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

Именно такой процесс впервые рассмотрел Вайцзеккер [32] Карл Фридрих фон Вайцзеккер (1912–2007) — физик-теоретик, ученик Бора и сотрудник Гейзенберга. Его отец был статс-секретарем министерства иностранных дел Германии в 1930-х гг., а младший брат — президентом ФРГ в 1990-х гг. в 1938 г.: столкновение двух протонов, при котором образуется дейтерий (или тяжелый водород, ядро которого, дейтон, содержит протон и нейтрон), позитрон и нейтрино (реакцию записывают как р + р → d + e ++ v) , между которыми и распределяется энергия, соответствующая формуле Эйнштейна. Дальше он пробовал рассмотреть столкновение двух дейтонов, но вероятности таких двухступенчатых процессов оказались слишком малы.

В 1938 г. на конференции по теоретической физике в Вашингтоне эта проблема заинтересовала Ганса Бете (1906–2005). Быстро освоившись с астрономическими данными и применив свои энциклопедические знания в области ядерной физики, он решил всю задачу за шесть недель. Согласно Бете, после образования дейтерия при столкновении протонов возникший позитрон аннигилирует с электроном (они имеются в плазме), дейтон сталкивается еще с одним протоном и переходит в изотоп гелий-3 (радиоактивный, но с достаточно большим временем жизни); а столкновение двух ядер гелия-3 ведет к образованию уже стабильного ядра гелия-4 с выделением двух лишних протонов. Таким образом, Солнце представляет собой непрерывно действующую водородную бомбу, скрытую под слоем газа толщиной в полмиллиона километров.

В ходе этого исследования Бете рассмотрел такие солнечные характеристики, как температура, плотность, состав, рассчитал ожидаемые скорости реакции и показал, что реакция синтеза по этой цепочке (она называется водородным циклом) идет как раз с такой скоростью, которая обеспечивает наблюдаемое выделение энергии Солнцем.

Его расчеты также показали, что для звезд, более массивных, чем Солнце, в реакции должны участвовать более тяжелые ядра. И Бете рассчитал также другие циклы, заканчивающиеся формированием ядер изотопов углерода и азота.

В 1967 г. Бете был удостоен Нобелевской премии по физике «за вклад в теорию ядерных реакций, особенно за открытия, касающиеся источников энергии звезд». Представляя лауреата, Оскар Клейн, известный теоретик и член Шведской королевской академии наук, отметил широту знаний и интересов Бете и сказал, что некоторые из его открытий в области физики, каждое в отдельности, заслуживали самостоятельной Нобелевской премии. Работа Бете над источниками энергии звезд, сказал Клейн, «представляет собой одно из наиболее важных приложений фундаментальной физики в наше время и ведет к углублению наших знаний о Вселенной».

Отметим здесь, что поиски источника энергии звезд и не могли начаться ранее XX в. В XIX в. писали, что источником нагрева могут служить падения метеоритов на Солнце, а Кельвин рассматривал нагрев вследствие гравитационного сжатия газового шара, но получаемые цифры были слишком малы.

После завершения Второй мировой войны почти все крупные ученые, включая Бете и Ферми, вернулись к довоенным исследованиям. Но перед ними маячила возможность создания более страшного оружия — термоядерного. Многие требовали передать право распоряжения ядерным оружием некоему международному органу, другие считали, что СССР, единственный потенциальный соперник Америки, еще долго не сможет овладеть «секретами» атомного оружия.

Но единственным секретом являлось то, что такая бомба реально существует, а он уже был раскрыт. Важнейшими были технологические ноу-хау: методики очистки материалов. Самостоятельно или с частичной помощью агентурных данных, но уже к 1947 г. в СССР был запущен первый реактор, а вскоре был произведен и первый ядерный взрыв.

Более проницательные ученые, первым из них нужно назвать Э. Теллера [33] Эдвард Теллер (1908–2003) — уроженец Будапешта, физик-теоретик, автор известных работ по квантовой механике, физической химии, теории ядра, считается «отцом» американской водородной бомбы. Согласно его интервью последних лет, он стал убежденным противником коммунизма после бегства из СССР Г. Гамова и Л. Тиссы и ареста в 1937 г. Л. Д. Ландау (он был освобожден под личное поручительство П. Л. Капицы) , настаивали перед правительством на продолжении и интенсификации работ по созданию термоядерного оружия. Возражения Р. Оппенгеймера и многих других ни к чему не привели, и работы эти были развернуты, но в СССР они начались уже совершенно независимо примерно в то же время или даже раньше.

В рамках общего ядерного проекта СССР, руководителем которого был Игорь Васильевич Курчатов (1903–1960), теоретические термоядерные исследования вела группа Я. Б. Зельдовича, автора теории детонации и взрыва. В 1948 г. к этой работе привлекли И. Е. Тамма, а он включил в нее своего недавнего аспиранта А. Д. Сахарова [34] Андрей Дмитриевич Сахаров (1921–1989) — замечательный физик, гуманист, общественный деятель. Помимо водородной бомбы и разработок в области управляемых термоядерных реакций, создал вакуумную теорию гравитации и ряд основополагающих работ по космологии и теории элементарных частиц. Сахаров — фактический глава движения за гражданские права в СССР, в 1980–1986 гг. — в ссылке в г. Горький, в 1989 г. — депутат. Он был удостоен Нобелевской премии мира 1975 г. за «бесстрашную поддержку фундаментальных принципов мира между людьми» и за «мужественную борьбу со злоупотреблением властью и любыми формами подавления человеческого достоинства». Автобиография: «Воспоминания», «Горький, Москва: далее везде», дополненная воспоминаниями его жены Елены Георгиевны Боннэр «Постскриптум. Книга о горьковской ссылке» и др. Воспоминания коллег-физиков, в том числе и автора этих строк, собраны в книге «Он между нами жил: Воспоминания о Сахарове». (Он между нами жил: Воспоминания о Сахарове / Ред. Б. А. Альтшуллер и др. М., 1996.) .

По первоначальному замыслу, нужно было соорудить трубу, заполненную дейтерием, в одном ее конце помещалась бы атомная бомба как детонатор. Взрыв этой бомбы должен был привести к внутризвездным температурам, при которых, как считалось, дейтерий «загорится» по типу реакции Вайцзекера и реакция под действием ударной волны пойдет дальше по трубе.

Точные значения распределения температур, как при взрыве атомной бомбы, так и те, что нужны для начала синтеза при столкновениях дейтонов, были неизвестны. Оценки и расчеты (к ним, в частности, привлекли Л. Д. Ландау и И. М. Халатникова) показывали сомнительность успеха при такой конфигурации ядерного запала. Нужно было думать, и думать упорно [35] Интересны мнения физиков о возникающих проблемах. Энрико Ферми об этой работе отзывался так: «Превосходная физика!». Сахаров выражался еще сильнее: «Рай для теоретиков!» Многие теоретики, в том числе Я. И. Френкель, сомневались в возможности получения такой реакции. .