Текст книги "Избранные научные труды"

Автор книги: Нильс Бор

сообщить о нарушении

Текущая страница: 32 (всего у книги 58 страниц)

67 МЕХАНИЗМ ДЕЛЕНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДЕЙТРОНОВ ^*

^*Mechanism of Deutron-induced Fission. Phys. Rev., 1941, 59, 1042.

Как известно, при рассмотрении ядерных реакций, которые вызываются столкновениями ядер с дейтронами, необходимо принимать во внимание процессы двух типов. В процессах первого типа (процесс I) промежуточное состояние образуется путём захвата ядром всего дейтрона; в процессах же второго типа (процесс II) в ходе столкновения происходит расщепление дейтрона, в результате которого в составное ядро включается только нейтрон, а протон остаётся свободным. Как впервые было отмечено Оппенгеймером и Филлипсом ¹, а позднее более подробно рассмотрено Бете ², при определённых обстоятельствах сечение образования составной системы в процессе II может быть заметно больше, нежели в процессе I. Тем не менее в обычных ядерных реакциях пока ещё трудно установить чёткое различие между двумя упомянутыми типами процессов. В этой связи интересно отметить, что изучение процессов деления тяжёлых ядер под действием дейтронов открывает для этого новые возможности.

¹ J. R. Oppenheimer, M. Phillips. Phys. Rev., 1935, 48, 500.

² H. А. Вéthe. Phys. Rev., 1938, 53, 39.

Процессы деления не только легко отличить от всех других возможных ядерных реакций, но для них характерно, в частности, ещё и то, что необходимая для деления критическая энергия возбуждения различна для различных ядер. Именно в отношении возбуждения составного ядра процессы I и II существенно отличаются друг от друга. В то время как возбуждение, возникающее в процессах первого типа, намного превышает энергию связи нейтрона для всех рассматриваемых сейчас ядер, в процессах второго типа оно в среднем меньше этой энергии. Поскольку у наиболее распространённого изотопа урана, так же как и у тория, критическая энергия деления больше, чем энергия связи нейтрона, был сделан вывод ³, что деление урана и тория может играть заметную роль только в процессах первого типа. Даже если в некоторых интервалах энергии дейтронов процессы типа II и являются более вероятными, они почти всегда должны приводить просто к захвату нейтрона с последующим образованием радиоактивных изотопов урана и тория с известными периодами полураспада.

³ N. Bohr, J. A. Wheeler. Phys. Rev., 1939, 56, 449 (статья 61).

Одна из возможностей проверки приведённых выше аргументов состоит в сравнении выходов деления урана и тория. Это возможно благодаря тому, что вероятность деления составного ядра в процессе I может быть оценена хорошей степенью точности. Действительно, энергия возбуждения в процессе I не только достаточна для того, чтобы деление могло успешно конкурировать с нейтронной радиоактивностью, но даже и после испускания нейтрона возбуждение ядра всё ещё достаточно велико для того, чтобы последующее деление было весьма вероятно. Оценки показали ⁴, что полная вероятность деления составного ядра в процессе таких последовательных превращений близка к единице для урана и к 0,8 для тория. Эти предсказания, по-видимому, подтверждаются экспериментами Якобсена и Лассена ⁵, согласно которым при энергии дейтронов, равной 9 Мэв, отношение сечений деления урана и тория оказывается приблизительно равным 0,7.

⁴ N. Bohr. Phys. Rev., 1940, 58, 864 (статья 65).

⁵ J. С. Jacobsen, N. О. Lassen. Phys. Rev., 1940, 58, 867.

Однако в ходе последующего обсуждения этих экспериментов ⁶ выяснилось, что вследствие меньшего заряда ядра следует ожидать, что для тория сечение образования составной системы в процессах типа I должно быть на 25% больше, чем для урана. Следовательно, если бы весь эффект деления в обоих случаях был полностью обусловлен процессами этого типа, то, согласно теоретической оценке, отношение сечений деления тория и урана было бы около 1,0 вместо 0,8. Разница между этим значением и экспериментальным значением, равным 0,7, слишком велика, чтобы её можно было объяснить, если не предположить, что, по крайней мере в случае урана, заметная доля всего эффекта обусловлена процессами типа II. В пользу этого вывода говорит также более детальное сравнение сечений деления тория и урана при меньших энергиях дейтронов. Так, в экспериментах Якобсена и Лассена сечение деления дейтронами с энергией порядка 8 Мэв для урана относительно больше, чем для тория, как и следовало ожидать, если в случае урана эффект частично приходится на долю более низких энергий.

