Жозе Фаус - Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?

• Название: Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?
• Автор: Жозе Фаус
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2015

В течение многих лет Вернер Гейзенберг считался одним из самых демонических представителей западной науки. И это неудивительно, ведь именно он стоял во главе нацистской ядерной программы, к счастью, безуспешной. И все же сотрудничество ученого с преступным режимом не заслонило его огромный вклад в науку. В 1925 году Гейзенберг обобщил беспорядочное на первый взгляд скопление наблюдений в сфере квантовой физики за предыдущие десятилетия, а через два года вывел свой знаменитый принцип неопределенности. Ученый заявил, что наблюдатель влияет на созерцаемую им реальность. Этот принцип и выводы, из него следующие, заставили недоумевать многих ученых, в том числе и Эйнштейна, который, протестуя, писал: «Мне хотелось бы думать, что Луна существует, даже если я на нее не смотрю».

---

В июле 1938 года Гиммлер приказал прекратить кампанию против Гейзенберга, однако предупредил его в письме: «[…] Будет лучше, если далее вы в своих выступлениях будете различать для себя результаты научных исследований и личную и политическую деятельность их авторов». Иными словами, Гейзенберг мог говорить о теории относительности, но не об Эйнштейне.

Вскоре после получения письма Гейзенберг был мобилизован на несколько месяцев и отправлен в Чехословакию на время так называемого Судетского кризиса, который завершился аннексией части Чехословакии. Однако полностью Гейзенберг был реабилитирован в глазах правительства только в 1942 году, когда он принял участие в немецкой ядерной программе. Незадолго до этого состоялось собрание сторонников и противников «арийской физики», на котором было принято компромиссное решение: преподавание теоретической физики и теории относительности было разрешено, однако упоминать имя «еврея Эйнштейна» по-прежнему запрещалось.

Гейзенберг всеми силами старался избегать идеологических дискуссий. В своих статьях и докладах, в выступлениях перед промышленниками, инженерами, военными и государственными чиновниками он всегда настаивал на том, что теоретическая физика высокого уровня (к ней относится и современная физика) играет крайне важную роль в образовании будущих поколений физиков и способствует продуктивному сотрудничеству науки и техники.

Глава 5 Деление ядра и ядерное оружие

В двух мировых войнах, определивших лицо XX века, широко использовались достижения науки и техники, что стало причиной неутихающих споров о моральной ответственности ученых. Во время Второй мировой войны Германия стала первой страной, где были начаты работы по ядерной программе, одну из ключевых ролей в которой сыграл Вернер Гейзенберг.

Этот период стал наиболее противоречивым в его жизни, что особенно ярко проявилось во время визита ученого в Копенгаген в 1941 году.

Весной и летом 1939 года ученые Германии, Великобритании и США уведомили политических и военных руководителей своих стран о возможности создания взрывного устройства, которое будет в миллион раз мощнее любого из известных на тот момент. Этот шаг был продиктован ощущением неизбежности войны, которая действительно началась 1 сентября, в день вторжения Германии в Польшу. Вторая мировая война стала примером беспрецедентного сотрудничества фундаментальной и прикладной науки и техники. В результате на свет появились радар, крылатые ракеты «Фау-1» и «Фау-2», а также атомная бомба. Спустя несколько недель после начала войны Гейзенберг был мобилизован для участия в немецкой ядерной программе.

От нейтрона – к ядерной физике

Открытие нейтрона в 1932 году сыграло ключевую роль в понимании структуры атомных ядер. Итальянский физик Энрико Ферми (1901-1954) сразу же заметил, что нейтрон, не имеющий электрического заряда, может легко проникать внутрь атомных ядер. Он провел систематическое исследование, облучив ядра всех элементов периодической таблицы пучками нейтронов.

Лиза Мейтнер

Лиза Мейтнер (1878-1968) получила докторскую степень в Венском университете в 1905 году, став в Австрии второй женщиной – доктором физических наук. В 1907 году она переехала в Берлин, чтобы учиться у Макса Планка. Почти сразу же после приезда началось ее плодотворное сотрудничество с Отто Ганом, кульминацией которого стало открытие протактиния в 1917 году, за что Мейтнер и Ган неоднократно выдвигались на Нобелевскую премию. В 1926 году Мейтнер стала профессором Берлинского университета и первой женщиной в Германии, получившей столь высокое научное звание. В 1930-е годы она совместно с Ганом начала эксперименты, которые привели к открытию деления атомного ядра. С аннексией Австрии в 1938 году Мейтнер стала гражданкой Германии и подверглась преследованиям ввиду еврейского происхождения. Она вовремя покинула Германию – всего через несколько дней в берлинское Общество кайзера Вильгельма пришло письмо из министерства, в котором стоял вопрос о «доле еврейской крови» профессора Мейтнер. Пробыв некоторое время в Голландии, Мейтнер получила работу в Швеции. Жалование было более чем скромным, оборудования не хватало. Она отказалась принимать участие в Манхэттенском проекте, сказав: «Я никогда не сделаю ничего для создания бомбы». В 1947 году, к 70-летию Лизы Мейтнер, Стокгольмский университет присвоил ей звание профессора.

