Цепная реакция. Неизвестная история создания атомной бомбы - Олег Фейгин

После Первой мировой войны Шредингер обосновался в Цюрихе, где и разработал теорию волновой механики, поныне остающуюся фундаментальной основой современной квантовой теории. В 1927 г. принял кафедру теоретической физики Берлинского университета, заменив ушедшего на покой Макса Планка. В 1933 г. эмигрировал в Великобританию, получив место профессора Оксфордского университета, и в том же году стал лауреатом Нобелевской премии по физике вместе с Полем Дираком за разработки новых перспективных форм атомной теории[48].

В 1936 г. вернулся в австрийский Грац, заняв профессорское место в университете. После аншлюса Австрии в марте 1938 г. был уволен и поспешно вернулся в Оксфорд, где летом 1939 г. принял приглашение прочитать курс лекций в Бельгии. В 1939 г., после начала Второй мировой войны и неожиданной оккупации Бельгии, ему с трудом удалось выехать в Ирландию. Тогдашний премьер-министр этой страны, Имон де Валера, в 20-х гг. был профессором математики в Оксфорде и, желая привлечь выдающегося теоретика к себе на родину, распорядился о создании специально под него Дублинского института фундаментальных исследований. В Дублине он оставался до 1956 г., после чего вернулся в Вену на специально созданную для него университетскую кафедру.

В 1944 г. Шредингер опубликовал книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики?», которая сформировала мировоззрение целого поколения ученых, вдохновив их видением физики будущего как науки, незапятнанной военным применением ее достижений. В этой же книге ученый предсказал существование генетического кода, скрытого в молекулах жизни.

Луи-Виктор Пьер Раймон де Бройль (1892–1987)

Луи де Бройль родился в 1892 г. во Франции. Первоначально, следуя семейным традициям, намеревался стать дипломатом, но под влиянием брата, Мориса де Бройля, занялся физикой. В 1913 г. Бройль был призван на военную службу, где служил в радиотехнических войсках. В 1925 г. представил в Сорбонну докторскую диссертацию «Исследования по теории квантов». К тому времени он успел опубликовать несколько важных работ о свойствах электронов, атомов и рентгеновского излучения, а также о квантах света.

В 1924 г. Луи де Бройль предпринял атаку на устоявшиеся представления о частицах и волнах. Он считал, что если свет ведет себя в одних случаях как волна, а в других – как частица, квант излучения, то почему те объекты, которые все привыкли считать материальными частицами, например электроны, не могут проявлять свойства волны? Аналогия со световыми квантами привела де Бройля к формуле для длины волны, связанной с любой частицей (такую волну стали называть волной де Бройля или волной вероятности).

Следует заметить, что волновыми свойствами, согласно квантовой механике, обладают все материальные тела. Например, пуля массой m = 9 г, имеющая скорость v = 900 м/с, обладает длиной волны 8 × 10–35 м, определить которую из опыта практически невозможно. Именно из-за малой массы элементарных частиц их волновые свойства играют существенную роль в их поведении. Гипотеза де Бройля позволяет сделать далеко идущие выводы. В частности, у электронов с энергиями от 1 до 10 000 эВ длины волны де Бройля те же, что и у рентгеновских лучей! Но тогда облучение кристаллической решетки пучком электронов должно давать на фотопленке примерно такую же дифракционную картину, какая наблюдается на рентгенограмме.

В 1927 г. Клинтон Джозеф Дэвиссон, Лестер Джермер и независимо от них Джон Паджет Томсон поставили эксперименты, полностью подтвердившие гипотезу де Бройля! Годом раньше Эрвин Шредингер вывел уравнение для волн де Бройля. Защитив диссертацию, французский ученый читал лекции в Сорбонне, а с 1928 г. – и во вновь организованном Институте Анри Пуанкаре. Тогда же он стал профессором теоретической физики в Сорбонне. В 1929 г. «за открытие волновой природы электронов» де Бройль был удостоен Нобелевской премии по физике.

Вольфганг Паули (1900–1958)

Швейцарский физик-теоретик, родился в Вене, в 1921 г. закончил Мюнхенский университет.

