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

На основе принципов волновой механики Гейзенберг дал математическую формулировку соотношения неопределенностей: некоторые параметры отдельных частиц связаны между собой таким образом, что их можно одновременно измерить только до определенной степени точности. Чем больше увеличивают точность измерения одного параметра, тем больше автоматически возрастает неопределенность другого параметра. Таким образом, чем более точно определяется положение электрона, тем меньше оказывается данных о его количестве движения (т.е. о его энергии), а чем лучше производится измерение количества движения электрона, тем менее точно можно установить его положение. При этом речь идет не о несовершенстве методов эксперимента, а о неизбежном следствии квантовой теории, установленном логическим путем.

«Есть много странного в том, что касается тождественности электронов и их опознаваемости, – отмечает Оппенгеймер. – Все они похожи друг на друга. Присущие им свойства, их заряд, их масса в состоянии покоя – одни и те же. Эту штуку хотелось бы представить себе более ясно, и когда-нибудь это, безусловно, удастся. Если бы классическая физика властвовала безраздельно, то можно было бы всегда опознать определенный электрон, тот самый, который уже наблюдался. Тогда можно было бы, хотя и не без труда, проследить за электроном, начиная с того места, где он находился вначале, не терять из виду его траекторию во время столкновений, взаимодействий, отклонений и его собственных изменений. И если при этом он бы столкнулся со вторым электроном, то можно было бы установить, по какому направлению будет перемещаться первый электрон, а по какому – второй. В действительности дело обстоит совершенно иначе, за исключением некоторых частных случаев, когда столкновения происходят при таких малых энергиях, что частицы могут быть описаны волнами, которые никогда не накладываются друг на друга в одном и том же направлении в один и тот же момент времени. За исключением этих условий, нет возможности различить электроны, тем более что в атомной физике электроны одного и того же атома и даже соседних атомов не имеют точно определенного положения и часто могут занимать один и тот же объем».

Итак, квантовая механика оперирует представлениями, которые могут быть выражены с помощью концепций, заимствованных из нашего макрофизического мира, только в грубом приближении. Этим объясняются те туманные сравнения, которыми пользуются сами физики, когда пытаются объяснить физический смысл хорошо понятного им квантового числа, например спина частицы, нематематическим языком. Спин изображают как вращательное движение самой частицы, подобное вращению планеты около ее оси, однако в отличие от планеты вращательное движение частицы имеет одну особенность: где бы ни находился наблюдатель, он всегда окажется на продолжении оси вращения. Каким образом это оказывается возможным? Справедливо ли предполагать, что частица вращается вокруг своей оси, как планета? «В действительности, – пишет Семон, – ошибка заключается не в наших словах, потому что мы всегда вправе расширять или ограничивать смысл употребляемых понятий, и не в нашей логике; дело в том, что только математическим методом можно точно и без внутренних противоречий описать спин электрона. Ошибка лежит в основе нашего восприятия, которое побуждает нас «увидеть» вращение электрона, в то время как речь идет об элементарной частице, которая подчиняется совершенно иным закономерностям».

Для простых смертных существует много других неясных понятий, с которыми приходится сталкиваться в математическом аппарате волновой механики. Так, например, волна, связанная с системой корпускул, перемещается не в обычном трехмерном физическом пространстве, а в абстрактном многомерном пространстве. Непривычно также появление мнимой единицы (корень квадратный из —1), обозначаемой через i, которая непременно входит в уравнения волновой механики, в то время как согласно здравому смыслу отрицательное число не должно иметь квадратного корня, потому что все квадраты чисел положительны.

А что можно сказать о принципе неопределенности, который с математической точностью устанавливает пределы основной погрешности процесса нашего познания? Остается повторить строку из шутливого стихотворения:

Чтобы понять значенье этих штук,

Закончить надо полный курс наук.

Но и после окончания полного курса следовало двигаться вперед, для того чтобы следить за новыми опытами и теоретическими построениями, создаваемыми в лабораториях и аудиториях Кембриджа, Копенгагена, Геттингена, Парижа и других научных центров.

