Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Статьи обоих: М. Гепперт-Майер и X. Йенсена с соавторами — вышли почти одновременно в одном и том же журнале (1948). Так была создана оболочечная модель ядра, полностью изложенная в их совместной книге 1955 г.

Мария Гепперт и ее муж, известный физико-химик Джозеф Э. Майер, написали совместно курс статистической механики. Дж. Э. Майер впервые ввел диаграммные методы рассмотрения взаимодействия частиц, развитые затем Р. Фейнманом. Супруги Майер бежали из Европы от фашизма, и в начале 1940-х гг. они вместе с супругами Ферми даже обсуждали планы переселения на какой-нибудь далекий остров.

Взаимодействие нуклонов в ядре, как и электронов в атоме, должно приводить к распределению их по уровням, установленным Ю. Вигнером, а также к расщеплению этих уровней, появлению тонкой структуры электромагнитных уровней. А наличие уровней означает, как и в атоме, что ядра могут излучать и поглощать фотоны определенных энергий. Однако уровни эти, в отличие от электронных, изучаемых методами флюоресценции, очень тонкие, т. е. требуют невероятно большой точности при наблюдении резонансов, и перспективы их измерения казались невероятно далекими.

Явление флюоресценции (оно было открыто на минерале флюорите) состоит в том, что некоторые газы, жидкости и твердые тела поглощают видимый свет и немедленно вновь его излучают. В некоторых случаях испускаемое излучение обладает такими же энергией, длиной волны и частотой, что и у поглощаемого (резонансная флюоресценция). Частоты резонансной флюоресценции точно соответствуют энергетическим уровням атома, и поэтому их анализ помогает выявить атомарную структуру веществ. Это же явление наблюдается в рентгеновском диапазоне, что дало важнейшую информацию о строении атомов.

Испускание или поглощение фотона протекает с сохранением как энергии, так и импульса, но при испускании фотона сам атом испытывает отдачу и поэтому отбирает у фотона часть его энергии, тем меньшую, чем больше масса атома. В случае видимого света энергия фотонов — порядка 1–3 эВ, и эффектом атомной отдачи можно пренебречь. Но у фотонов гамма-излучения ядер энергия — от 10 тыс. до 1 млн эВ, и отдача становится существенной: когда атомное ядро испускает фотон, то потери на отдачу заметно уменьшают энергию фотона, и он уже не попадает в резонанс со следующим ядром (не может быть поглощенным). Поэтому резонансная флюоресценция — при которой испускаемый и поглощаемый фотоны должны обладать равными энергиями — у гамма-лучей не наблюдалась.

Однако Рудольф Л. Мессбауэр (р. 1929, Нобелевская премия 1961 г.) смог придумать способ достижения резонансной флюоресценции ядер.

Появление первых двух статей Мессбауэра в 1958 г. вызывало смех у всех читателей: непредставимая и неописуемая точность, бабушкин патефон в ядерной физике, где привыкли к километровым ускорителям и многомиллионной стоимости экспериментов, — ну, конечно, это первоапрельская шутка и ничего больше. Затем наступила эпоха отрезвления, перешедшая во всеобщий ажиотаж: практически все лаборатории мира в бешеном темпе повторяли и видоизменяли опыты Мессбауэра, журналы так были заполнены статьями на эти темы, что скоро объявили об отказе принимать новые…

Его эпохальные эксперименты протекали так. Источником излучения являются атомы кристалла радиоактивного изотопа металла иридия. Охладив кристаллы жидким азотом, Мессбауэр с удивлением обнаружил, что флюоресценция заметно увеличилась. Он понял, что отдельные ядра, испускающие или поглощающие гамма-лучи, передают импульс взаимодействия непосредственно всему кристаллу, а поскольку кристалл гораздо более массивен, чем ядро, у излучаемых и поглощаемых фотонов частотный сдвиг очень мал (вспомните, насколько уменьшается отдача при выстреле, если прижать приклад винтовки к плечу увеличив массу тела, участвующего в процессе).

Как же теперь избавиться от крошечной, но все же существующей потери энергии на отдачу, чем ее компенсировать? И Мессбауэр находит уникальный по остроумию прием: для этого нужно двигать оба образца навстречу друг другу — благодаря эффекту Доплера (мы говорили о нем в связи со специальной теорией относительности) частота кванта, испускаемого источником, движущимся навстречу поглотителю, чуть увеличится, возместит этим потери на отдачу и попадет в резонанс с ядром в приемнике. Для этого, по расчетам, достаточна скорость в несколько сантиметров в секунду. Но как это сделать? И он помещает либо излучатель, либо приемник на… диск патефона (да-да, того самого бабушкиного патефона с заводной ручкой, ничего другого в его бедной лаборатории не нашлось!) — перемещая излучатель по радиусу диска, т. е. меняя его касательную скорость, он в очень узких пределах меняет частоту гамма-квантов и как бы пробегает (сканирует) линию излучения или поглощения ядра!

Уже в первых экспериментах точность определения частоты достигала одной миллиардной доли их энергии, впоследствии она достигла одной статриллионной — нигде и никогда такой точности, как в эффекте Мессбауэра, никому достичь не удавалось!

Одним из первых принципиальных приложений эффекта Мессбауэра стала в 1959 г. работа Р. В. Паунда и Г. А. Ребки.

Отметим, что узость ядерных электромагнитных уровней с начала 1960-х гг. и до сих пор бросает вызов физикам. Как мы уже говорили, эффект стимулированного излучения Эйнштейна позволил создать лазеры — электроны в атомах сначала поднимают на верхний уровень (атомы возбуждают), а затем под действием резонансных фотонов они разом спускаются вниз, излучая лазерный импульс. Самые мощные лазеры работают в инфракрасной области спектра, в видимой области их мощности существенно уменьшаются с ростом частоты, а вот для ультрафиолетовой части спектра мощных лазеров практически нет — приходится особыми ухищрениями создавать некое их подобие. В то же время ничто, казалось бы, не мешает создать лазер на ядерных уровнях, в гамма-диапазоне (для него уже давно придумано название — газер), но для этого нужно из-за узости уровней научиться компенсировать их отдачи. А как это сделать?

Идея ее заключалась в использовании такого следствия ОТО: поскольку фотон обладает энергией, то, согласно формуле Эйнштейна, ему можно приписать массу движения, и поэтому на него должно действовать гравитационное поле. Но тогда при изменении гравитационного поля должны меняться, очень слабо, но все же меняться, его энергия и частота. Вот они и измерили изменения частоты гамма-лучей при прохождении в гравитационном поле, но главная прелесть их работы заключалась в том, что точность эффекта Мессбауэра позволила провести эти измерения при уменьшении гравитационного поля между подножием и вершиной башни, на пути всего в 21 метр и тем самым подтвердить общую теорию относительности Эйнштейна (ранее подобные измерения можно было планировать только в астрофизике, но осуществить их не удавалось).