Резерфорд и материалистический подход к физике

Резерфорд представляет собой выдающуюся фигуру в физике, да, вероятно, и во всей науке XX века. Вся его работа была от начала до конца пронизана простой суровостью идей и отчетливо материальным и механистическим подходом к объяснению физических явлений. В этом отношении он гораздо больше напоминал Фарадея, чем Ньютона. Резерфорд думал сначала об атомах, затем об открытых им субатомных частицах, как о совершенно обычных материальных частицах, подобных снарядам, теннисным мячам или биллиардным шарам. Подходя к ним под таким углом зрения, он собрал множество данных о том, как они движутся или отскакивают от препятствия. Иногда частицы эти вели себя не так, как он ожидал. Он принимал это новое открытие как факт и ассимилировал его, создавая новую воображаемую картину структуры, с которой имел дело. Так, шаг за шагом, он перешел от изучения неустойчивых радиоактивных атомов к открытию атомного ядра и общей теории атома.

Искусственное превращение атомного ядра

В последние годы своей жизни он занялся изучением внутренней структуры самих атомных ядер, слив свою работу в этой области с работой группы блестящих своих ассистентов. В 1919 году он сделал решающее открытие, а именно, что посредством прямого удара альфа-частицы можно разбить ядро атома. С этого момента стало ясным, что человек может контролировать процессы, происходящие в ядре, если ему удастся найти соответствующие снаряды, чтобы его атаковать. Для того чтобы сделать это, существовало два способа: либо найти среди самих ядер такие, которые излучали бы подходящие снаряды естественным путем, либо более непосредственно—брать обычные атомы и ускорять их движение с помощью электричества.

Генерация частиц высокой скорости

Принят был Именно этот последний метод, хотя, как это ни парадоксально, большинство важных результатов было получено старыми методами получения элементарных частиц из радиоактивных веществ. Сам Резерфорд работал с аппаратурой, которая по своей простоте и дешевизне вряд ли могла бы найти себе равную в XIX веке и, пожалуй, больше походила на аппаратуру Гильберта в XVI веке. Это была знаменитая школа «сургуча и веревки» лаборатории Кавенднша. Простота ее была несколько фиктивной, поскольку фактически, если бы не знания, кропотливо накопленные с помощью значительно более совершенной аппаратуры XIX века, получить эти результаты было бы невозможно. Тем не менее она представляла разительный контраст по отношению к новым требованиям, предъявляемым к ускорителям заряженных частиц, или, как их популярно назвали, установкам для расщепления атома. Для того чтобы получить необходимые большие скорости частиц, нужна была аппаратура, отличная от той, которая имелась до этого времени в физических лабораториях, и создание таких аппаратов означало новую главу в истории взаимоотношений физики с достижениями промышленности. Опираясь на электропромышленность, Кокрофт и Уолтон сконструировали установку высокого напряжения, в которой атомы водорода могли подвергаться ускорению при напряжении около 1—2 миллионов вольт, и с ее помощью показали, что такие частицы могли расщеплять ядра целого ряда легких атомов.

Физика, связанная с электротехникой

Создание таких установок было возможным благодаря достижениям электропромышленности в начале столетия.Вместе с увеличением дальности передач электроэнергии появилась потребность в изучении линий высокого напряжения. В то же самое время достижения в технике связи, в особенности фантастически быстрое развитие радиосвязи, привело к овладению вакуумной техникой крупного масштаба. Потребность в создании физической аппаратуры для технических целей означала, что с середины 20-х годов научно-исследовательская работа в области физики и особенно в области атомистики будет еще теснее связана с электротехнической промышленностью. Уже один только объем затрат на эту работу и требующийся для нее технический опыт делали невозможным ее дальнейшее проведение в качестве простого придатка к университетской подготовке. Из ускорительной установки Кокрофта и Уолтона мощностью в 2 млн. вольт выросло множество современных гигантских ускорителей заряженных частиц. Новый принцип, введенный Лоуренсом в циклотрон и заключающийся в том, чтобы обеспечивать большую скорость частиц не в один прием, а серией последовательных импульсов, открыл путь для еще более мощных бетатронов, синхротронов, линейных ускорителей, фазотронов, дающих эквивалент десятков миллиардов вольт. Единственным ограничением является здесь вопрос стоимости, которая достигла к 1956 году порядка 10 млн. ф. ст. Оплатить такую стоимость уже не под силу небольшим государствам, которым пришлось с этой целью объединить свои усилия.

