Яков Гегузин - Капля

• Название: Капля
• Автор: Яков Гегузин
• Издательство: «НАУКА»
• Жанр: Физика
• Год: 1973

Книга состоит из отдельных очерков о физиче­ских законах, управляющих поведением капли, об ученых, которым капля помогла решить ряд сложных и важных задач в различных областях науки.

Книга иллюстрирована кадрами скоростной ки­носъемки и будет интересна самому широкому кругу читателей.

---

Творческая фантазия Плато более 100 лет назад роди­ла идею наземного опыта с каплей в искусственно создан­ной невесомости. Быть может, он тогда думал и о космосе?

Воспоминание о лекции профессора Френкеля

Начну с банальной мысли о том, что впечатления юности запоминаются надолго — в звуках, в цвете, в незнача­щих деталях, которые тогда, в давно прошедшие годы, ка­зались особенно важными.

Лекцию Якова Ильича Френкеля я слушал поздней весной 1939 года. Он тогда приезжал в Харьков и в ма­ленькой университетской аудитории амфитеатром, кото­рая еще с середины прошлого века торжественно называ­лась «большой физической», читал лекцию о капельной мо­дели ядра. Теперь, спустя более трети века, когда во всех подробностях известны драматические события тех дней, когда закладывались основы ядерной энергетики, ясно, что с профессором Френкелем, который всего за несколь­ко недель до приезда в Харьков предложил идею капель­ной модели ядра, в аудиторию вошла сама история. Тог­да же мы, студенты-физики, шли слушать очередную лекцию «гостевого» профессора, одну из многочислен­ных лекций, которые в «большой физической» часто чита­ли нам университетские гости.

Начал лекцию Френкель спокойно, размеренно, но по­степенно академическая размеренность исчезла: он говорил так, как можно говорить лишь о самом сокро­венном, о чем непрерывно думаешь и кажется, что открыв­шееся тебе прозрение и ясность абсолютно необходимо передать слушателям. Именно на этой лекции я понял смысл выражения «слушать затаив дыхание». Затаив, возможно, для того, чтобы не было лишних звуков, а возможно, чтобы не отвлекаться для дыхания.

Формул профессор почти не писал. Нарисовав мелом на доске водопроводный кран с набухающей каплей на конце, он начал рассказывать об аналогии между каплей воды и каплей ядерной жидкости — атомным ядром. До достижения некоторого размера капля на кончике крана устойчива, по крану можно щелкнуть, и капля не оборвет­ся (он щелкнул по нарисованному крану). Когда же, на­бухая, капля достигнет определенного размера, она сама оборвется. И неожиданно заключил: периодическая сис­тема потому и оканчивается на уране, что тяжелая капля ядерной жидкости — ядро урана — велика и находится на пределе устойчивости, подобно той капле воды на кон­чике крана, которая вот-вот оторвется от него. Когда после этого как само собой разумеющееся он предсказал воз­можность спонтанного деления ядра урана, возникло ощу­щение провидения.

Теперь, когда мне на лекциях приходится рассказы­вать студентам о ядре, я ловлю себя на том, что невольно пытаюсь повторять фразы и рисовать картинки, которые отпечатались у меня в памяти после той далекой предво­енной лекции, слышанной в юности.

Термин «деление» применительно к ядру впервые ис­пользовала Лиза Майтнер — выдающийся немецкий фи­зик. Она, однако, имела в виду аналогию не с каплей, а с амебой. Аналогия со сферической каплей, которая не деформируется тяжестью, оказалась значительно более глубокой и содержательной.

Естественно возникает вопрос, где основания для аналогии? Ведь недостаточно представить себе, что, по­добно жидкой капле, ядро имеет форму шарика. Видимо, Френкель усмотрел в строении ядра более глубокие ос­нования, чтобы уподобить его жидкой капле.

Поиски аналогий — потребность многих умов, проби­вающихся сквозь сплетения идей и фактов, сквозь заросли отрывочных наблюдений. Удача в этих поисках, как известно, зависит не только и, быть может, не столько от эрудиции и способности мыслить формально строго — она зависит от умения из множества жизненных наблюдений, из хранящихся в тайниках мозга некогда подмеченных штрихов явлений и событий в нужный момент извлечь именно те, которые наиболее полно походят на осмысли­ваемое явление или образ. Это совершенно естественная попытка мозга — среди известного, понятного, ставшего «своим» отыскать нечто такое, чему незнаемое уподобится, а уподобившись, потеряет загадочность и тоже станет «своим».

Иной сочтет поверхностное сходство достаточным ос­нованием для аналогии — такому путь к откровениям за­казан. Поверхностная аналогия не ведет к знаниям, а хитро уводит от них. Какая же аналогия окажется глубо­кой? Как и чем измеряется ее глубина? Чем руководст­воваться, чтобы не принять внешнее сходство за истин­ную аналогию? У одного из восточных народов в ходу муд­рость: «С нетерпением ожидая возвращения дорогого друга из военного похода, не ошибись, не прими стук своего сердца за топот копыт его коня». Как же не оши­биться? А ведь очень часто интуиция — именно ей и при­надлежит основная инициатива отбора в кладовых памяти всего подходящего к случаю — вместо истинной и глубо­кой аналогии предлагает нам, образно выражаясь, троян­ского коня. В словаре русского языка в качестве синони­ма слова «интуиция» называется слово «чутье». Так вот «чутьем» профессор Френкель был богато одарен. Он был богачом.