⁶ J. C. Jacobsen, N. O. Lassen. Det. Kgl. Danske Vidensk. Selsk. Math.-Fys. Medd. (Math.-Phys. Comm., Acad. Sci. Copenhagen), 1941.

Относительно больший вклад процессов типа II в сечение деления урана, чем в сечение деления тория, можно объяснить тем, что критическая энергия деления составного ядра для тория почти на 2 Мэв больше энергии связи нейтрона, в то время как для наиболее распространённого изотопа урана (U²³⁸) эта разница меньше 1 Мэв. Кроме того, возможно, что в рассматриваемой области энергий, где сечение деления составляет всего лишь менее 1% от полного геометрического сечения ядра, вклад, обусловленный редким лёгким изотопом урана (U²³⁵), не является пренебрежимо малым. Так как для этого изотопа критическая энергия деления составного ядра в процессе II почти на 1 Мэв меньше энергии связи нейтрона, возможно, что при малых возбуждениях вероятность деления для него намного больше, чем для тяжёлого изотопа.

Для выяснения различных возникающих в этой связи вопросов было бы очень желательно, чтобы были проведены эксперименты по делению под действием дейтронов более высоких энергий и особенно чтобы подобные эксперименты проводились с разделёнными изотопами урана и с протактинием, для которого критическая энергия деления составного ядра почти равна энергии связи нейтрона ⁷.

⁷ N. Bohr, J. A. Wheeler. Phys. Rev., 1939, 56, 1065 (статья 62).

Институт теоретической физики

Копенгагенского университета

Поступила 8 мая 1941 г.

1945

68 ВЫЗОВ ЦИВИЛИЗАЦИИ ^*

^*A Challenge to Civilization. Science, 1945, 102, 363, 364.

Успехи физической науки, сделавшие возможным освобождение огромных количеств энергии за счёт расщепления атома, положили начало подлинной революции в ресурсах человечества и поставили человечество перед лицом исключительно серьёзного вызова. Возросшее господство человека над силами природы, которое открывает ещё более богатые возможности для дальнейшего развития культуры, таит в себе в то же время угрозу нарушения равновесия, жизненно необходимого для процветания организованных сообществ, если само человеческое общество не сможет приспособиться к этой острой ситуации. Исключительное техническое развитие последнего столетия уже оказало глубокое влияние на социальную структуру каждой страны, но, очевидно, мы достигли сейчас такой ступени развития, которая требует нового подхода к проблеме международных отношений в целом.

Устрашающие средства разрушения, которые оказались во власти человека, очевидно, будут представлять смертельную угрозу цивилизации, если только с течением времени не будет достигнуто общее соглашение о соответствующих мерах предотвращения любого неоправданного использования нового источника энергии. Соответствующее соглашение потребует, конечно, упразднения барьеров, которые до настоящего времени считались необходимыми для поддержания национальных интересов, но ныне преграждают путь к достижению общей безопасности перед лицом беспрецедентной угрозы. В самом деле, только международный контроль любого шага, который мог бы представлять угрозу для безопасности всего мира, позволит в будущем любой нации бороться за процветание и культурное развитие без постоянного страха перед катастрофой.

С каким бы отказом по отношению к привычным прерогативам ни было сопряжено подобное урегулирование, следует ясно понимать, что в данном случае мы имеем дело с вопросом, связанным с глубочайшей заинтересованностью всех наций, хотя это и противоречит другим представлениям, согласно которым история и традиции воспитывают у них различные взгляды. Более того, свободный и открытый доступ к информации обо всех аспектах научного и технического прогресса, который должен быть основным условием эффективности контроля, сам но себе повлечёт далеко идущие шаги к познанию и взаимному пониманию культурных аспектов жизни различных стран, т. е. того, без чего едва ли возможно сохранить отношения уважения и доброй воли между нациями.

