Текст книги "Под знаком кванта"

Автор книги: Леонид Пономарев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 18 (всего у книги 31 страниц)

В поисках последних понятий

На Сольвеевском конгрессе 1927 г., том самом, где квантовая механика в докладе Бора предстала как новая законченная теория атомных явлений, Лоренц говорил: «Для меня электрон является частицей, которая в каждый данный момент находится в определенной точке пространства; и если я воображаю, что эта частица в следующий момент будет находиться в другой точке, то я должен представить себе ее траекторию в виде линии в пространстве... Мне хотелось бы сохранить этот прежний научный идеал – описывать всё происходящее в мире при помощи ясных образов».

Лоренц – выдающийся голландский физик на рубеже веков – выразил общее умонастроение ученых того времени. Само по себе такое направление мыслей легко понять: всякая новая теория неизбежно должна преодолевать инерцию устоявшихся стереотипов мышления. Удивительно другое: как много великих физиков, включая и создателей квантовой механики, сомневались в ее основах и законченности. Среди них Планк, Эйнштейн, Шрёдингер, де Бройль, Лауэ, Ланде... Причем с годами их сомнения крепли – несмотря на впечатляющие успехи квантовой механики. (Вероятно, это было одной из причин, по которой Максу Борну Нобелевская премия была присуждена лишь в 1954 г.– через 28 лет после его знаменитой работы о статистической интерпретации волновой функции.)

Летом 1926 г. Эйнштейн писал Бессо: «К квантовой механике я отношусь восхищенно-недоверчиво». Уже в следующем году, на Сольвеевском конгрессе, его позиция вполне определилась и с годами становилась все более непримиримой.

31 мая 1928 г. он писал Шрёдингеру: «Философия успокоения Гейзенберга – Бора (или религия?) так тонко придумана, что предоставляет верующему до поры до времени мягкую подушку, с которой его не так легко спугнуть. Пусть спит...»

7 ноября 1944 г. он пишет Борну: «Большой первоначальный успех квантовой теории не может заставить меня поверить в лежащую в основе всего игру в кости». («Gott wurfelt nicht!» – «Бог не играет в кости!» – повторял Эйнштейн до конца жизни.)

За три года до смерти, 12 декабря 1951 г., он напишет Бессо: «Все эти пятьдесят лет бесконечных размышлений ни на йоту не приблизили меня к ответу на вопрос: что же такое кванты света? В наши дни любой мальчишка воображает, что ему это известно. Но он глубоко ошибается...» В своих сомнениях Эйнштейн был не одинок.

«Квантовую механику нельзя считать полностью завершенной»,– писал Планк в 1941 г.

Лауэ уже в начале 30-х годов считал толкование Бора основ квантовой механики «дурным паллиативом», а в апреле 1950 г. писал Эйнштейну: «Ты и Шрёдингер – единственные из известных современников, которые в этом деле являются моими единоверцами». Шрёдингер соглашался с ним, и когда ему указывали на успехи квантовой механики и ее повсеместное признание, сердился: «С каких это пор верность научного положения решается большинством голосов?» -писал он Борну в 1950 г.

Знаменательно, что все эти утверждения так или иначе содержат упоминание о вере. Эйнштейн и Шрёдингер, Планк и Лауэ – все они признавали могущество квантовой механики, но не верили в ее завершенность, хотя все их попытки доказать ее неполноту или противоречивость заканчивались неудачей. Их позиция требовала мужества: копенгагенская интерпретация довольно быстро стала догмой и любая попытка усомниться в ее основах могла стоить физику его профессиональной репутации. И тем не менее споры о квантовой физике продолжаются по сей день, издается даже несколько специализированных журналов, целиком посвященных проблеме интерпретации квантовой механики.

Своей ожесточенностью и непримиримостью споры эти напоминают иногда вражду религиозных сект внутри одной и той же религии. Никто из спорящих не подвергает сомнению существование бога квантовой механики, но каждый мыслит себе своего бога, и только своего. И, как всегда в религиозных спорах, логические доводы здесь бесполезны, ибо противная сторона их просто не в состоянии воспринять: существует первичный эмоциональный барьер, акт веры, о который разбиваются все неотразимые доводы оппонентов, так и не успев проникнуть в сферу сознания.