Первая научная работа была посвящена математическим вопросам единой теории гравитации и электромагнетизма и вышла в свет в 1918 г., а в 1921 г. Паули защитил докторскую диссертацию в Мюнхенском университете под руководством А. Зоммерфельда. В 1921–1922 гг. он был ассистентом М. Борна на кафедре теоретической физики в Геттингенском университете. Познакомился с Н. Бором и в 1922–1923 гг. работал в Институте теоретической физики в Копенгагене, помогал в издании работ Бора на немецком языке. В 1923 г. – доцент университета в Гамбурге; с 1928 г. – профессор Высшего технического училища в Цюрихе, в 1935–1936 и 1940–1946 гг. работал в Институте фундаментальных исследований в Принстоне.

Когда Паули работал в Геттингене, Бор занимался поисками закономерностей заполнения электронных оболочек атома, в частности, пытался объяснить, почему у атома, находящегося в основном энергетическом состоянии, не все электроны находятся на нижней орбите. Принимая участие в решении этой проблемы, Паули ввел понятие спина и в 1925 г. сформулировал один из важнейших принципов современной теоретической физики, согласно которому две тождественные частицы с полуцелыми спинами не могут находиться в одном состоянии, т. е. не могут обладать одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел (главного, орбитального, магнитного и спинового).

Например, если у двух электронов значения трех квантовых чисел совпадают, то значения четвертого должны быть разными. Отсюда следует, что на одной орбите могут находиться не более двух электронов. За открытие этого принципа Паули в 1945 г. был удостоен Нобелевской премии по физике. Принцип Паули дал объяснение закономерностям, которым подчиняется заполнение электронных оболочек атомов, и послужил исходным пунктом для объяснения тонкой и сверхтонкой структуры атомных спектров.

В 1927 г. Паули опубликовал статью, объясняющую природу парамагнетизма металлов, в которой сделал вывод, что поведение электронов в металлах подчиняется законам, основанным на принципе запрета, а не классическим статистическим законам. Совместно с П. Йорданом и В. Гейзенбергом заложил основы релятивистской квантовой теории поля и предпринял попытку формулировки квантовой электродинамики, введя общую схему квантования полей и заложив тем самым основы систематической теории квантования полей.

При обсуждении особенностей бета-распада Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино (1930–1933 гг.). Ему принадлежат также работы по мезонной теории ядерных сил, ряд обзоров по важнейшим вопросам современной теоретической физики, статьи по истории и философии науки и др.

Паули был удостоен медалей Х. Лоренца (1930), Б. Франклина (1952), М. Планка (1958) и Нобелевской премии (1945).

Вернер Карл Гейзенберг (1901–1976)

Выдающийся немецкий физик-теоретик родился в семье профессора истории Мюнхенского университета. В 1920 г. поступил на физико-математический факультет, где начал с кафедры математики, перейдя затем на кафедру теоретической физики. Защитив магистерский диплом в 1923 г., приступил к теоретическим исследованиям строения атома. Весной и летом 1925 г., болея сенной лихорадкой, Гейзенберг уединился на отрезанном от внешнего мира острове Гельголанд, где и разработал теорию матричной квантовой механики.

Матричная механика, как показало время, в математическом понимании эквивалентна появившейся год спустя квантово-волновой механике, заложенной в уравнении Шредингера с точки зрения описания процессов квантового мира. Однако на практике использовать аппарат матричной механики оказалось труднее, и сегодня физики-теоретики в основном пользуются представлениями волновой механики. В 1926 г. Гейзенберг стал ассистентом Нильса Бора в Копенгагене. Именно там в 1927 г. он и сформулировал свой принцип неопределенности, и можно с основанием утверждать, что это стало его наиболее значительным вкладом в развитие науки. В том же году Гейзенберг стал профессором Лейпцигского университета – самым молодым в истории Германии. Начиная с этого момента он вплотную занялся созданием единой теории поля, хотя, по большому счету, безуспешно. За ведущую роль в разработке квантово-механической теории в 1932 г. Гейзенберг был удостоен Нобелевской премии по физике.

С исторической же точки зрения личность Вернера Гейзенберга, вероятно, навсегда останется синонимом неопределенности несколько иного рода. С приходом к власти партии национал-социалистов в его биографии открылась самая труднопонимаемая страница. Во-первых, будучи физиком-теоретиком, он оказался вовлеченным в идеологическую борьбу, в которой теоретическая физика как таковая получила ярлык «жидовской физики», а сам Гейзенберг был публично назван новыми властями «белым евреем». Лишь после ряда личных обращений к самым высокопоставленным лицам в рядах нацистского руководства ученому удалось остановить кампанию публичной травли и угроз в свой адрес.