

Но, похоже, в глубине души Раби по-прежнему волновали вопросы научной истины. Как и Эйнштейн, он был озабочен физическим смыслом квантовой теории. Один из его учеников вспоминал, что мучило Раби, о чем он думал, когда ему шел девяностый год и он был уже практически при смерти:

Однажды, в декабре 1987-го, ко мне в Рокфеллеровский университет зашел коллега и сообщил, что он только что видел Раби и Раби хочет со мной поговорить. Я знал, где его искать — в Мемориал-госпитале Слоана-Кэтеринга: Раби лежал там, у него был рак в последней стадии. И вот я отправился в госпиталь, ожидая, что Раби приготовил для меня какое-нибудь последнее напутствие. Я застал Раби в хорошем расположении духа. О чем же он хотел поговорить? Об основаниях квантовой механики, которые, как он заявил, беспокоили его десятилетия назад и в эти последние недели тоже не давали покоя. Мы беседовали, может быть, полчаса. Потом я попрощался с ним — навсегда, 11 января 1989 года Раби не стало.