Роберт Оппенгеймер и атомная бомба: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В новой физике обнаружилось различие между сущностью предсказания событий в пределах атома и в макроскопическом мире, где соблюдаются принципы классической физики. Оказалось, что поведение элементарной частицы не может быть выражено через категории определенности и описывается лишь с помощью вероятностей.

Горячие головы пытались увидеть в этом открытии победу свободы воли над законами причинности и даже пытались найти для этого математическое выражение, используя формулы немецкого ученого Гейзенберга. Все это было чревато опасностью появления у невежд извращенного представления о научных методах. Оппенгеймер решительно разбивал все иллюзии, порожденные низкопробными метафизическими спекуляциями, и разъяснял истинное значение квантовой революции в истории познания, особо отмечая, что все возрастающая специализация в науке не дает возможности непосредственно делиться плодами исследований с непосвященными.

При этом он подчеркивал, что интеллектуальный и моральный опыт ученого может и должен быть доведен до сведения широких кругов для того, чтобы помочь как можно большему числу людей отстаивать их личные судьбы при решении проблем всего человечества. Корреспондент одной французской газеты спросил Оппенгеймера: «Полагаете ли Вы, что современные достижения теоретической физики могут доказать то, что уже издавна провозгласили как догмат различные религии, а именно, что способности Человека познавать и осмысливать Природу имеют непреодолимые пределы?» Оппенгеймер ответил на это следующим образом: «Мне кажется, что идея научного прогресса отныне неразрывно связана с судьбами человечества. На мой взгляд, такая точка зрения чужда какой бы то ни было религии. Развитие науки наглядно показало несоответствие между теоретически безграничными возможностями человеческого познания и ограниченными способностями одного человека; между бесконечностью и индивидуумом. И хотя в будущем возможность познать что-то новое, вероятно, станет привилегией меньшинства все более и более специализирующихся ученых, тем не менее сама эта возможность остается практически безграничной. Вот почему некоторые препятствия, которые еще в XIX столетии, казалось, лишали нас возможности представить себе единую картину мира, недавно оказались устраненными. Последние работы по определению возраста Земли, по выявлению сущности процесса перехода от неорганической материи к живой клетке, открытие свойств некоторых протеинов передавать от поколения к поколению генетическую информацию, а также исследования природы нервных импульсов – все это не что иное, как мосты, перебрасываемые через непознанное».

Великий сдвиг в теоретической физике нелегко объяснить, пользуясь повседневным языком. Наши концепции формировались в течение тысячелетий различных социальных отношений. Накапливались знания, доступные разуму человека, высекавшего огонь из кремня, и человека, обрабатывающего кусок металла на токарном станке. Философы облекли все эти концепции в форму абсолютных истин, но это не способствовало продвижению вперед.

При изучении связи между наблюдателем и изучаемыми им частицами света и элементарными частицами старые концепции обнаруживали свою непригодность; оказалось, что для этого может быть использован только математический язык. Но и в таком случае требовались большие усилия по обновлению старых представлений. Разве не с такими же трудностями, даже, пожалуй, еще большими, сталкивался человеческий разум еще тогда, когда надо было после открытия Пифагора принять представление о том, что Земля имеет не плоскую, а сферическую поверхность? Геродот издевался над столь абсурдной идеей, а Аристотель осмелился принять ее лишь в качестве гипотезы, которую не следует отбрасывать без проверки. Известно также, что почти через сто лет после Коперника Галилея чуть было не сожгли живым только за его утверждение, что Земля не находится в центре Вселенной.

В то же время мышление наше не сохраняет застывшую форму, как некий генетический признак рода. Напротив, мы заимствуем новые формы в процессе общения с физическим миром и социальной средой в течение первых лет нашей жизни, и впоследствии оказывается весьма затруднительным снова возвращаться к этому первичному обучению. Для того чтобы представить себе, время в виде четвертого измерения пространственно-временного континуума или представить частицу как материальное тело и волну одновременно, приходится разрушать прочно укоренившиеся системы мышления. Этот процесс требует больших усилий, но он возможен, и он окажется, конечно, гораздо более легким для нашей смены, по мере того как новые концепции врастут в культурное наследие.

