Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

Как хорошо известно, первые эксперименты Кокрофта и Уолтона по получению быстрых -частиц бомбардировкой ядер лития протонами впервые дали прямое подтверждение эйнштейновской формулы для общего соотношения между энергией и массой, которое в последующие годы служило неизменным руководством в ядерных исследованиях. Более того, Кокрофт указал, насколько точно измерения зависимости сечений от скоростей протонов подтверждали предсказания волновой механики, к которым пришёл Гамов в связи с теорией спонтанного -распада, развитой им и другими. В докладе, включающем в себя все известные в то время данные, касающиеся так называемого искусственного расщепления ядра, Кокрофт сравнивал также результаты экспериментов в Кембридже по протонной бомбардировке с результатами произведённых в Беркли экспериментов с дейтронами, ускоренными в циклотроне, только что сконструированном

Лоуренсом.

Обсуждение следующей темы было начато Резерфордом. Выразив чувство большого удовлетворения, которое принесло ему новейшее развитие того, что он называл современной алхимией, Резерфорд сообщил о наиболее интересных результатах, которые он вместе с Олифантом только что получил путём бомбардировки лития протонами и дейтронами. Эти эксперименты принесли доказательство существования неизвестных до того времени изотопов водорода и гелия с атомными массами 3, свойства которых в наши годы привлекли столь большое внимание. Лоуренс, весьма детально описавший конструкцию своего циклотрона, подробно доложил о самых последних исследованиях группы в Беркли.

Огромное значение имел другой результат — открытие Чэдвиком нейтрона. Это открытие самым драматическим образом подтвердило предвидение Резерфорда о тяжёлых нейтральных составляющих атомного ядра. Чэдвик начал доклад с описания планомерного исследования аномалий в рассеянии альфа-излучения в Кембридже и закончил некоторыми соображениями о роли, которую играет нейтрон в структуре ядра, а также о его важной роли в возбуждении ядерных превращений. Ещё до того как на конгрессе были обсуждены теоретические аспекты, связанные с открытием нейтрона, участникам было сообщено о другом важном успехе, а именно, о так называемой искусственной радиоактивности, которая создаётся контролируемым распадом ядер.

Сообщение об этом открытии, сделанном только за несколько месяцев перед конгрессом, было включено в доклад Фредерика Жолио и Ирен Кюри: этот доклад содержал обзор многих аспектов их плодотворных исследований, в которых были обнаружены процессы -распада с испусканием как положительных, так и отрицательных электронов. В дискуссии, последовавшей за этим докладом, Блеккет изложил историю открытия позитрона Андерсоном и им самим при исследовании космических лучей и интерпретацию этого открытия в рамках релятивистской теории электрона Дирака. Фактически мы оказались перед началом новой стадии развития квантовой физики, имеющей дело с процессами рождения и аннигиляции материальных частиц, аналогичных процессам испускания и поглощения излучения, в которых рождаются и исчезают фотоны.

Как хорошо известно, исходным пунктом Дирака было утверждение, что его релятивистски инвариантная формулировка квантовой механики, применённая к электронам, содержала в себе, кроме вероятностей процессов перехода между обычными физическими состояниями, также и вероятности переходов из таких состояний в состояния с отрицательной энергией. Чтобы избежать такие нежелательные следствия, он выдвинул остроумную идею о так называемом дираковском фоне (море), в котором все состояния с отрицательной энергией заполнены в полном соответствии с принципом исключения эквивалентных стационарных состояний. В этой картине электроны рождаются парами; в каждой паре один электрон с обычным зарядом появляется из фона, в то время как другой с противоположным зарядом изображается «дыркой» в фоне. Как хорошо известно, эта концепция подвела нас к представлению об античастицах (т. е. о частицах с противоположным зарядом и с магнитным моментом, направленным обратно по отношению к направлению спина); наличие античастиц оказалось фундаментальным свойством вещества.

На конгрессе были обсуждены многие особенности радиоактивных процессов, а наиболее содержательный доклад был сделан Гамовым; это был доклад об интерпретации спектров гамма-излучения, опирающейся на его теорию спонтанного и индуцированного альфа-излучения и протонной эмиссии и их связь с тонкой структурой спектров -излучения. Особым пунктом, который горячо обсуждался, была проблема непрерывного спектра -излучения. Исследования Эллиса по тепловому эффекту, производимому при поглощении испущенных электронов, казались просто несовместимыми с детальным балансом энергии и импульса в процессе -распада. Более того, данные о спинах ядер, участвующих в процессе, казались противоречащими сохранению момента импульса. Чтобы избежать таких трудностей, Паули ввёл смелую идею о том, что при -распаде вместе с электронами испускается сильно проникающее

излучение, состоящее из частиц с исчезающе малой массой покоя и полуцелым спином — из так называемых нейтрино; плодотворность этой идеи была доказана позже.

