Роберт Оппенгеймер и атомная бомба

Рузе Мишель

Вторая лекция переносит нас в XX век. Она называется «Наука – средство действия». В ней Оппенгеймер рассматривает проблемы, которые не возникали в предыдущие столетия – проблемы взаимоотношений между старыми знаниями и новыми открытиями. Вторые не опровергают первых; они обобщают и расширяют их. К тому же то, что еще вчера было предметом открытия, сегодня становится инструментом для новых открытий, новым методом исследования и действия. Наиболее ярким примером является альфа-частица, открытая Резерфордом и вскоре ставшая для него средством исследования атомного ядра.

Столкновения альфа-частиц с атомными ядрами и вытекающие из них превращения элементов могут изучаться в единичных случаях, поскольку энергия, выделяемая даже при единичном столкновении или превращении, огромна по сравнению с энергией химических реакций и может быть зарегистрирована посредством тех изменений, которые она производит

в миллионах атомов внутри регистрирующих приборов и которые мы можем с помощью хитроумной аппаратуры усиливать по нашему желанию.

Благодаря альфа-частицам Резерфорд смог предложить первую «модель» атомного ядра и определить диаметр того незначительного пространства, в котором заключены положительные заряды атома – всего лишь одна десятитысячная часть диаметра самого атома! Он впервые осуществил превращения элементов. Чедвик, повторяя с альфа-частицами опыты Бете и Беккера и супругов Жолио-Кюри, установил существование нейтрона. А нейтрон, в свою очередь, стал инструментом для дальнейших исследований, тем более действенным, что, будучи электрически нейтральным, не нуждается в затрате энергии на преодоление электрического поля атомного ядра.

В настоящее время физики располагают значительно более мощной артиллерией для изучения атома, чем альфа-частицы Резерфорда и нейтроны Чедвика. Это – частицы космического излучения и элементарные частицы, разгоняемые в гигантских ускорителях лабораторий. Но еще прежде, чем ученые получили эти средства, им стало ясно, что система, состоящая из атомного ядра и сопровождающих его электронов, сильно отличается от Солнца и сопутствующих ему планет, что внутри этой системы не действуют законы ньютоновской механики и «что надо воспринять новые идеи по многим основным точкам зрения – таким, как причинность и даже природа объективности некоторых частичек физического мира». Таким путем мы подходим к изложению квантовой революции, которой посвящены третья и четвертая лекции: «Наука в ее развитии» и «Атом и пустота в третьем тысячелетии».

Оппенгеймеру выпала привилегия пережить великое достижение разума – квантовую революцию – в период обучения в британских и немецких университетах, и для воспоминаний о ней он находит лирические, почти мистические интонации. Здесь нам удается почувствовать всю разницу между наукой, которая еще только устанавливается, новой теорией, текущей как синтезирующаяся материя в жестком ложе математических формул, и уже готовым учением, установившейся и сформировавшейся теорией в том виде, как ее сегодня преподносят те, кто унаследовал ее от своих предшественников.

Опыт первых открытий в области атомного ядра – здесь слову «опыт» следует придать некоторый мистический оттенок – непередаваем. Равным образом, не может быть речи и о том, чтобы передать сущность всех этих открытий неподготовленным слушателям. Какую же надежду оставляет им Оппенгеймер?

«Мы должны рассказывать о сюжете наших открытий не так, как об этом говорил бы сонм ученых-специалистов, но как сказал бы человек, который жаждет при помощи аналогий, описаний и веры понять то, что другие обдумали, открыли и свершили. Такими бывают рассказы бывалых солдат, вернувшихся из чрезвычайно трудного и героического похода; рассказы исследователей, только что спустившихся с вершин Гималаев; рассказы о тяжелых болезнях или о мистическом общении с богом. Все эти истории передают немногое из того, что пережил сам рассказчик. Это нити, которые связывают нас друг с другом в обществе и превращают нас в нечто лучшее, нежели изолированные индивидуумы».

Следует ли видеть в высказываниях такого рода выражение чувства гордости и превосходства, чувства недоверия к интеллектуальным способностям простого слушателя? Не проскальзывает ли здесь скорее трагическое ощущение одиночества, потребность обращаться к людям, общаться с другими членами общества? Во всяком случае, после того как Оппенгеймер высказывает мысль о невозможности популяризировать науку, сам он предпринимает попытку объяснить «планетарную» модель атома Резерфорда (маленькое ядро с положительным зарядом, окруженное находящимися на значительных расстояниях отрицательными зарядами) и показать те затруднения, с которыми столкнулись ученые с первых же дней появления этой схемы.

