Федор Кедров - Цепная реакция идей

• Название: Цепная реакция идей
• Автор: Федор Кедров
• Издательство: Знание
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1975

Книга посвящена жизни и научному творчеству шести выдающихся ученых-физиков XX века, сыгравших исключительную роль в развитии физики атомного ядра и элементарных частиц. Это англичанин Эрнест Резерфорд, советские ученые П.Л. Капица, Я.И. Френкель, И.Е. Тамм, французы Ирен и Фредерик Жолио-Кюри.

---

В 1944 году умер Мандельштам.

За год до этого Тамм писал: «В Мандельштаме я нашел учителя, которому я обязан всем своим научным развитием; научная связь с ним с годами непрерывно крепла». Теперь Тамм стал заведовать кафедрой теоретической физики Московского университета.

Физический институт имени П.Н. Лебедева, куда был приглашен Тамм, долгие годы находился на Миусской площади. Строительство этого научно-исследовательского института началось еще до революции при жизни инициатора его создания выдающегося русского физика Петра Николаевича Лебедева. Сам Лебедев не дожил до окончания строительства.

В пятидесятых годах для сильно расширившегося института с громадным штатом исследователей и вспомогательного персонала был построен обширный комплекс зданий на Ленинском проспекте. Здесь институт находится и поныне. Его теоретическим отделом заведует ученик Тамма академик Виталий Лазаревич Гинзбург.

Тамм часто встречался с физиками-теоретиками различных стран. Он работал практически во всех областях теоретической физики: в теории относительности, квантовой механике, физике твердого тела, плазмы, ядерной физике. В каждой из этих областей Тамм получил результаты, сами по себе достаточные для того, чтобы его имя вошло в историю физики.

Исследования, выполненные Таммом, несомненно, являются фундаментальными. Они играют большую роль в развитии физики, хотя и не относятся к тем, которые могут быть немедленно использованы в технике.

В тридцатые годы нашего столетия — знаменательные для физики годы — внимание Тамма привлекают теоретические проблемы ядра, элементарных частиц и ядерных сил.

В 1934 году, через два года после того, как ученик Резерфорда Джеймс Чадвик открыл в ядре нейтральную частицу, названную им нейтроном, Тамм проанализировал силы, действующие между протонами и нейтронами.

В этой работе Тамм впервые высказал мысль, что силы и вообще взаимодействия между частицами возникают в результате обмена другими частицами. («Я не знаю, что такое сила!» — восклицал Ньютон.) Он предположил, что в основе взаимодействия протона и нейтрона лежит обмен электрона и нейтрино. Тамм построил количественную теорию ядерного взаимодействия, но конкретная модель оказалась неподходящей. Сама же идея Тамма была очень плодотворной, и все последующие теории ядерных сил строились по схеме, разработанной Таммом.

Через несколько лет после того, как Тамм опубликовал свои работы по теории ядерных сил, где выдвинул идею их обменного характера, в физике произошло весьма важное событие. Японский теоретик Хидеки Юкава, развивая идеи Тамма и ссылаясь на его работы, предсказал существование новых, еще неизвестных ядерных частиц, которые он назвал мезонами.

Свойства мезонов, открытых в конце концов экспериментаторами, совпали с предсказанными Юкавой. Теперь эти частицы называются пи-мезонами. Хидеки Юкава за свое открытие получил в 1949 году Нобелевскую премию по физике.

Таким образом, идеи Тамма привели к большим успехам в понимании ядерных сил. По свидетельству учеников, Тамм считал эту работу одним из лучших своих научных достижений.

В 1943 году Я.И. Френкель и А.Ф. Иоффе в «Записке об ученых трудах И.Е. Тамма» высоко оценивали его научную деятельность. «Игорь Евгеньевич Тамм, — писали они, — является одним из наиболее крупных физиков-теоретиков в СССР. Его многообразные труды, посвященные различным и самым сложным вопросам физической теории — от крайне абстрактных до самых конкретных, — обнаруживают необыкновенную физическую интуицию и вместе с тем мастерское владение математическим аппаратом теоретической физики — сочетание, характеризующее самых одаренных и блестящих физиков».

В 1946 году заместитель директора ФИАНа известный физик В.И. Векслер так охарактеризовал научную работу Тамма: «И.Е. Тамм — один из наиболее выдающихся советских физиков-теоретиков. Его работы, в особенности по вопросам физики атомного ядра, хорошо известны у нас и за границей и имеют высокую оценку. В особенности интересен ряд работ И.Е. Тамма о природе внутриядерных сил. Также общим признанием пользуются исследования И.Е. Тамма по фотоэлектрическому эффекту. Много сделано им также и в области классической электродинамики».