Тем не менее мы придерживаемся в этом вопросе несколько более оптимистического взгляда, чем сам Оппенгеймер, который провозгласил следующее: «Современный уровень познания не может уже определяться богатством общей культуры человека, как это было во времена Афин или в Европе XV века. Достижения науки стали уделом небольших высоко специализированных групп ученых, которые не могут сделать их, как это было с опытом Ньютона, достоянием простых смертных». Это рассуждение ошибочно, во всяком случае в отношении роли, какую мог играть закон всемирного тяготения для «простых смертных», живших во времена Ньютона. Не следует также забывать о существенном различии между тем познанием, которое можно назвать сегодня технической специализированной наукой, служащей людям, призванным непосредственно использовать ее последние достижения, и знаниями, распространяемыми в наглядной и доступной форме для установления связи между системой мышления и развитием познания. Не может быть никакого сомнения в том, что популяризация знаний в нашу эпоху очень важна для общей культуры. А поскольку мы живем в обществе, на которое научный прогресс – идет ли речь о прикладных науках или о теоретических исследованиях – оказывает все большее и большее влияние, а сама наука движется вперед с большим ускорением, то человек зрелого возраста, оставшийся при багаже школьных знаний, приобретенных двадцать лет тому назад, оказывается оторванным от своей эпохи.

Этот увеличивающийся разрыв между школьными знаниями и научными достижениями, сделанными на протяжении жизни человека, создает такие сложные условия для популяризации научных знаний, каких не было ни в Афинах, ни в Европе эпохи Возрождения, но именно он и делает необходимость в популяризации сегодня гораздо более настоятельной. В то же время этот разрыв еще более увеличивается бессмысленностью наших школьных программ, уделяющих столько времени неправильным глаголам или пуническим войнам, в то время как двенадцатилетние мальчишки жадно интересуются ядерным расщеплением или астронавтикой и превосходно могут понять гораздо больше того, что им преподносят их ретроградные наставники.

Возможно, что скептицизм Оппенгеймера относительно возможности сделать абстрактные формы достижений современной физики достоянием общей культуры увеличился с годами, и, быть может, именно драма атомной бомбы, в которой на его долю выпала тяжелая участь ученого, оказавшегося в смятении перед лицом общества, оказала на него такое влияние. Все это мы увидим позднее. В 1929 году, когда Роберт Оппенгеймер снова ступил на американскую землю, можно с уверенностью сказать, что он не испытывал ничего похожего на чувство отчужденности. Карьера, которую он себе избрал, сулила ему одни лишь победы. Американские университеты раскрыли настежь перед молодым ученым свои двери: его первые успехи в Европе уже стали известны за океаном. Английские и немецкие журналы опубликовали работы Оппенгеймера о применении квантовой теории к распределению интенсивности между различными частотами спектров и поведении свободных электронов при их вхождении в пространство взаимодействия с атомами. Он мог выбирать между несколькими институтами, которые приглашали его читать студентам курс физики. После некоторого колебания Оппенгеймер остановил свой выбор на Калифорнийском университете в Беркли около Сан-Франциско. Говорят, что когда декан факультета спросил Оппенгеймера о причинах, побудивших его выбрать Калифорнийский университет, то Оппенгеймер изумил его, ответив, что его прельстила богатая коллекция стихов французских поэтов XVI и XVII веков, собранная в университетской библиотеке.

В этом не совсем серьезном ответе заметна та характерная для Оппенгеймера непринужденность в беседе, которая, по свидетельству тех, кто его знал, составляла черту его личного обаяния. И даже если ему задавали вопрос, относящийся к серьезной проблеме, то он отвечал на него слишком витиевато; однако после нескольких обходных маневров смущенный собеседник замечал, что ответ, казавшийся весьма далеким от вопроса, неожиданно становится ясным и раскрывает самую суть затронутой проблемы. Не так ли когда-то изрекали свои истины оракулы и апостолы?

После того как Оппенгеймер заканчивал годовой курс лекций в Калифорнийском университете, он обычно продолжал занятия в Технологическом институте в Пасадене, неподалеку от Лос-Анжелоса, и многие студенты следовали за ним из Сан-Франциско, не желая расставаться на шесть месяцев с преподавателем, который излагал новейшую физику, как увлекательную историю приключений человеческого разума. Вдобавок ко всему, молодой преподаватель обладал привлекательной внешностью: синие глаза под густыми бровями украшали его несколько неправильное лицо, «Несмотря на молодость «Оппи» (как его называли), подрастающее поколение американских физиков, – рассказывает Юнг, – уже смотрело на него, как на образец для себя, точно так же, как всего лишь несколько лет назад он сам смотрел на великих ученых-атомников в Европе. Благоговение, которое испытывали студенты к своему кумиру, было столь велико, что сознательно или несознательно они подражали многим его личным странностям. Держали, например, головы слегка набок, как это делал он, слегка покашливали и делали многозначительные паузы между фразами, складывая во время разговора руки перед губами, употребляли туманные сравнения, которые иногда звучали весьма значительно. Оппенгеймер, заядлый курильщик, имел привычку вскакивать и щелкать зажигалкой, когда кто-нибудь вынимал сигарету или трубку. В университетских кафетериях Беркли и Пасадены его студентов можно было узнать, издалека по их привычке время от времени дергаться, подобно марионеткам, с огоньками зажигалок в руках».