Молодой физик Семон недавно сделал по этому поводу следующее замечание: «Концепция не является простой совокупностью идей; в то же время это и не результат, связывающий отдельные факты. Непосредственная ассимиляция концепций разумом возможна только у детей или у молодых людей. В зрелом же возрасте концепция формируется лишь в результате многолетнего изучения ее в различных аспектах, сравнения со всеми существовавшими до этого представлениями, а также подкрепления ее аналогиями. Концепция представляет собой систему ассоциаций и понятий, которая формируется во время развития сознания. И само приобретение концепции также является развитием сознания… Таким образом, представление о пространстве-времени и частице-волне привело человечество XX века к более высокому уровню познания. В настоящее время эти идеи приняты безоговорочно, и мы с удивлением констатируем, что молодые люди, заканчивающие теперь университет, воспринимают понятия пространство-время и волна-частица куда более непосредственно и легко, чем их учителя, благодаря тому, что начали изучение этих идей достаточно рано, и это позволило им более глубоко усвоить их сущность».

До конца прошлого века пространство считалось однородным, течение времени через всю Вселенную – непрерывным, а масса тела – неизменной. Теперь мы знаем, какому разрушению подвергла теория относительности эти великолепные принципы определенности.

Еще классическая физика косвенно принимала постулат непрерывности процессов в природе. И даже после того как было признано, что вещество состоит из атомов, в тех масштабах, в которых проводились опыты, установленные законы могли не принимать в расчет эту гипотезу. Так, в проводнике, к которому приложена возрастающая разность потенциалов, количество электричества, переносимого током, увеличивается непрерывно. Световая энергия, излучаемая нитью накала, также возрастает непрерывно по мере повышения температуры нити. Наконец, в соответствии с законом Френеля, для того чтобы толковать свет как колебание, как пакет волн, ньютоновская идея о корпускулярном строении света была отброшена окончательно, как тогда считали, ибо такое представление превосходно объясняло явление интерференции и вообще все известные тогда оптические явления.

Концепция о непрерывности материи оказалась первой, в которой была пробита брешь: с развитием химии представление об атоме приобрело конкретный смысл. Изучение броуновского движения (рассеяние частиц в жидкой среде) показало, что каждый мельчайший осколок вещества приходит в движение за счет собственной энергии; этим объясняется, например, давление, которое производит газ на стенки сосуда, а также температура тела, зависящая от степени возбуждения молекул. Как писал Жан-Луи Детуш, атомная теория расшатала, но не опрокинула традиционную физику: «Вместо того чтобы рассматривать вещество в виде непрерывных систем, оказалось достаточным предположить, что любая физическая система состоит из ансамбля малых систем, с помощью которых можно представить элементы в виде шариков с определенными атомными весами. Таким образом, изменился лишь способ описания структуры физических тел, а принципы механики остались неизменными».

Вслед за принятием гипотезы о прерывности вещества, ее пришлось распространить на электричество. Всякий электрический заряд оказался равным кратному числу одинаковых элементарных зарядов, величину которых определил Милликен. Было обнаружено, что при приложении разности потенциалов между двумя электродами разреженной трубки катод испускает частицы, несущие элементарные отрицательные заряды; масса этих частиц была также измерена. Оказалось, что эти электроны похожи на те, что образуют «свиту» ядра внутри атома,

Однако обстоятельства значительно усложнились, когда классической физике пришлось столкнуться с результатами исследования излучения черного тела. Черным телом называют любую систему, которая поглощает все лучи, попадающие в нее извне, и испускает излучение, зависящее только от собственной температуры. Каждой температуре соответствует строго определенное спектральное распределение излучения. Для определенной температуры максимум интенсивности излучения приходится на красную область спектра, но при повышении температуры максимум интенсивности смещается к более коротким длинам волн (к большим частотам); как известно, при нагреве металла он становится сначала темно-красным, а потом, по мере повышения температуры, белым; газ же, доведенный до высокой температуры, излучает синее свечение.

Электромагнитная теория света, разработанная Максвеллом, дала объяснение температурной зависимости спектрального распределения излучения черного тела, и опыт подтвердил выводы теории для больших длин волн в пределах красной и инфракрасной частей спектра. Однако для более коротких волн результаты эксперимента разошлись с предсказаниями теории. Немецкий физик и математик Макс Планк показал, что это препятствие может быть преодолено, если допустить, что обмен энергией между веществом и излучением не происходит непрерывно. Свет приносит энергию порциями, состоящими из неделимых квантов, величина которых остается постоянной для данной частоты спектра. Каждой длине волны электромагнитного излучения соответствует величина кванта энергии, которая может быть вычислена путем перемножения частоты и константы Планка. Эта универсальная постоянная играет в физике такую же важную роль, как число π в математике. Если выразить физические величины в системе измерений СГС (сантиметр, грамм, секунда), то постоянная Планка будет равна следующей десятичной дроби: ноль, запятая, двадцать шесть нолей, 655. А поскольку квант энергии увеличивается с частотой, то нетрудно понять, что в области более высоких частот спектра прерывистый характер энергии более явно отклоняется от результатов, предсказанных классической теорией.