При всех этих обстоятельствах представляется, что возможность производства оружия массового уничтожения, против которого нельзя защищаться, не должна более рассматриваться просто как новая дополнительная опасность, которая угрожает нашему и без того находящемуся под угрозой миру. Скорее эта возможность является впечатляющим напоминанием того, как тесно связаны друг с другом судьбы всех людей. В самом деле, кризис, перед лицом которого сейчас стоит цивилизация, должен был бы представить уникальную возможность устранить препятствия, имеющиеся на пути к мирному сосуществованию между нациями, и повлечь за собой такое взаимное доверие, которое позволило бы им совместными усилиями реализовать огромные возможности, относящиеся к человеческому благосостоянию и вытекающие из прогресса науки.

Достижение этой цели, которая накладывает на наше поколение серьёзнейшую ответственность перед будущим, конечно, зависит от позиции всех людей мира. Однако значительная помощь может быть оказана при этом учеными во всём мире. Она заключается в том, что учёные должны дать объективную картину того положения, в которое поставлен мир, и указать, каким образом огромное развитие энергетических ресурсов может способствовать прогрессу человечества. При таком широком подходе, охватывающем и международные проблемы, также были бы полезными более тесные контакты между учёными, которые можно было бы организовать в рамках международного сотрудничества. Подобное сотрудничество принесло в свое время плодотворные результаты в области научных исследований и привело к столь далеко идущим последствиям.

Для того чтобы должным образом встретить этот вызов цивилизации, самым лучшим было бы, если бы мы занимались чисто научными исследованиями, не имеющими никакой иной цели, кроме как расширение границ нашего понимания природы, частью которой являемся мы сами. Будем надеяться, что наука, которая веками оставалась символом прогресса, достигаемого объединёнными усилиями людей, сможет внести решающий вклад в гармоническое развитие отношений между всеми народами, демонстрируя своим развитием настоятельную необходимость взаимного понимания между ними.

1946

69 ИДЕИ НЬЮТОНА И СОВРЕМЕННАЯ АТОМНАЯ ФИЗИКА ^*

^*Newton's Principles and Modern Atomic Mechanics. The Royal Society Newton Tercentenary Celebrations, Cambridge, 1946, p. 56—61.

Каждый из участников чувствует себя чрезвычайно польщённым, получив, благодаря приглашению Королевского общества, возможность участвовать в праздновании трехсотлетнего юбилея со дня рождения величайшего гения, которому все мы так обязаны за те основы, на которых базировалось всё дальнейшее развитие науки. С благоговением взирая на фундаментальные открытия Ньютона, мы даже не знаем, чем восхищаться в первую очередь: его ли провидением в вопросе об универсальном гравитационном притяжении тел или же умением раскрывать суть природных явлений, которое привело его к основополагающим открытиям в оптике, или, быть может, сверх всего этого удивительной способностью Ньютона подмечать и формулировать общие принципы и созданием эффектного для приложений математического аппарата. Возможно, было бы правильным сказать, что Ньютон не только привёл в порядок всю совокупность известных в то время данных, но и приписать его гению изумительную способность предвидеть последующие открытия и дальнейшее развитие науки.

Сформулированные Ньютоном принципы механики, которые являются образцом для любого причинного описания явлений природы, в действительности послужили основой всего последующего развития физики как науки и, как известно, использовались философами в качестве основного источника, питавшего их попытки установить окончательные категории человеческого мышления. Сейчас я попытаюсь обсудить, какую роль именно в этом отношении сыграл пересмотр основ непосредственных приложений даже самых элементарных наших концепций, таких, как пространственно-временны́е соотношения и причинность, на которые опирается современная физика. Прежде всего я попытаюсь показать, как с этих новых позиций мы можем, по-видимому, яснее, чем когда-либо, оценить ту мудрость и осмотрительность, которые проявлял Ньютон в своих неустанных попытках найти равновесие между анализом и синтезом. Для этой цели я вкратце напомню ряд основных фактов, характеризующих развитие физики в посленьютоновский период.