Чтобы полностью оценить те достижения, о которых будет рассказано ниже, было бы необходимо оглянуться на развитие другой отрасли физики, в задачу которой входит получение свободных электронов и управление ими, что будет рассмотрено ниже; однако во избежание разрыва преемственности целесообразнее непосредственно продолжить начатый нами здесь рассказ.

Нейтроны, позитроны и мезоны

30-е годы XX века явились свидетелем новой вспышки физических открытий, столь же серьезной, если не еще более серьезной, чем две предшествовавшие—в 1895 и 1912 годах. Радиоактивность, или излучение атомного ядра, где за предыдущие десять лет не было сделано почти никакого прогресса, опять становилась центром внимания ученых-физиков и явилась источником непрерывного ряда экспериментальных открытий, кульминационным пунктом которых должно было стать управление ядерными процессами. Первым крупным открытием явилось открытие нейтрона, полученного путем бомбардировки бериллия альфа-частицами. Фактически, когда нейтрон был впервые получен, он не был признан как таковой, а был принят за гамма-луч только потому, что концепция незаряженной частицы, которая сегодня кажется нам довольно простой, в то время, несмотря на то, что Резерфорд предсказал ее, никак не укладывалась в рамки существовавших представлений.

После того как нейтрон был наконец признан и благодаря экспериментам Чедвика в 1932 году нашел свое место как протон, лишенный своего положительного заряда, было обнаружено, что он представляет собой центральную фигуру в структуре ядра. Очень скоро после этого Андерсон открыл другую элементарную частицу, положительный электрон. Позитрон обеспечил необходимую симметрию между положительным и отрицательным во взаимоотношениях частиц и гораздо лучше, чем протон, с его почти в две тысячи раз большим весом, гармонировал с теорией Дирака, утверждавшей, что положительные заряды во вселенной представляют собой, так сказать, недостающие части мирового отрицательного заряда. Оказалось, что взаимоотношения нейтрона и протона отнюдь не являются простыми. И если раньше полагали, что ядро состоит из протонов и электронов, то теперь было обнаружено, что значительно правильнее будет сказать, что оно состоит из протонов и нейтронов, связанных вместе мощными силами, которые Юкава приписал в 1935 году гипотетической промежуточной частице, мезону. Здесь мы видим пример элементарной частицы, которая была сначала предсказана теоретически, а затем, в 1936 году, фактически наблюдалась Андерсоном и Неддермейером.

Из всех этих частиц нейтрон оказался наиболее пригодным для осуществления ядерного превращения. Ввиду отсутствия у него заряда он способен гораздо глубже проникать в вещество, приближаться и входить в положительно заряженные ядра атомов, отталкивающие положительно заряженные альфа-частицы и протоны. Действие нейтронов на различные ядра было изучено за короткий промежуток времени в 6 лет, с 1932 по 1938 год. То были годы, когда наука вообще и физика в особенности все больше чувствовали на себе влияние событий, приведших ко второй мировой войне.

Приход Гитлера к власти вынудил большинство крупных ученых-физиков покинуть Германию, а позднее и Австрию. Их работа должна была оплодотворить и ускорить достижения физики в Англии, Франции и Соединенных Штатах, в то время как в самой Германии все теснее сжимались тиски реакции, обскурантизма и коррупции.

Искусственная радиоактивность. Ядерные реакторы

Первое решающее открытие принадлежало Жолио Кюри, который нашел, что почти все атомы, подвергнутые бомбардировке нейтронами, сами становятся радиоактивными. Логическое следствие этого открытия было огромным. Оно означало, что естественная радиоактивность представляет собой только остаточную активность атомов, не успевших достичь устойчивых состояний. Радии уже использовался для определения возраста горных пород на земле, и он указывал, что возникновение земной коры произошло около 2 млрд. лет тому назад. Но другие элементы считались более или менее постоянными. Сейчас и это было поставлено под вопрос, и знание атомных превращений могло быть использовано для объяснения того, каким образом возникли элементы.