Классическая физика оказалась в состоянии «переварить» представление о вещественности атома и даже электрического заряда, но принять идею о прерывности обмена энергией между веществом и излучением она не могла. Никто и не предполагая тогда, какого размаха достигнет в дальнейшем квантовая революция.

Следующий этап был пройден в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн дал объяснение фотоэффекту, открытому несколько ранее Герцем. При освещении металла последний испускает электроны. Число электронов зависит от интенсивности светового потока, но энергия каждого электрона зависит не от этой интенсивности, а от длины волны излучения. Эйнштейн предполагал, что свет состоит из корпускул, или фотонов, каждый из которых является носителем энергии. При столкновении фотона с электроном, находящимся внутри атома металла, фотон может его вытолкнуть из металла, сообщив ему при этом энергию, которая, естественно, зависит от энергии фотона. Чем больше интенсивность светового потока, тем больше фотонов, а следовательно, и выбитых электронов, однако энергия каждого электрона сохраняет зависимость только от длины волны падающего света. Эта гипотеза была подтверждена в 1923 году Комптоном, который открыл, что при столкновении фотонов с веществом некоторые из них отражаются, но с большей длиной волны, т.е. с меньшей энергией. Эффект Комптона удалось объяснить предположением, что при столкновении фотона с электроном первый сообщает последнему часть своей энергии и, отражаясь, уносит только остаток энергии.

Таким образом, Ньютон был прав, утверждая, что свет состоит из корпускул. Излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона поставили физику перед необходимостью ввести новое определение – квант. И тем не менее Френель не совершил ошибки: только представление о свете как о колебаниях позволяет объяснить явления интерференции и дифракции, обусловленные его волновой природой. Это противоречие привело систему научного мышления к глубокому кризису: в самом деле, если придерживаться обеих точек зрения, то свет ведет себя то как пакет волн, то как поток корпускул.

Представление о квантах только начинало свое победоносное шествие. Когда Резерфорд сделал первый набросок своей модели атома – плотное положительно заряженное ядро, окруженное маленькими отрицательно заряженными спутниками, вращающимися вокруг него на большом расстоянии, – то перед ним возникло чрезвычайно серьезное препятствие. В соответствии с законами электромагнетизма, установленными Максвеллом, электроны, вращающиеся вокруг ядра, должны были бы испускать излучение с непрерывным спектром, потерять при этом всю свою кинетическую энергию и через весьма краткое время упасть на ядро. Однако ничего подобного не происходит. Электроны не падают на ядро, а испускаемое атомом излучение квантовано, т.е. каждому химическому соединению соответствуют определенные спектральные линии,; связанные с длиной волн характеристического излучения атома.

С одной стороны, немыслимо отказаться от законов Максвелла, так блестяще подтвержденных результатами ряда экспериментов, например, открытием волн Герца. С другой стороны, модель Резерфорда превосходно объясняла отклонения альфа-частиц вблизи ядра атома. Нильс Бор, попробовал разрешить возникшие противоречия, введя представление о кванте в модель атома Резерфорда. При этом он выдвинул следующие теоретические ограничения.

1. Электроны могут перемещаться только по строго определенным орбитам (их радиусы кратны целым числам), образующим прерывистую последовательность. Существует орбита с минимальным радиусом. Радиусы остальных орбит в 4, 9, 16 и т.д. раз больше этого минимального радиуса, иными словами, расстояния дозволенных орбит от ядра возрастают пропорционально квадратам целых чисел. Чем дальше находится электрон от ядра, тем слабее притяжение, которое он испытывает, и тем проще его вырвать из атома.

2. При перемещении по одной и той же орбите электрон не излучает энергию.

3. При перескакивании с одной орбиты на другую электрон поглощает или излучает энергию: при переходе с более близкой на более дальнюю орбиту – поглощает, так как при этом он преодолевает силу притяжения ядра, в случае обратного перехода – излучает.

Переход с одной орбиты на другую соответствует излучениям со строго определенными частотами, которые вычисляются с помощью постоянной Планка. Исходя из этого, можно дать следующее объяснение прерывности спектра излучения светящихся тел: фотоны переносят энергию не непрерывно, а в виде квантов, соответствующих переходам электронов с одной орбиты на другую. Движение электронов внутри атома зависит, конечно, от его структуры, т.е. от природы данного химического элемента; каждое тело, которому сообщается энергия (например, при нагреве), возвращает ее затем в виде излучения со строго определенной частотой, специфичной для данного вещества. Всем известно, какое блестящее применение нашла эта закономерность. При изучении спектра излучения какого-либо тела можно определить его химический состав; именно таким путем удалось астрофизикам определить химические элементы, входящие в состав звездного вещества. Так, например, излучение натрия приходится главным образом на желтую и оранжевую части спектра, неона – на красную и т.д.