Об аналогии между атомным ядром и каплей жидкости, вернее, о том, в чем он усматривает основания для анало­гии, Френкель говорил так просто и естественно, будто она не была угадана его чутьем, а заведомо очевидна лю­бому студенту. Говорил доверительно, не низводя слуша­теля до положения школяра, которого известный ученый одаривает крупицами своих необозримых знаний, вынуж­дая себя при этом опуститься до школярского уровня. Он очень умело создавал иллюзию разговора «на равных» со слушателем, который чувствует себя вправе перебить лектора, усомниться в его правоте, выразить одобрение.

Силы притяжения, говорил он, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре, велики и могут противостоять силам электрического отталкивания, действующим между протонами в ядре. И это несмотря на то, что расстояния между протонами ничтожно малы — около 10-13— 10-12 см. Сравнив энергии различных ядер и их геометрические размеры, можно убедиться, что силы, удерживающие ней­троны и протоны в ядре, в одном существенном отношении сходны с обычными силами межмолекулярного взаимодей­ствия в жидкостях, а именно в том, что эти силы «коротко­действующие». Они обладают значительной величиной лишь на расстояниях, сравнимых с размерами частиц— протонов и нейтронов в ядре и молекул в обычной жидко­сти. Различия между ядерными силами и силами взаимо­действия между молекулами в жидкости заключаются в том, что радиус действия у первых в сто тысяч раз меньше, чем у вторых, а энергия связи — в миллион раз меньше. Различие, разумеется, огромное, но только количествен­ное, а не качественное, и аналогии оно не помеха.

Френкель обратил внимание на то, что объемы различ­ных ядер оказываются пропорциональными их массе, т. е. атомному весу соответствующих элементов. А это означает, что ядерное вещество, как и обычная жидкость, имеет постоянную плотность, которая от размеров ядра не за­висит. Вот теперь есть основания говорить о ядерной жид­кости, о ядре — капле. Плотность этой жидкости, гово­рил лектор, можно вычислить, и она оказывается в бил­лионы раз больше плотности обычных жидкостей, поверх­ностное натяжение — в 1018 раз больше поверхностного натяжения воды.

Не многим дано увидеть черты сходства между веще­ствами, характеристики которых различаются в такое число раз, а профессор Френкель увидел, и его интуиция не отступила перед числом с восемнадцатью нулями.

Аналогия — это значит не тождество, а аналогия, и где-то ей положен предел. И ядерная жидкость не тожде­ственна обычной. Ядра, капли ядерной жидкости, в от­личие от капель жидкости обыкновенной, имеют электри ческий заряд, связанный с входящими в их состав прото­нами. Вот это уже отличие принципиальное, а не количе­ственное, и оно определяет одно своеобразное свойство ядер- капель, которым не обладают обычные капли, дождинки или росинки. Именно это отличие и кладет предел ана­логии.

Представим себе в невесомости две капли: одну из обычной жидкости, вторую — из ядерной. Невесомость нам нужна только для того, чтобы силы тяжести не иска­жали их форму. Будем мысленно увеличивать объем этих капель. С первой из них, «обычной», это можно делать без всяких ограничений — ее форма будет оставаться сфери­ческой. Жидкость в капле будет подвержена лишь давлению всестороннего сжатия, которое обусловлено кривизной ее поверхности. А вот со второй каплей, ядерной, дело обстоит сложнее. Ее вещество электрически заряжено. Это значит, что полусферы, на которые капля может быть условно разделена, взаимно отталкиваются, подчиняясь закону Кулона, согласно которому силы отталкивания прямо пропорциональны произведению взаимодействую­щих зарядов и обратно пропорциональны квадрату рас­стояния между ними. Так как величина заряда каждой из ядерных полусфер пропорциональна их объему, т. е. ку­бу радиуса, а расстояние между ними — радиусу, то, очевидно, с увеличением объема капли силы отталкива­ния, которые пытаются исказить сферическую форму капли и в конечном счете разорвать ее, будут расти. Препят­ствует этому лапласовское давление, которое стремится придать капле сферическую форму. Это давление, однако, с увеличением капли убывает. Сколь бы малым оно ни было, в условиях невесомости его всегда будет достаточно для того, чтобы капля обычной жидкости оставалась сферической, а в случае заряженной капли с лапласовским давлением вступает в борьбу иное давление, элект­ростатическое, искажающее сферическую форму капли. Итак, два давления. Одно с увеличением размера капли падает, а другое растет. И, следовательно, это другое в конце концов окажется победителем: под его влиянием капля деформируется и разорвется на две разлетающиеся маленькие капли.