Солнечная теплота

Этой концепцией воспользовались Гамов и Бете для выявления источника солнечной энергии в механизме, с помощью которого четыре атома водорода соединялись для того, чтобы образовать один атом гелия. Было уже совершенно очевидно, что источником большей части энергии вселенной служат ядерные процессы. Внимание ученых было направлено тогда па выяснение того, каким именно образом происходит освобождение этой энергии. На основе изучения легких элементов возникала новая, ядерная химия с такими же комплексами превращений, какие наблюдались в обычной химии. В 1936 году Ферми, взяв за отправной пункт другой конец атомной шкалы, подверг бомбардировке нейтронами тяжелые элементы и заявил, что получил ряд элементов с большим весом, чем у любых других элементов, найденных в природе. Этого он в большинстве случаев действительно достиг, но вместе с тем, сам того не зная, вызвал и другие изменения, которые должны были оказаться более важными.

Деление ядра, 1938 год

Вплоть до 1937 года все имевшие место радиоактивные изменения заключались в том, что маленькие частицы либо присоединялись к ядру, либо выбрасывались из него. Наиболее крупным из выброшенных осколков была альфа-частица, содержащая два протона и два нейтрона. Однако в этом году Ган и Штрасман нашли, что некоторые из продуктов, полученных в результате облучения урана нейтронами, имели в общем меньшую массу, составлявшую чуть ли не половину массы атома урана. На этот раз было совершенно очевидно, что в данном случае имело место не выбрасывание из ядра какой-то частицы, а деление его. Стало ясным и то, что открытие это имеет огромнейшее значение.

Тяжелые ядра могут содержать значительно большее число нейтронов по отношению к числу протонов, чем легкие ядра. Когда атом урана расщеплялся, он по необходимости освобождал несколько нейтронов. Ну, а стоило только понять это (что произошло в 1938 году, главным образом благодаря работам Жолио Кюри), как возможность массовых превращений атома стала реальностью. Здесь мы имеем цепную реакцию, или своего рода явление лавинообразного нарастания. Если в ходе ядерного процесса оказывалось возможным добиться получения больше чем одного эффективного нейтрона на каждый первоначально затраченный нейтрон, то реакция происходила все быстрее и быстрее. Если дать этому процессу возможность продолжаться бесконтрольно, то получится взрыв; если управлять им, то результатом его явится вырабатывающий энергию ядерный реактор.

Цепная реакция. Бомба и ядерный реактор

Если бы это открытие было совершено в более спокойные времена XIX века, оно разрабатывалось бы в конечном счете для практического применения и, быть может, лет через 50 или около того нашло бы свое воплощение в новых машинах для выработки энергии. Отсутствие материальной заинтересованности и тот факт, что капиталы были вложены в уже существовавшие источники энергии, могли бы, однако, еще на бесконечно долгое время задержать развитие производства атомной энергии. Но, как известно, открытие ядерного деления произошло в канун новой мировой войны. По счастью для правительств Англии и Америки, некоторые из их физиков, особенно из числа тех, кто был изгнан из своей родины нацистами и фашистами, отдавали себе ясный отчет в военных возможностях сделанного открытия. Однако более удивительным было, быть может, то обстоятельство, что им удалось убедить военные и гражданские власти в необходимости крайне энергичной разработки проекта, главным образом потому, что если бы они этого не сделали, то противник, несомненно, первым создал бы свою бомбу. К несчастью для немецких ученых, хотя и к счастью для всего остального мира, они думали об ученых союзных стран иначе. Им казалось немыслимым, чтобы какие-либо другие ученые, кроме немецких, могли создать атомную бомбу, и в соответствии с этим они не торопились.