Сомнения физиков в основах квантовой механики отнюдь не способствуют укреплению доверия к ней у массы неспециалистов. Но задача истинного ученого не в том, чтобы любой ценой утвердить свои взгляды и авторитет, а в том, чтобы отыскать истину и подчиниться ей, даже если она противоречит его априорным убеждениям.

В чем суть этого нескончаемого спора? Он сродни попыткам отыскать главную истину и последнее понятие, из которых логически следуют все остальные. При всем многообразии сомнений противников ортодоксальной теории и изощренности обсуждаемых ими парадоксов суть их возражений сводится к отрицанию вероятностной интерпретации квантовой механики и принятого в ней определения «состояние физической системы».

Например, хорошо известно, что каждому радиоактивному элементу можно сопоставить характеристику – его период полураспада, то есть время, за которое распадается половина имеющихся ядер. С этим фактом согласны все – благо он легко проверяется. Однако при этом сторонники существующей квантовой механики убеждены, что период полураспада – одновременно и характеристика каждого отдельного ядра; точно так же, как 1/2 – вероятность появления герба в каждом отдельном бросании монеты. Оппоненты не согласны с этим и апеллируют к очевидности: ведь каждое индивидуальное ядро распадается хотя и в случайное, но

вполне определенное, свое время, не совпадающее со средним временем жизни ядра, которое поэтому – не более, чем удобная фикция, не имеющая отношения к физической реальности. Им отвечают, что квантовая механика запрещает использовать понятия, соответствующие ненаблюдаемым свойствам, подобным времени жизни индивидуального ядра. Но оппоненты отказываются принять это объяснение: для них оно выглядит как насмешка над здравым смыслом.

Одно из наиболее часто дискутируемых явлений – дифракция электронов при прохождении их через два близко расположенных отверстия. Обе стороны соглашаются, что след на фотопластинке может оставить только электрон-частица. Но тогда – и это рассуждение вполне логично – он должен пройти только через одно из отверстий, то есть интерференционная картина становится невозможной, поскольку она является результатом одновременного прохождения волны через оба отверстия. Сторонники традиционной квантовой механики напоминают о дуализме волна – частица и о дополнительных типах приборов. С их точки зрения два отверстия – это прибор, выделяющий волновые свойства электрона, а фотопластинка – прибор, фиксирующий его корпускулярные свойства.

Противников такое объяснение ни в коей мере не убеждает, поскольку квантовая теория в принципе не позволяет проследить, как же происходит этот переход от корпускулярной картины к волновой. Им объясняют, что это – чисто статистический процесс, которым управляют законы теории вероятностей. На это они отвечают словами Карла Поппера, который писал, что Гейзенберг пытается «дать причинное объяснение невозможности причинных объяснений», противопоставляют авторитет Лауэ, который отказался принять принцип неопределенности Гейзенберга, ибо «он ставит предел поискам более глубоких причин», и точку зрения Эйнштейна, который всегда настаивал, что вероятность – это наш способ представлять экспериментальные факты, а не внутреннее свойство квантовых систем.

Многочисленные оппоненты до сих пор не могут смириться с тем, что в рамках квантовой механики все вопросы об истинных характеристиках индивидуальных квантовых объектов и ненаблюдаемых явлений строго запрещены. Чтобы преодолеть этот запрет, было сделано множество попыток ввести в теорию так называемые скрытые параметры, детально описывающие «истинные» свойства объектов, знание о которых мы потом утрачиваем, усредняя по введенным параметрам. (Такую возможность, как и сам термин «скры-

203 тые параметры», обсуждал уже Макс Борн в своей статье 1926 г.). Все эти попытки, однако, до сих пор остались бесплодными и ничем не обогатили квантовую теорию.

Спорам об интерпретации квантовой механики не видно конца: гордость человека и его вера во всемогущество разума нелегко смиряются с открытыми им же пределами знания. Не все относятся к этим спорам одинаково серьезно: «Великая армия в своем движении в неизвестное дискутирует с интересом, а порой забавляясь канителью споров о том, что такое реальность и что такое истина»,– говорил Резерфорд в 1932 г.