Вопрос о структуре и стабильности атомного ядра в целом рассматривался в очень важном докладе Гейзенберга. Исходя из принципа неопределённости он очень ясно почувствовал зыбкость предположения о том, что в пределах столь малой области, какую занимает атомное ядро, находятся столь лёгкие частицы, как электроны. Поэтому он сразу ухватился за открытие нейтрона, чтобы принять, что реальными составными частями ядра являются только протоны и нейтроны, и на этой основе дал объяснение многих свойств ядра. В частности, его модель подразумевала, что явление -распада должно рассматриваться как доказательство рождения положительных или отрицательных электронов и нейтрино при высвобождении энергии, сопровождающем превращение нейтрона в протон, и наоборот. И в самом деле, вскоре после конгресса большой прогресс в этом направлении был достигнут Ферми; исходя из этих предположений, ставших в дальнейшем направляющими, Ферми развил последовательную теорию -распада.

Центральной фигурой на Сольвеевском конгрессе 1933 г. был, конечно, Резерфорд, как всегда с необыкновенной энергией принимавший участие во многих дискуссиях. Этот конгресс оказался последним, в котором он участвовал. Он скончался в 1937 г. Его научная деятельность была на редкость плодотворной, и в истории физической науки трудно найти другой такой же пример.

VIII

Политические события, приведшие ко второй мировой войне, на многие годы нарушили регулярные сессии Сольвеевских конгрессов; они были возобновлены только в 1948 г. В те тревожные годы прогресс ядерной физики не ослабевал; он был даже доведён до практического использования колоссальной энергии, заключённой в атомном ядре. Хотя серьёзные осложнения в связи с этим прогрессом были у каждого на уме, никакого упоминания о них на конгрессе не было. Конгресс был посвящён проблеме элементарных частиц, — области, в которой появились новые перспективы благодаря открытию частиц с массой покоя, лежащей между массами электрона и нуклона. Как известно, существование таких частиц, мезонов, было уже предсказано Юкавой прежде, чем они были обнаружены в космическом излучении Андерсоном в 1937 г.; Юкава рассматривал их в качестве квантов полей с короткодействующими силами, которые возникают между нуклонами и весьма существенно отличаются от электромагнитных полей, изученных на ранней стадии развития квантовой физики.

Богатство этих новых аспектов проблемы частиц было как раз перед конгрессом раскрыто Пауэллом и его сотрудниками в Бристоле, которые систематически исследовали треки на фотопластинках, подвергавшихся действию космического излучения, а также изучали эффекты соударений нуклонов, обладающих высокой энергией, впервые полученных на гигантском циклотроне в Беркли. Действительно, выяснилось, что такие соударения непосредственно приводили к рождению так называемых -мезонов, которые в последующем распаде с испусканием нейтрино превращаются в -мезоны. В противоположность -мезонам, -мезоны, как было выяснено, не обнаруживают тенденции к сильной связи с нуклонами и самопроизвольно распадаются на электроны с излучением двух нейтрино. На конгрессе подробные доклады о новых экспериментальных данных сопровождались весьма интересными комментариями, которые касались многих сторон их теоретической интерпретации. Однако, несмотря на обнадёживающие успехи в различных направлениях, возникло общее убеждение, что физика стоит перед началом такого этапа, когда потребуются новые теоретические взгляды.

Особо обсуждался вопрос о том, как преодолеть трудности, связанные с появлением расходимостей в квантовой электродинамике, в частности, бросающиеся в глаза в вопросе о собственной энергии заряженных частиц. Попытки разрешения проблемы путём переформулировки классической электронной теории, фундаментальной для трактовки в духе принципа соответствия, явно терпели крах в силу того, что число сингулярностей зависит от вида квантовой статистики, которой подчиняются рассматриваемые частицы. Действительно, как впервые показал Вайскопф, сингулярности в квантовой электродинамике значительно снизились в случае фермионов, в то время как в случае бозонов собственная энергия расходится даже ещё сильнее, чем в классической электродинамике, в рамках которой, как уже подчёркивалось в дискуссиях конгресса 1927 г., все различия квантовых статистик просто несущественны.