Как и ожидалось, Ферми получил новые радиоактивные изотопы. В ходе изучения урана, самого тяжелого химического элемента в природе, ученый посчитал, что получил новые химические элементы с Z = 93 и 94 (для урана Z = 92), то есть трансурановые элементы. Однако группа Ферми не располагала необходимым оборудованием и должным опытом для того, чтобы однозначно определить присутствие подобных элементов. В Берлине условия для проведения подобных экспериментов были более подходящими. Работы австрийского физика Лизы Мейтнер и немецкого ученого Отто Гана очень высоко ценились с момента открытия ими протактиния в 1917 году. Теперь, по инициативе Мейтнер, они занялись поисками трансурановых элементов. Мейтнер готовила опыты по облучению урана нейтронами, Ган выделял продукты облучения с помощью химических методов, после чего Мейтнер описывала излучение элементов, полученных в ходе опытов. Однако вскоре произошло нечто неожиданное.

В конце 1938 года Ган и его юный коллега Фриц Штрассман обнаружили среди продуктов химической реакции барий. Это было неожиданно, ведь барий с атомным числом 56 не был трансурановым элементом. К этому времени Мейтнер уже покинула Германию с ее новыми нацистскими законами, однако из Швеции поддерживала переписку с Ганом, который сообщил коллеге о полученных результатах: «Наш «радиоактивный изотоп» демонстрирует те же свойства, что и барий […] Возможно, вы предложите нам некое фантастическое объяснение этому». По счастливой случайности, это письмо попало к Мейтнер именно тогда, когда ее племянник, Отто Фриш, гостил у нее на новогодних каникулах. Фриш также был физиком (он работал в институте Бора), и тетя с племянником провели праздники за тем, что вновь и вновь пытались объяснить результаты, полученные Ганом. Им удалось предложить удовлетворительное объяснение, взяв за основу недавно созданную модель, в которой атомное ядро уподоблялось капле жидкости.

Взаимное притяжение атомов в капле воды удерживает их рядом, однако их положение не фиксировано, поэтому капля воды меняет форму. Однако чтобы изменить форму капли, то есть увеличить площадь ее поверхности, нужно затратить некоторую энергию, определяемую поверхностным натяжением. Нечто подобное происходит и с атомными ядрами: нуклоны – протоны и нейтроны – удерживаются внутри ядра, которое может деформироваться подобно капле жидкости. Кроме того, следует учесть силу отталкивания протонов. Представим себе ядро урана (Z = 92) как ядро бария (Z = 56), соединенное с ядром криптона (Z = 36). Оно не распадается потому, что сохраняется равновесие между силами притяжения, удерживающими вместе ядра бария и криптона, и силами отталкивания. Однако это равновесие можно нарушить, добавив к ядру еще один нейтрон. При этом исходное ядро начнет совершать колебания и в итоге распадется на два ядра со значениями Z, меньшими, чем исходное, – именно такой эффект наблюдали Ган и Штрассман. Мейтнер и Фриш назвали этот процесс делением ядра и оценили величину энергии, выделяемую при реакции. Она была просто огромной.

Вернувшись в Копенгаген, Фриш сообщил о полученных результатах Бору в тот самый момент, когда тот отправлялся в поездку по США. В конце января 1939 года новость об открытии деления ядра распространилась по всему миру, и физики в различных лабораториях начали проводить многочисленные эксперименты, стремясь подтвердить последние результаты. Стало понятно, что при каждом делении ядра выделяется разное число нейтронов (в среднем 2,4), которые, в свою очередь, могут спровоцировать деление новых ядер урана. Этот процесс может вызвать цепную реакцию, способную высвободить за очень короткое время огромную энергию. Так, при полном делении килограмма урана выделяется столько же энергии, что и при взрыве примерно 10 000 тонн тротила. В свете грядущей войны открытие приобрело огромную важность.

Важнейшие теоретические особенности этого явления изучил Бор совместно с американским физиком Джоном Уилером. Статья с результатами была опубликована в июне. Исследование шло очень быстро, и это соответствовало всеобщему интересу к новому явлению. Попытаемся описать суть вопроса. Деление изотопа U238, который встречается чаще всего (он составляет 99,3 % от всего урана в природе), происходит только при бомбардировке нейтронами с очень большой энергией. С большей вероятностью в результате облучения образуется изотоп U239. Однако деление более редкого изотопа, U235, можно вызвать даже более медленными нейтронами. Так как нейтроны, испускаемые при делении ядра, обладают разной энергией, если мы представим, что они вызывают деление соседнего атома U235, наиболее быстрые нейтроны нужно будет «затормозить», чтобы они не были поглощены атомами U238.