Если бы электрон вращался вокруг атомного ядра, как планета вокруг Солнца, то его орбита под воздействием ядер-ной бомбардировки должна была бы более или менее вытягиваться или округляться, в зависимости от силы получаемых импульсов. Однако на деле не происходит ничего подобного. Движение электрона не подчиняется законам ньютоновской механики. Равным образом оно не подтверждает законы Максвелла. Элементарная теория электромагнетизма устанавливает, что перемещение электрического заряда по любым траекториям,

отличным от прямой, сопровождается излучением, связанным с известной потерей энергии. В бесконечно малый промежуток времени – меньше миллионной доли секунды – излучение электрона должно было бы пройти всю гамму частот, а сам электрон, по мере того как он терял бы энергию, приближался бы к ядру и в конце концов упал бы на него. Но этого также не наблюдается. Невозбужденные атомы водорода стабильны и идентичны, они не испускают никакого излучения и существуют вечно. Наконец, если атомы находятся в возбужденном состоянии, то они испускают излучение, однако только на определенных частотах, свойственных только данному виду атомов. При бомбардировке атомов электронами они могут принять некоторое количество энергии последних, но опять-таки в определенных количествах. Облученные светом атомы могут испустить электрон, но только при условии, что количество световой энергии соответствует заранее определенному минимуму. Именно исходя из этого, Нильс Бор пересмотрел схему Резерфорда, а Эйнштейн и Планк заложили основы квантовой теории. Понимание микрофизических явлений требовало отныне отказа ог традиционных понятий. Электрон переходит с одного энергетического уровня на другой, но мы не можем реально представить себе этот переход, исходя из движения материи. Поведение массы атомов в будущем может быть предсказано по теории вероятности, но нельзя в деталях предопределить заранее поведение каждого атома. «В самом сердце физического мира мы сталкиваемся с полным исчезновением причинности, которая казалась нам главнейшей характеристикой ньютоновской физики».

Однако последняя остается справедливой для микрофизического мира: мира машин, снарядов, звезд. Как примирить знания прошлого с новейшими достижениями физики? При помощи принципа соответствия, который формулируется на основе кванта действия. Если физические величины, характеризующие данное явление, значительно больше кванта, другими словами, если энергия и время данного явления значительно больше энергий и времени, которые имеют место в сфере атомных явлений, «статистические законы приводят… к вероятностям, которые все более и более приближаются к достоверности, апричинные характеристики атомной теории становятся несущественными и теряются в естественной неточности вопросов, относящихся к макроскопическим явлениям».

Но на этом не прекращается переворот в существовавших ранее представлениях.

Когда Эйнштейн открыл, что свет, распространяется прерывистыми пакетами энергии, казалось невозможным согласовать это открытие с всемирно принятой теорией Максвелла, по которой свет представлял собой цепь волн. Прерывистость предполагает наличие зерен света (фотонов), и тем не менее столь известное явление, как интерференция света, абсолютно схоже с тем, что происходит с волнами на поверхности озера. Впрочем, энергия каждого фотона является произведением кванта действия (постоянная Планка) на частоту данного фотона, и эта последняя величина предполагает волновой характер фотона. Но как зерна света могут одновременно быть и волнами? Луи де Бройль положил конец этому противоречию, предложив считать любые корпускулы – и не только фотоны – «связанными» с волной. Это справедливо для электрона, протона, нейтрона и даже для атома. Это было бы справедливо, обобщает Оппенгеймер, «и для больших тел, если бы не незначительность постоянной Планка, в результате чего длина волн у крупных тел практически незначительна по сравнению с их размерами и возможностью достоверно определить их положение и размеры».

Шредингер облек это обобщение в математическую форму. Так родилась волновая механика. Теоретическое развитие волновой механики, а также трудности, возникшие при опытной проверке, привели к еще более невероятным понятиям. «Волны» новой механики значительно более абстрактны, чем волны, которые до тех пор встречались в физике. Их толкование приводит только к статистическим предположениям: мы имеем такую-то долю вероятности встретить электрон в определенной точке, но мы не обладаем уверенностью в этом. Более того, чем точнее определяются скорость и импульс электрона, тем менее точно можно определить его координаты. И наоборот. Гейзенберг вывел математическое уравнение этой неопределенности. Вот как далеки мы ныне от ньютоновской механики: теперь не недостаток данных, а сама сущность природы приводит к тому, что нельзя одновременно определить все аспекты материальной системы в определенный момент. После принципа соответствия нам надлежит допустить принцип дополнительности; энергетический уровень электрона и его орбита являются взаимодополняющими понятиями: «Когда применяется одно из них, второе не поддается определению, и полное описание требует то одного, то другого понятия, в зависимости от данных, полученных в результате наблюдения, и вопросов, которые требуют ответа».