Бор предполагал, что орбиты электронов внутри атома представляют собой окружности. Зоммерфельд вывел уравнения движения применительно к эллиптическим орбитам, рассматривая модель атома в виде маленькой планетарной системы. Вооруженные этими уравнениями, физики получили возможность, зная атомное число элемента (т.е. число положительных зарядов ядра и соответственно количество электронов), точно предсказывать дозволенные орбиты электронов и частоты излучений, испускаемых электронами при перескакивании с одной орбиты на другую.

Луи де Бройль и волновая механика

Проверка квантовой механики на атоме водорода, содержащем только один электрон, показала совпадение результатов теории и эксперимента. Спектр излучения оказался точно таким, как предсказывали расчетные данные. Однако это превосходное соответствие было, к сожалению, нарушено, когда теорию попытались применить к спектру атома гелия, содержащего два электрона. Физики были вынуждены снова вернуться к чисто математическому описанию наблюдавшихся явлений, удаляясь все дальше и дальше от классических представлений. Это направление, возглавляемое прежде всего Луи де Бройлем, Гейзенбергом и Шредингером, привело к созданию новой революционной теории – волновой механики. Новая система позволила не только обосновать уже известные факты, но предсказала другие, которые были впоследствии подтверждены опытом; кроме того, она объяснила большую часть химических явлений. Вот к этому периоду развития физики и относится начало работы Роберта Оппенгеймера в европейских университетах. Используя могущественное «Сезам, откройся!» – волновую механику, а также все более мощные приборы для наблюдения, физики ринулись в исследования внутриатомной вселенной с тем пылом и жаждой предпринимательства, которые некогда вели конквистадоров к завоеванию сказочных земель.

Основная идея волновой механики заключается в том, что вещество, как и свет, сочетает в себе одновременно свойства волны и частицы, или, если вернуться к первой формулировке Луи де Бройля, любая частица связана с волной. Это справедливо не только для фотонов, которые составляют природу света, но также и для частиц, входящих в состав вещества, например для электронов. Существование волны, связанной с электронами, позволяет догадываться о причине того, почему в структуре, атома возможны только некоторые квантованные орбиты, расчет которых основан на целых числах: до сих пор в физике целые числа служили характеристикой процесса только при интерференции стоячих волн.

Но в применении к электрону, материальной частице, масса которого была уже измерена, представление о волне принималось весьма нерешительно. В 1927 году, в том самом году, когда молодой Оппенгеймер сдавал экзамены на степень доктора в Геттингене, двое его соотечественников – физики Дэвиссон и Джермер – показали, что пучок электронов, пропускаемый через очень тонкие пленки, подчиняется тем же законам дифракции, что и лучи света. А дифракция, хорошо известное из оптики явление, мыслима только в применении к пучкам волн.

Для волновой механики модель Резерфорда-Бора явилась лишь некоторым приближением, дающим более или менее верное изображение первичной идеи об атоме, связанное с привычной трактовкой результатов точных экспериментов. Действительность же оказывается гораздо сложнее. Ядро атома не похоже на Солнце, а электроны и того менее похожи на планеты. Квантовые числа обозначают не орбиты, а уровни и субуровни энергии. Волновая механика в отличие от классической механики не определяет заранее положения электрона в заданный момент. Более того, она доказывает, что такое предсказание невозможно; можно рассчитать только вероятность присутствия электрона в определенный момент в некоторой конкретной части пространства, окружающего ядро. Эта вероятность пропорциональна интенсивности волны в данной области пространства.

Во всех случаях, когда речь идет об измерениях отдельно взятой частицы, большинство предсказаний волновой механики выражается не конкретно, а в виде вероятностей. Это относится, в частности, к предсказаниям положения и энергии частицы в любой будущий момент времени. Введение понятия вероятности привело к большому смятению умов и по существу означало отказ науки от того, что до сих пор считалось ее незыблемым принципом – от причинности явлений в природе. Правильнее было бы сказать, что здесь речь идет о причинности нового типа: результаты расчетов вероятности не являются ни менее строгими, ни менее точными, чем данные вычислений на основе классической механики. Но они более сложны и содержат математические параметры, физический смысл которых трудно себе представить, пользуясь нашим опытом чувственного восприятия мира.