Характерно, что никто из оппонентов не отрицает плодотворности и истинности заключений квантовой механики в области ее применимости. Нильс Бор хорошо сознавал этот слабый пункт позиции несогласных и с присущим ему мягким юмором любил рассказывать историю о своем соседе по загородному дому в Тисвилле. У этого соседа на двери была прибита подкова. Однажды кто-то спросил его, неужели он и в самом деле верит, что она приносит в дом счастье. «Нет, конечно,– ответил сосед,– но, говорят, она помогает даже тем, кто В нее не верит».

Но – «не хлебом единым жив человек», и, пока не исчезли бескорыстные сомнения, спор этот нельзя считать законченным. Он, конечно, не изменит основ существующей теории, но, быть может, облегчит поиски новых путей и понимание вновь открываемых явлений.

«Те, кто знает истину, отличаются от тех, кому она нравится, а те, кто предпочитают ее, не всегда находят в ней удовольствие».

Китайская пословица

«Реальность предоставляет нам факты столь романтичные, что воображение бессильно добавить что-либо к ним.»

Жюль Верн

Итоги

ГЛАВА 12

Вельгельм Конрад Рентген. Анри Антуан Беккерель. Пьер и Мария Кюри. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди. Энергия радия. Вокруг кванта

ГЛАВА 13

Химия радиоэлементов. Изотопы. Радиоактивное семейство урана. Стабильные изотопы. Энергия радиоактивного распада. Энергия связи ядер. Вокруг кванта

ГЛ А В А 14

В глубь ядра. Нейтрон. Искусственная радиоактивность. Медленные нейтроны. Деление ядер. Вокруг кванта

ГЛАВА 15

Туннельный эффект. Эффективные сечения реакций. Нейтронные сечения. Деление ядер. Вокруг кванта

ГЛАВА 16

Цепная реакция. Ядерный реактор. Вокруг кванта

ГЛАВА 17

Атомная энергия. Плутоний. Атомная бомба. Атомная проблема. Вокруг кванта

ГЛАВА 18

Свет Солнца. Тигли элементов. Судьба Солнца. Вокруг кванта

ГЛАВА 12

Василиск

Без огня не было бы человека. Того человека, который расщепил атом, достиг Луны и вычислил путь Земли среди звезд. Но уже в следующем веке огонь, который согревал человека на протяжении тысячелетий, погаснет. Оценки экспертов различаются лишь сроками: одни называют начало, другие – конец XXI века, но все они согласны в главном: запасам органического топлива на Земле приходит конец. Это – очень всерьез и надолго, хотя сегодня большая часть людей еще не успела привыкнуть к такому повороту истории.

Наша надежда и наше обозримое будущее – это атомная или, точнее, ядерная энергия. Не прошло еще и полувека с тех пор, как человек овладел энергией ядра,– по существу, все мы – современники этого события. При общей краткости человеческой жизни для нас это – редкая и неповторимая удача: со времен приручения древнего огня в истории человека не было события более важного, чем открытие «атомного огня». Поэтому овладение атомной энергией – не просто еще один эпизод в длинной череде научных открытий, это решительный перелом в развитии нашей цивилизации. Его значимость до сих пор не осмыслена не только людьми неискушенными, но даже частью интеллектуальной элиты.

Хотим мы этого или боимся – дальнейшая судьба человечества зависит от расщепленного атома: либо мы его обуздаем, либо он уничтожит нас – третьего выхода не остается. Дилемма эта вполне реальна и слишком важна, чтобы оставить ее решение на усмотрение сугубых специалистов – будь то ученые-атомщики, кадровые военные или профессиональные политики. Поэтому каждый человек должен иметь грамотное и свое представление о сущности физических процессов, от которых отныне зависит его жизнь»– точно так же, как он представляет себе теперь природу огня и молнии.

ВИЛЬГЕЛЬМ КОНРАД РЕНТГЕН

Как правило, рождение атомной эры связывают с грохотом первого атомного взрыва. Это неправильно: медный гром духового оркестра общепонятен и убедителен, но музыка началась не с него, а с простой мелодии и одной-единст-венной струны.