Самое быстрое применение науки

То, каким образом создавалась, испытывалась и была использована атомная бомба, составляет сейчас часть мировой истории, а не просто истории науки. Все это было описано, за исключением пресловутых «секретов» этой бомбы, в сотнях книг и научных докладов. Здесь следует только сказать, что направляющие физические идеи были почерпнуты почти прямо из экспериментов, проводившихся в университетских лабораториях, и из расчетов, вывезенных главным образом из Европы. Тот факт, что атомная бомба была создана в Соединенных Штатах, отчасти объясняется тем, что страна эта не была непосредственной ареной военных действий, отчасти же наличием у нее значительных технических ресурсов, в особенности в области химии. В действительности это означало, что бомба, а с нею и все оборудование и «секреты» освобождения атомной энергии с самого компании и оказались в руках трех или четырех крупных трестов, принадлежащих американской электротехнической и химической промышленности. Это обстоятельство послужило лишним поводом для ревнивого охранения тайны и упорного нежелания использовать атомную энергию после окончания войны для мирных целей.

Военные и политические последствия контролируемого производства атомной энергии будут рассмотрены ниже. Здесь же достаточно будет отметить, что в техническом отношении она представляет собой новый крупный скачок вперед в установлении господства человека над силами природы, силами того же порядка и, возможно, еще большего конечного значения, чем огонь, земледелие и пар. Стоимость производства ядерной энергии уже сейчас может быть приравнена к стоимости производства энергии, получаемой путем сжигания различных видов топлива, и мы можем с полным основанием ожидать, что с применением реакторов-размножителей, которые производят больше ядерного материала, чем потребляют сами, и могут использовать в качестве горючего наряду с ураном также и имеющийся в большем количестве торий, ее производство будет постепенно дешеветь. На протяжении примерно еще тысячи лет незачем будет опасаться нехватки ядерного горючего. Что мешает ядерной энергии стать доступной уже в ближайшее время, так это, в первую очередь, всепоглощающая потребность в оружии. Даже в Англии, весьма нуждающейся в горючем, большинство новых реакторов, которые будут построены в течение ближайших лет, предназначаются для производства ядерного материала для бомб. Вторым важнейшим фактором—не столько в области строительства, сколько в сфере дальнейшей разработки проблем ядерной энергии—является нехватка ученых и инженерно-технических работников, вызванная недооценкой (чего нет в социалистических странах) необходимости массового высшего научного образования. Но даже несмотря на эти помехи,—если только удастся избежать войны,—эра ядерной энергии быстро приближается, и к концу XX века эта энергия явится основным источником снабжения электричеством.

Может, однако, случиться, что на протяжении нескольких десятилетий ядерная энергия будет получаться не путем деления ядра атома, а путем ядерного синтеза или, другими словами, что мы будем изготовлять медленно горящие водородные бомбы. Курчатов уже сообщил об опытах, проведенных в Советском Союзе, в результате которых были получены в лабораторных условиях с помощью магнитного обогащения температуры порядка миллиона градусов, но никто не знает—или не мог сказать, если и знал,—насколько нам еще далеко до создания термоядерной печи или искусственного солнца. Лишь только это будет осуществлено, не нужно будет беспокоиться об энергии. Мы сможем иметь такое ее количество, какое сможем использовать.