Одним из главных в ряду фундаментальных достижений было, несомненно, создание в прошлом веке теории электромагнетизма. Разумеется, представление об отсутствии связи между электрическими и магнитными явлениями относится к далёкому прошлому; однако более глубоко взаимосвязь между ними стала понятна только после открытия Эрстеда и прежде всего после удивительных работ Майкла Фарадея, результаты которых он впервые обсуждал в том самом зале, где мы сегодня собрались. Его фундаментальные открытия и оригинальные идеи послужили вскоре основой универсальной теории, созданной Клерком Максвеллом, в котором весь мир признает достойного продолжателя великого дела Ньютона. В начале своей работы Максвелл основывался непосредственно на положениях ньютоновской механики. Однако, когда его предсказания, относящиеся к распространению электромагнитного излучения, так убедительно подтвердились исследованиями и открытиями Герца и, по мере того как постепенно выяснялась внутренняя самосогласованность электромагнитной теории, естественно возник вопрос о возможности формулировки всех положений механики на основе принципов электромагнетизма.

Каким бы ни был окончательный ответ на вопросы такого рода, которые остаются нерешёнными и по сей день и которые неотделимы от самых фундаментальных проблем строения материи, открытие конечной скорости распространения любых взаимодействий, завершившееся созданием теории относительности, знаменовало собой значительное прояснение основ физики и усовершенствование методов описания физических явлений. Эйнштейну мы обязаны не только ясным пониманием относительного смысла понятия одновременности и взаимосвязи между временной и пространственными координатами. Благодаря его концепции о связи между пространственно-временны́м описанием с гравитацией вся наша картина мира приобрела большую степень единства и гармонии, нежели когда-либо ранее. Трудно переоценить значение теории относительности для выявления прежде неизвестных закономерностей и тот новый импульс, который она придала философии, подчеркнув, насколько сильно зависят результаты наблюдений от выбора позиции наблюдателей. В этой связи уместно также напомнить – и это постоянно подчёркивал сам Эйнштейн, – сколь многим современное развитие физики обязано проницательному ньютоновскому анализу тех парадоксов, которые возникают в рамках концепции абсолютного времени и пространства, послужившей Эйнштейну основой для таких всеобъемлющих обобщений.

Что же касается естествознания, то здесь в наши дни открылись совершенно новые перспективы благодаря более глубокому проникновению в сущность атомистической интерпретации физических явлений. Как и надеялся Ньютон, сформулированные им фундаментальные принципы нашли тут обширное поле приложений. Во-первых, механическая теория теплоты оказалась адекватной для объяснения общих законов термодинамики. Она опирается, с одной стороны, непосредственно на закон сохранения энергии, а с другой – на вероятностную интерпретацию понятия энергии. В связи с последним нужно подчеркнуть, что при статистическом рассмотрении тепловых явлений речь идёт не о принципиальном отказе от причинного описания движения каждого атома, а просто об использовании адекватных математических методов с целью применения положений механики к описанию поведения большого числа частиц. Даже когда речь идёт о выяснении структуры отдельных атомов, что стало возможным благодаря непостижимому прогрессу экспериментальной техники, то и здесь сформулированные Ньютоном принципы служат путеводной звездой при интерпретации новых результатов. Так, опираясь на эти принципы, Дж. Дж. Томсон пришёл к пониманию того, что электрон является универсальной компонентой материи, а Резерфорд – к открытию атомных ядер, которое в столь значительной степени способствовало развитию наших представлений об атомной структуре вещества. Немного найдётся примеров, когда бы открытие в большей степени, нежели это последнее, способствовало углублению и расширению наших познаний и привело к неожиданной и грандиозной революции, раздвинувшей границы человеческих возможностей.

Однако не менее существенным для этого прогресса было выяснение фундаментальных атомистических особенностей законов природы, которое вышло далеко за рамки древней доктрины о небеспредельной дробимости материи. Действительно, открытие Планком квантовых процессов, основанное па глубоком анализе общих законов теплового излучения, без сомнения, знаменовало собой начало новой эры в науке; оно показало, что все основные положения механики и электродинамики представляют собой идеализацию, применимость которой оправдана только тогда, когда мы имеем дело с процессами, в которых действии велико по сравнению с величиной универсального кванта.

В то время как во всех явлениях, доступных изучению во времена Ньютона и ещё очень долго впоследствии, это условие заведомо всегда выполнялось, теперь, при изучении атомных явлений, черты индивидуальности выступают вполне отчётливо, что исключает возможность какого-либо описания на языке классической механики и электромагнетизма. В частности, этих положений совершенно недостаточно для объяснения стабильности атомов, которой определяются специфические физические и химические свойства элементов и которая весьма существенна для самого существования твердых тел, являющихся нашими непременными орудиями во всех физических измерениях.