Сохранилась удивительная фотография: в комнате с большим окном у стены справа – лабораторный стол с приборами; у стены слева – высокий шкаф с препаратами, из окна в комнату льется свет, а за окном – двор и дорожка в старый парк. Это – лаборатория Вильгельма Конрада Рентгена (1845—1923) в Вюрцбургском университете. В канун рождества 1895 г. (электричества в нынешнем понимании еще нет! Радио и автомобилей – тоже нет!) в этой комнате впервые удалось заглянуть в глубь атома (о ядре еще не знают, электрон откроют через два года, понятие «квант» появится только через пять лет).

Глядя на эту фотографию, трудно поверить, что бесстрастная логика исследований всего через пятьдесят лет неумолимо приведет из этого кабинета на полигон в пустыне Аламогордо и на пепелище Хиросимы и Нагасаки. Не мог знать этого и Нобелевский комитет Шведской академии наук, но все же именно Рентгена он избрал в 1901 г. первым лауреатом Нобелевской премии. Будущее подтвердило правильность его выбора: именно с работы Рентгена началась цепь блистательных открытий, которую Резефорд назвал героическим периодом в истории физики, плоды которого мы сейчас пожинаем.

Ко времени открытия Рентгену было 50 лет, он вел размеренную жизнь немецкого профессора, отличался строгостью суждений и независимостью взглядов. Он был учеником Рудольфа Клаузиуса, а также известного немецкого физика-экспериментатора Августа Адольфа Кундта, школу которого прошли также знаменитые русские физики Петр Николаевич Лебедев и Борис Борисович Голицын. К 1895 г. Рентген был автором 50 научных работ, а его экспериментальный талант был общепризнан в среде профессионалов.

Во времена Рентгена знаменитая трубка Гейслера (трубка Плюккера, Гитторфа, Гольдштейна, трубка Крукса) была известна уже более 40 лет, с ней работали самые выдающиеся физики XIX столетия, и все же природа катодных лучей оставалась невыясненной. Трубку Крукса можно было встретить почти в любой лаборатории, и каждый исследователь менял в ней что-то, чтобы проверить очередную догадку или гипотезу. Только что, весной 1895 г., Жан Перрен собрал катодные лучи в «цилиндр Фарадея» и окончательно установил, что они заряжены отрицательно; в том же году Филипп фон Ленард выпустил их из трубки и определил длину их пробега в атмосфере,– казалось, еще немного – и природа катодных лучей будет разгадана. Их загадку обсуждали повсеместно, и Рентген также не остался к ней равнодушен: он

В Рентген

решил повторить

некоторые из опытов Ленарда.

Как и сотни исследователей до него, Рентген в своих опы

тах мог наблюдать красивое желто-зеленое свечение, которое возникало в месте падения катодных лучей на стенку трубки, отклонение этого пятна под действием магнитного поля и т. д. Так продолжалось до того памятного вечера 8 ноября 1895 г., когда Рентген вдруг заметил свечение полоски бумаги, покрытой флуоресцирующей солью бария, которая лежала в стороне от работающей трубки Крукса. Более того, трубка была в это время закрыта непрозрачным картонным футляром.

Рентген не оставил без внимания это случайное наблюдение: он был достаточно зрелым и опытным исследователем, чтобы сразу понять значение своего открытия. Последовало пять недель напряженного труда, в течение которых он велел приносить ему пищу в лабораторию и даже перенес туда свою кровать.

К концу декабря Рентген знал уже все основные свойства открытых им Х-лучей (так он их назвал тогда), включая их значение для медицины. (Позднее, отвечая на вопрос одного из многочисленных репортеров: «Что вы подумали, увидев вспышку флуоресцирующего экрана?» – он в присущей ему грубоватой манере скажет: «Я исследовал, а не думал».) 22 декабря 1895 г. можно считать началом флюорографии: снимок левой руки госпожи Рентген, полученный в этот день, вошел впоследствии во все книги по рентгеновским лучам. 28 декабря Рентген доложил о результатах своих исследований Физическому обществу и отправил статью с описанием свойств Х-лучей в научный журнал (она была напечатана уже 6 января 1896 г.). Кроме того, по обычаю тех лет, он написал письмо во Французскую академию наук.