«Атомы для мира». Женевская конференция 1955 года

Побочные продукты производства ядерной энергии уже приносят науке и человечеству пользу. Среди продуктов деления атома урана и других делящихся атомов, включая атомы действительно синтезированного нового элемента, плутония, имеется много радиоактивных изотопов или представителей обычных устойчивых элементов в неустойчивой форме. К ним может быть добавлено значительно большее число неустойчивых атомов, которые можно получить в реакторе, подвергнув устойчивые атомы интенсивной бомбардировке нейтронами. Это фактически означает, что весьма значительному числу в сто с лишним элементов, которые существуют в природе или могут быть произведены искусственно, может быть противопоставлено соответствующее число меченых атомов. Благодаря своей радиоактивности эти атомы легко обнаруживают свое присутствие, и, таким образом, возможно с помощью весьма малого количества их проследить те типы соединений и диссоциаций, через которые проходят атомы в химических процессах, включая химические изменения, происходящие внутри живых организмов. Реакторы и продукты реакторов могут быть также использованы в качестве замены дорогостоящего радия и как промотер полимеризации и затвердевания пластических масс. Перспективы производства энергии и других способов полезного применения деления ядер атомов значительно прояснились со времени Международной конференции по мирному использованию атомной энергии, которая состоялась в августе 1955 года в Женеве и сама по себе явилась серьезным признаком ослабления международной напряженности. До этой конференции покрывало секретности, окутывавшее всю область атомной энергии, было только слегка приподнято в наиболее невинных местах. Собравшись в Женеве, ученые-атомники Америки, Англии и СССР свободно обменялись почти всей имеющейся в их распоряжении информацией, кроме той, которая касалась бомб, и обнаружили, что в большинстве случаев все они шли одними и теми же путями. Как сказал председатель конференции, представитель Индии д-р Баба, «однажды сообщенное знание не может быть взято обратно». Сама по себе эта конференция ознаменовала первый шаг к оздоровлению международной атмосферы в области науки и указывает путь к более быстрому прогрессу— скорее в сфере сотрудничества, чем соперничества.

Космические лучи и мезоны

Орудие еще большей мощи, но пока еще не нашедшее себе военного применения, дает изучение космических лучей. Эти последние были открыты почти пятьдесят лет тому назад благодаря тому едва различимому влиянию, которое они оказывают на разрядку хорошо изолированных тел. Шаг за шагом раскрывалось их происхождение во внешней вселенной и их способность к глубокому проникновению в вещество. Новые технические приемы, основанные на исследовании Блэкеттом и Скобельцыным траектории отдельных частиц в камерах Вильсона и на методе фотопластинок Пауэлла, раскрыли существование множества частиц, некоторые из которых обладают столь высокой энергией, что не только проникают в атомные ядра или раскалывают их, но и заставляют разлетаться на множество осколков.

Из этих исследований вытекает не только то, что электрон, протон и нейтрон являются элементарными частицами, нуклонами, но также и то, что они устойчивы или долгоживущими. Наряду с ними существует также большое число неустойчивых промежуточных элементарных частиц, мезонов. Теперь выясняется, что это различные виды мезонов, отличающиеся своей массой, зарядом и продолжительностью существования. Наряду с ними следует отметить также антипротон и гипероны (частицы, более тяжелые, чем протон), которые могут быть получены в ускорителях, а также, по видимому, не имеющий массы нейтрино, чье существование было подтверждено через 23 года после того, как он был предсказан.

Существование короткоживущих мезонов указывает на тот факт, что наше обычное познание мира является весьма ограниченным нашими собственными способностями восприятия. Существует много вещей, которые могут играть в природе роль огромной важности, однако они не раскрываются нам либо потому, что слишком малы, либо потому, что так быстро изменяются. Все, что мы считаем перманентным, только соответствует длительному этапу в ряде последовательных изменений, и элементы ученых викторианской эпохи, подобно элементам Гераклита, находятся в состоянии постоянного движения. Поток может не всегда идти с одинаковой скоростью. Имеется много доказательств того, что подавляющее большинство известных нам сегодня на земле элементов было создано путем процессов, подобных тем, которые происходят в атомных реакторах, однако значительно более мощных. Уже один факт их существования и их относительное изобилие или редкость дают основание для выводов о первоначальном образовании солнечной системы и планет примерно 4 миллиарда лет тому назад.

Расширяющаяся вселенная

Успехи ядерной физики пришли в такое время, когда другие линии доказательства указывали на то, что вселенная прошла путь эволюции. Шаг за шагом средствами астрономии начали определяться размеры нашего Млечного пути, затем расстояния до близких и отдаленных туманностей, причем использовались результаты наблюдений через гигантские телескопы, самым крупным из которых является 100-дюймовый телескоп обсерватории в Маунт Вилсон, построенный в 1915 году. Когда эти измерения были объединены с результатами наблюдений спектров туманностей, было обнаружено совершенно непредвиденное красное смещение, по видимому указывавшее на то, что чем дальше находилась туманность, тем она быстрее отдалялась от нас. Казалось, что идея расширения вселенной не могла вызывать никаких сомнений, и, наоборот, что в далеком прошлом содержимое вселенной должно было занимать значительно меньше места, чем сейчас. В 1927 году Лемегр выдвинул смелое предположение, что вся материя, составляющая вселенную, была уплотнена в один атом, своего рода космическое яйцо, которое лопнуло во время первого, величайшего атомного взрыва не четыре, а пять миллиардов лет тому назад. Этот взгляд не был принят безоговорочно; существует много альтернативных теорий, начиная с таких, которые ставят вопрос о том, действительно ли красное смещение означает расширение, и кончая теми, которые постулируют не однократное сотворение, а непрерывное творение материи во вселенной.