Если принять во внимание тот факт, что даже та информация о свойствах атомных частиц, которой мы располагаем (скажем, их масса и электрический заряд), получена на основе измерений, интерпретируемых в соответствии с классической механикой, то мы стоим перед лицом необходимости развить метод описания, в рамках которого учитывается существование квантов, но который в то же время представляет собой обобщение ньютоновской механики, где подобная интерпретация измерений однозначно вытекает из общих принципов. С самого начала было очевидно, что в новой теории придется внести изменения в формулировку принципа причинного описания явлений. Действительно, из самой постановки вопроса вытекало, что можно говорить только об относительных вероятностях реализации различных конкретных квантовых процессов, которые могут иметь место при заданных условиях.

При первых попытках подойти к решению этой проблемы пытались максимально сохранить принципы классической механики до тех пор, пока они не приходили в прямое противоречие с наиболее яркими квантовыми эффектами. На этом пути удалось внести известную ясность в значительное число физических наблюдений и, в частности, дать предварительное описание связи электронов в атомах, способное объяснить замечательную и известную из химии взаимосвязь между свойствами элементов. Однако вскоре стало очевидным, что всестороннего объяснения атомных явлений можно достичь только путём последовательного и более гармоничного обобщения положений классической физики, которое подобно ньютоновским работам должно сопровождаться решительным пересмотром основ всей механики.

Решающий прогресс в этом направлении был достигнут благодаря направленным усилиям ряда выдающихся физиков нашего времени, причём некоторые из числа тех, которые выдвинули наиболее смелые и глубокие идеи, сделали это, будучи такими же молодыми, как и Ньютон, когда он сформулировал свои фундаментальные принципы. Как теперь хорошо известно, метод, которым было достигнуто желаемое обобщение ньютоновской механики, состоит в интерпретации кинематических и динамических переменных классических уравнений движения как линейных операторов и связывании постоянной Планка исключительно с некоммутативностью произведений двух любых сопряженных переменных. Прямым следствием этого формализма явилась невозможность прежней простой интерпретации сразу обеих сопряженных переменных при описании физических явлений. Вместо этого устанавливалась взаимосвязь между степенями их определённости, которая нашла свое количественное выражение в принципе неопределённости Гейзенберга. Теории Ньютона и Максвелла являются двумя альтернативными аспектами всей этой схемы, известной в целом как квантовая механика, и связаны в ней с подкупающей последовательностью и простотой. Квантовая механика позволила нам разобраться в огромном количестве экспериментальных фактов аналогично тому, как ранее это достигалось с помощью теорий классической физики.

Решительный отказ от привычных представлений при трактовке физических явлений и, в частности, коренной пересмотр концепции причинного описания и даже отказ от отчётливой образности в пространстве и времени естественно породили сомнения в том, удовлетворяет ли квантовая механика всем требованиям, предъявляемым к теории, претендующей на полное описание. Однако нужно иметь в виду, что, коль скоро речь идёт об определённых квантовых эффектах, мы сталкиваемся в атомной физике с совершенно новой ситуацией, когда принципиально невозможно провести чёткое разграничение между внутренними свойствами объектов и их взаимодействием с измерительными приборами, которые необходимо использовать для самого обнаружения этих свойств. Разумеется, мы говорим здесь не о каком-то произвольном отказе от фундаментального ньютоновского положения о равенстве сил действия и противодействия, а только о невозможности точного учёта реакции объекта па воздействие измерительного прибора в условиях, когда для этой цели используются такие же самые объекты.

В самом деле, очень трудно согласиться с тем, что под экспериментом понимается просто некоторая ситуация, при которой мы можем непосредственно найти условия, необходимые для повторяемости изучаемого явления. Таким образом, при рассмотрении этих условий не возникает вопроса об отступлении от ньютоновского метода описания системы и, в частности, уместно подчеркнуть, что под часами, которые наряду с масштабами используются для пространственно-временно́го описания, понимается просто некоторое устройство, работа которого полностью описывается в рамках классической механики без учёта каких бы то ни было квантовых эффектов.