Открытие Рентгена вызвало беспрецедентный и повсеместный интерес среди ученых и широкой публики: достаточно сказать, что статью Рентгена в течение нескольких недель издали пять раз отдельной брошюрой и перевели на несколько языков. Только в течение 1896 г. было опубликовано свыше 1000 научных работ и около 50 книг, посвященных изучению свойств Х-лучей, а в медицинской практике Х-лучи стали использовать уже через несколько недель. Сразу же были «открыты» Г-лучи, N-лучи, лучи Блондло и т. д.

Газеты немедленно подхватили и разнесли сенсацию, и вскоре некая английская фирма начала рекламировать нижнее белье, защищающее от Х-лучей, в сенат одного из североамериканских штатов внесли законопроект о запрещении использования Х-лучей в театральных биноклях, а самого Рентгена уже в середине января вызвали ко двору кайзера для демонстрации открытых им лучей. Публичные показы нового явления проводились повсеместно, на них ходили, как в театр, при виде человеческих костей на экране в публике случались истерики и обмороки. В мае 1896 г. знаменитый Эдисон построил в Нью-Йорке демонстрационный аппарат, который позволял каждому посетителю увидеть тень от костей своей руки. (Этот опыт окончился трагически: демонстратор Эдисона умер от тяжелых ожогов. Вероятно, и для самого Рентгена работа с Х-лучами не прошла бесследно: четверть века спустя он умрет от рака.)

Вспыхнули и споры о приоритете: на открытие рентгеновских лучей со свойственной ему агрессивностью претендовал Ленард (он умудрился до конца жизни сохранить враждебность к Рентгену), нашли даже фотографию в рентгеновских лучах, полученную в Америке за пять лет до Рентгена, вспомнили и Крукса, который жаловался на потемнение фотопластинок, лежащих вблизи работающей трубки. Но, как всегда в таких спорах, претенденты на открытие забыли, что в свое время они говорили и писали не совсем то и далеко не так, как это стало возможным после открытия Рентгена.

АНРИ АНТУАН БЕККЕРЕЛЬ

Весть об открытии таинственных Х-лучей, которые беспрепятственно проходят сквозь все предметы и даже позволяют заглянуть внутрь человеческого тела, распространилась чрезвычайно быстро. Уже 20 января 1896 г. Анри Пуанкаре зачитал письмо Рентгена на очередном заседании Французской академии, в тот раз чрезвычайно многолюдном. Член Академии Анри Антуан Беккерель (1852—1908) также присутствовал в зале, сидел в первых рядах и внимательно слушал сообщение. После прочтения письма он спросил Пуанкаре, что тот сам думает о природе Х-лучей. Пуанкаре отвечал, что, вероятнее всего, они возникают в ярком флуоресцирующем пятне, которое образуется в месте падения катодных лучей на стеклянную стенку трубки Крукса.

Люминесценция (и ее частный случай – флуоресценция) встречается в природе повсеместно: это и свечение экрана телевизора, и свет гнилушек, и мерцание светлячков южной ночью, и северное сияние в полярной ночи. Естественно, что научный интерес к ней возник по крайней мере за 300 лет до опытов Рентгена.

Для Анри Беккереля всё связанное с флуоресценцией было родным в самом точном значении этого слова: это явление изучали его отец Александр Эдмон Беккерель (1820—1891) и дед Антуан Сезар Беккерель (1788—1878), и Анри не нарушил традиции, посвятив свою жизнь его исследованию. (Впоследствии он продолжит еще одну семейную традицию: в 1908 г., незадолго до смерти, станет президентом Французской академии.)

В Музее естественной истории, профессорами которого последовательно были все Беккерели, хранилась великолепная коллекция флуоресцирующих минералов, собранная на протяжении жизни трех поколений, и уже на следующий день после заседания Академии Анри Беккерель смог приступить к своим исследованиям. (Для этого ему понадобились еще и фотопластинки, приготовление которых в то время требовало немалого искусства. Однако и здесь его выручила семейная традиция: отец много занимался использованием фотографии в астрономических исследованиях, в частности ему принадлежат первые цветные фотографии солнечного спектра.) Ход мыслей Беккереля был прост и логичен: Х-лучи возникают в флуоресцирующем пятне катодной трубки; весьма вероятно, что они каким-то образом связаны с явлением люминесценции; следовательно, надо проверить, не излу-

А. Беккерель

чаются ли Х-лучи минералами, обладающими свойством флуоресценции.