Тем временем наблюдения близких и отдаленных туманностей, по видимому, раскрывают промежуточные фазы образования звезд, возможно также—и планетных систем. Фесенков в Алма-Ате сфотографировал ожерелья новых звезд, по видимому сгущающихся из клочков туманного вещества. В настоящее время наблюдения, эксперименты и теории находятся в таком состоянии постоянной смены, что единственно установленным кажется тот факт, что вселенная имеет историю.

Недостатки физической теории

Попытка проследить эту историю может, по видимому, дать столько же сведении о природе материи и радиации, как и об отдаленных небесных телах. В самом деле, новые открытия, особенно открытие мезонов и производимых ими разрушений атома, поставили существующие физические теории в очень большое затруднение, что, в частности, относится к законам взаимодействия элементарных частиц и к составу ядра. Те теории, которые существуют в этой области,—а следует признать, что в отношении многих явлений вообще нет никаких теорий,—построены на ad hoc аналогиях с квантовой теорией, приспособленной к значительно более мощным силам и меньшим расстояниям, существующим в ядерной физике. И поскольку в них замешаны модели „мутного хрустального шара”, „магические числа” и „странность” квантовых чисел, они даже имеют несколько магический — кабалистический душок. Судя по некоторым признакам, начинает возникать какое-то более всестороннее объяснение структуры ядра, хотя бы и только в сугубо математических формулах теории Брукнера.

Может, однако, оказаться, что необходим значительно более радикальный пересмотр теории относительности и квантовой теории, причем надо будет пытаться не кое-как приспособить нынешние теории, принимая лежащие в их основе предположения, а коренным образом пересмотреть их логическую и философскую базу. Именно таким образом ниспровергались более старые теории — во-первых, путем накопления полученных экспериментальным путем материальных доказательств, которых те не могли объяснить, и, во-вторых, путем критики основ аргументов, приведших к классической теории. Всякая новая теория, конечно, должна объяснять все или большую часть существующих фактов, но она будет принята только в том случае, если, помимо их объяснения, сможет быть использована для того, чтобы успешнее связать еше более широкие области опыта.

Мы сейчас вступаем в новую фазу критики физической теории, когда совершенно очевидная неудовлетворенность математических физиков несоответствием и неизящностью квантовой теории и теории относительности вызывает попытки радикальной их перестройки. Против этой теории выступают как гиганты старшего поколения—Эйнштейн, де Бройль, Дирак и Френкель, так и более молодые физики—Блохинцев, Яноши, Бом и Вижье. Хотя новые теории и многообразны, они, однако, имеют общие цели. Одной из этих целей является обобщение теории полей, которая объединит доселе раздельные теории: теорию относительности и теорию квантов. Другая состоит в устранении неизбежности индетерминизма новой квантовой теории, особенно связанного с Бором и Гейзенбергом. Победа достанется тому, кто сможет удовлетворительно объяснить новую и более широкую область физических явлений, внутриядерные силы и поведение всего множества короткоживущнх изменчивых ядер. Сейчас еще слишком рано говорить о том, что из этого в конце концов выйдет, ясно одно, что выводы, во всяком случае, будут весьма отличны от признанной ортодоксальности последних 25 лет.

Похожие статьи:

1. Ядерная программа США.
2. Теоретическая физика
3. Физика и структура материи
4. ФИЗИКА РАДИОЛОКАЦИИ
5. Физика и ориентирование птиц в полете