На Ученом совете Института физических проблем 7 сентября 1953 года академик Л.Д. Ландау выдвинул кандидатуру И.Е. Тамма на очередные выборы в Академию наук СССР.

Тамм был избран академиком.

В 1958 году Тамму была присуждена Нобелевская премия по физике. Вместе с ним Нобелевскими лауреатами стали известные физики Илья Михайлович Франк и Павел Алексеевич Черенков. Премия была присуждена этим трем ученым за открытие и объяснение «эффекта Черенкова». Эффект излучения «сверхсветового электрона» был открыт экспериментально в опытах П.А. Черенкова, поставленных под руководством академика Сергея Ивановича Вавилова в 1934 году.

Вкратце история открытия эффекта Черенкова такова. В начале тридцатых годов С.И. Вавилов занимался исследованиями люминесценции. П.А. Черенков был его аспирантом. Он в 1934 году исследовал люминесценцию, возникающую в растворах солей, содержащих уран (уранил). Раствор облучался бета-излучением, возбуждающим люминесценцию. Комната, где работал Черенков, была совершенно затемнена. Наблюдать слабое люминесцентное свечение было мучительно для глаз и быстро. утомляло исследователя. В этих опытах Черенков обратил внимание на еще более слабое, чем люминесценция, синее свечение. Продолжая опыты, Черенков установил, что слабое синее свечение наблюдается не только в растворах солей, но и в чистых жидкостях, например в дистиллированной воде, спирте, толуоле, глицерине и других.

Когда Черенков поместил вещество, излучающее свечение, между полюсами электромагнита, то обнаружил, что свечение распространяется не во все стороны, подобно свету, а только по определенным направлениям, составляющим некоторый угол с траекторией электрона и образующим конус. Яркость свечения возрастет, если электроны отклонить магнитным полем в сторону, откуда смотрит наблюдатель, и, наоборот, станет слабее, если электроны отклонятся от точки, где находится наблюдатель.

Прибор для демонстрации этого характерного и неизвестного ранее свойства излучения Черенкова демонстрировался на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 году. Прибор построил Черенков. Он вызвал большой интерес у посетителей выставки, которые наблюдали, как, изменяя направление магнитного поля, можно заставить поворачиваться пучок синего света.

Тогда еще никто не думал, что благодаря своему удивительному свойству, излучение Черенкова будет практически применено в весьма ценных приборах для исследования ядерных частиц.

Тамм и Франк в 1937 году построили количественную теорию излучения Черенкова. Согласно этой теории электрон, как и любая другая частица, движущаяся в прозрачной среде со скоростью, превышающей скорость света в данной среде (она называется фазовой скоростью), должна сама излучать свет. Частицы иногда обладают такой большой энергией, что могут проходить значительный путь в прозрачной среде.

Быстрые электроны, испускаемые радиоактивными веществами или выбиваемые в веществе гамма-излучением, в большинстве случаев имеют скорость, превышающую скорость света в пустоте на одну десятую и меньше, следовательно, они должны сами излучать свет.

Электрон, движущийся в плотной среде, сопровождается V-образной волной — ее можно сравнить для наглядности с ударной волной, которая образуется за снарядом, летящим со скоростью больше скорости звука в воздухе.

Можно получить экспериментально частицы, двигающиеся со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. Такое движение электронов и вызывает эффект Черенкова. Принцип теории относительности Эйнштейна, гласящий, что частицы не могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света в пустоте, не нарушается.

Излучение Черенкова можно наблюдать не только при взаимодействии электронов с веществом, как в опытах Черенкова. Оно возникает и в случае взаимодействия с веществом других заряженных частиц: мезонов, протонов и т.д.

Теория Тамма и Франка объяснила эффект Черенкова с точки зрения классической электромагнитной теории. Она полностью подтвердилась экспериментами и дала огромный толчок множеству исследований, проведенных в Советском Союзе и во многих странах мира.

Позднее эффект Черенкова был объяснен с точки зрения квантовых представлений учеником Тамма академиком Виталием Гинзбургом.

Б начале считали, что свечение Черенкова не имеет практического значения, хотя само по себе представляет интересное физическое явление. Однако оказалось, что в оптическом диапазоне спектра электромагнитных волн оно может служить очень эффективным методом регистрации отдельных частиц и даже измерения их энергии. При движении через вещество заряженной частицы, например электрона, протона, мезона и других, в нем возникает световая вспышка, которую можно зафиксировать с помощью прибора фотоумножителя. Именно это свойство было использовано для создания счетчиков Черенкова. Эти счетчики получили широкое применение в экспериментальной физике, особенно в физике высоких энергий.