При подобных обстоятельствах первостепенное значение приобретают вопросы терминологии, точно так же как было и в случае основополагающих работ Ньютона. По существу все недоразумения возникают вследствие использования выражений типа «возмущение явлений посредством их наблюдения», – фразы одинаково непримиримой с любым недвусмысленным значением самих слов «наблюдение» и «явление». Действительно, при любой трактовке понятия «доказательство» под словом «явление» следует просто подразумевать полное описание как экспериментального устройства, так и наблюдаемых результатов. Это отнюдь не противоречит статистической природе результатов измерений, на которую только и претендует квантовая механика.

Известный парадокс, относящийся к кажущейся несовместимости свойств объекта, наблюдаемого при различных экспериментальных условиях, находит в рамках этого подхода свое объяснение во взаимоисключаемости необходимого для этих наблюдений экспериментального оборудования, и, в частности, весь произвол в интерпретации квантовой механики сводится к нашему праву выбирать для наблюдений те или иные приборы, примером чему может служить то, с какой широтой и изобретательностью делал это сам Ньютон. Хотя изучаемые в квантовой физике явления уже не могут быть связаны обычным образом, можно сказать, что они являются дополнительными друг к другу в том смысле, что только вся их совокупность исчерпывает свойства, присущие объекту, который допускает недвусмысленное определение. По существу концепция дополнительности представляет собой разумное обобщение самой идеи причинности.

Причина столь пристального внимания к этому вопросу состоит в том, что здесь мы получаем всеобщий урок подхода к интерпретации явлений, значение которого подобно ньютоновской механике выходит далеко за пределы самой физики. Глубокую аналогию с тем, что происходит в атомной физике, можно проследить особенно рельефно на примере одной проблемы наблюдения, с которой мы сталкиваемся в психологии. Так, при самоанализе всегда возникает вопрос о разграничении между разумным анализом и тем фоном, на котором он происходит. Это сходно с необходимостью различать при атомных исследованиях изучаемые объекты и приборы измерения. Говоря более конкретно, взаимоотношение между понятиями «мысли» и «эмоции» полностью аналогично дополнительному смыслу кинематических и динамических переменных в квантовой механике. В частности, степень произвола может быть переведена на наш язык просто как выражение именно того факта, что те ситуации, в которых можно говорить о свободе воли, и те, в которых разумно предпринять какой бы то ни было логический анализ психического состояния, являются взаимоисключающими.

Здесь мы особенно остро сталкиваемся с проблемой нашего собственного места в природе, к которой было приковано такое пристальное внимание Ньютона в последние годы его жизни. В этой связи прежде всего необходимо подчеркнуть, что говорить о позиции ученого в таких выражениях, как рационализм и мистицизм, весьма двусмысленно. Действительно, в беспримерной борьбе за гармонию формы и содержания нам всегда придется сталкиваться с изменяющимися границами тех областей познания, в которых удалось до какой-то степени разобраться. В этом отношении, конечно, чрезвычайно интересно, что анализ и синтез в атомной теории, которая в известной степени имеет дело с простейшими объектами во всём человеческом познании, столь серьёзно напомнили нам Старую мудрость, что в великой драме жизни мы являемся одновременно и актёрами, и зрителями.

Я опасаюсь, что, говоря всё это, возможно слишком сильно отклонился от нашей основной темы. Заканчивая, я чувствую, что должен попросить прощения за то, что не смог, подобно предыдущим ораторам, воспользоваться этим замечательным случаем для того, чтобы сообщить вам новые сведения из неисчерпаемого научного наследства, оставленного Ньютоном потомству, изучение которого требует познаний о состоянии науки и философии в его время, куда более глубоких, чем те, которыми я обладаю. Однако я надеюсь, что сумел передать вам свое впечатление о том неиссякающем вдохновении, которое работы Ньютона и по сей день вселяют во все начинания на пути развития науки в самом широком смысле этого слова. Пользуясь представившимся сейчас случаем, когда интернациональный характер этих начинаний проявился столь впечатляюще и радушно, я хочу искренне признаться в том, как много значила для меня счастливая возможность ранних и близких контактов с великой английской школой физиков, столь блестяще продолжающей традиции, непревзойдённым идеалом которых был сам Ньютон.