Идея его эксперимента была также предельно проста: надо взять фотопластинку, завернуть ее в черную бумагу, положить на нее минерал, выставить все это на солнечный свет и через некоторое время проявить фотопластинку. Если Х-лучи действительно возникают в процессе флуоресценции минерала, то они засветят фотопластинку – черная бумага для них не преграда.

Из своей богатой коллекции минералов Беккерель для задуманного опыта выбрал почему-то довольно редкую соль урана (возможно потому, что его отец посвятил много лет изучению именно этой соли, а быть может, просто по той причине, что лет 15 назад он эту соль собственноручно приготовил). А дальше все происходило именно так, как он предполагал и ждал: фотопластинку в черной бумаге с лежащей поверх нее солью урана он выставлял на балкон, держал ее там несколько часов под солнцем и после проявления фотопластинки на ней проступали очертания кристаллов соли урана.

24 февраля Беккерель доложил Французской академии о результатах своих первых опытов, которые как будто подтверждали гипотезу Пуанкаре. Доклад вызвал сочувствие и интерес слушателей, и было решено, что на следующем заседании, 2 марта, Беккерель сообщит о своих новых опытах. Как нарочно, 26 февраля испортилась погода и весь конец недели в Париже было пасмурно. Беккерель досадовал, но делать было нечего, и приготовленные для опытов фотопластинки с лежащими на них кристаллами урановой соли три дня пролежали без движения в ящике письменного стола.

В воскресенье, 1 марта 1896 г., Беккерель пришел в лабораторию. Над Парижем по-прежнему висела густая облачность. Назавтра в Академии ему предстоял доклад, а докладывать было решительно нечего. По этой ли или по какой другой причине он решил проявить хотя бы те фотопластинки, которые лежали у него в ящике стола в ожидании солнца. Трудно сомневаться в том, что Беккерель испытал счастливое волнение первооткрывателя, когда увидел на них отчетливые отпечатки кристаллов урановой соли, значительно более резкие, чем те, которые он получал при многочасовых облучениях кристаллов на солнечном свету.

Каждое большое открытие складывается из важных, часто утомительных мелочей, и лишь после того, как ощупью проделана вся подготовительная работа и планомерно изучены детали, счастливая вспышка случая может на мгновение осветить контуры целого. Но только истинный естествоиспытатель в этот краткий миг успевает правильно разгадать замысел природы. Подробности картины, внезапно открывшейся ему, дорисовать обычно несложно: с этим может справиться любой достаточно грамотный исследователь.

Впоследствии дотошные историки науки доподлинно установят, что еще за тридцать лет до Беккереля два исследователя Н. де Сен-Виктор и Л. Арнодон, наблюдали потемнение фотопластинок под действием солей урана. Однако ни они, ни три других современника Беккереля, которые поторопились сообщить о наблюдении рентгеновских лучей, излучаемых флуоресцирующими минералами, так и не стали первооткрывателями нового явления природы. Мотивы, по которым Беккерель решил проявить необлученные фотопластинки, могут быть различными, незначительными, чисто случайными, они могли прийти на ум любому из исследователей. Но не случайно то, что именно Беккерель сделал правильные выводы из неожиданных и непонятных фактов: он сознательно искал свое открытие и – главное – был к нему готов.

2 марта 1896 г. Беккерель сделал в Академии краткое сообщение о своих опытах. Еще через полгода он имел перед собой первую достаточно полную картину нового явления природы. Беккерель выяснил, что:

аналогичное действие на фотопластинку оказывают лишь те минералы из его коллекции, которые содержат уран;

действие это не зависит от вида минерала, а только от количества урана в нем;

эффект никак не связан с явлением люминесценции: чистый металл уран, не обладающий этим свойством, действует на фотопластинку точно так же (и даже сильнее), как и его флуоресцирующая соль.

23 ноября 1896 г. Беккерель доложил о результатах своих исследований Французской академии наук. Из них следовало, что уран испускает не известные ранее лучи (их быстро окрестили «урановыми» или «беккерелевыми»), которые аналогично А-лучам Рентгена действуют на фотопластинку и ионизируют воздух. Так было открыто замечательное явление природы, которое Мария Склодовская-Кюри в 1898 г. назовет радиоактивностью.