Между тем американские и иностранные журналы продолжали из месяца в месяц публиковать статьи Оппенгеймера, представлявшие большой интерес. И то, что имя Оппенгеймера не стоит рядом с именами великих открывателей новых путей в физике, нисколько не умаляет роли Оппенгеймера, как пионера новой области познания, неистощимого в своей научной активности. В то время теория и эксперимент особенно плодотворно дополняли друг друга. Уравнения волновой механики дали возможность углубиться в сущность взаимодействий энергии и вещества, поведения электронов и составных частей ядра. Ускорители частиц предоставили в распоряжение экспериментаторов снаряды, несравненно более мощные, чем альфа-частицы, возникающие в процессе естественной радиоактивности, которыми пользовался Резерфорд. Средства наблюдения и обнаружения также стали более совершенными.

Частицы, несущие электрический заряд, проходя через влажные пары в камерах Вильсона, оставляют после себя мельчайшие капельки тумана, которые обозначают их траекторию и дают возможность наблюдать столкновения между частицами, а также происходящие при этом изменения. Несмотря на то что камеры Вильсона тогда еще были довольно несовершенными, они все же позволяли наблюдать и регистрировать малейшие «события» во внутриатомной вселенной, а также пучки удивительных космических лучей, которыми много занимался Оппенгеймер. Отсчет быстрых частиц, пересекающих небольшой объем, производился очень чувствительными усилителями. Таким образом накапливались данные о потерях энергии каждой частицы, а следовательно, и о ее физической природе.

В то время физики, вооружившись представлением о структуре атома, состоящего из ядра, которое окружено электронами, подчиняющимися законам квантовой механики, начали атаку на само ядро. 1931 год отмечен важным открытием. Во время бомбардировки бериллия альфа-частицами было обнаружено новое весьма мощное излучение. Фредерик Жолио и Ирэн Жолио-Кюри [4] пропустили это излучение через парафин и заметили, что на пути неизвестных лучей возникают протоны, т.е. положительно заряженные частицы, входящие в состав атомного ядра. Новое излучение оказалось таким мощным, что оно не только выбивало электроны из атома (как это делают фотоны высоких энергий, гамма-лучи или рентгеновские лучи), но и разрушало само ядро. Это открытие наделало много шуму, но из-за недостаточности данных французские ученые неправильно истолковали природу излучения, испускаемого бериллием. Они ошибочно утверждали, что неизвестные лучи представляют собой электромагнитное излучение, т.е. фотоны, подобные гамма-лучам.

Британский ученый Чедвик, поддерживаемый Резерфордом, в лаборатории Кавендиша, оснащенной более совершенным оборудованием, чем в «героические годы», провел эксперимент, раскрывший истинную природу излучения бериллия: это оказался поток частиц, обладавших массой протона, но не имевших никакого электрического заряда.

Открытие нейтрона – так назвали новую элементарную частицу – завершило «модель» атома Резерфорда-Бора: Гейзенберг выдвинул гипотезу[5] о том, что ядро состоит из протонов – носителей положительного заряда и нейтронов, лишенных электрического, заряда. Это дало возможность объяснить существование изотопов – разновидностей одного и того же вещества с разным атомным весом; ядра изотопов содержат одинаковое число протонов, а следовательно, и положительных зарядов (атомное число, характеризующее их химическое сродство), но различное число нейтронов.

При изучении атомного ядра обнаружились новые затруднения. Сила, которая связывает электроны с ядром, известна – это кулоновское притяжение между разноименными электрическими зарядами. Но сила, которая соединяет протоны и нейтроны в ядро, не является ни тяготением, ни электрическим взаимодействием. Сила эта действует только на очень коротких расстояниях, но достигает громадной величины: вырвать протон или нейтрон из ядра можно только в результате бомбардировки ядра снарядами с высокими энергиями. Природа ядерных сил остается в центре дискуссий теоретической физики и на сегодняшний день.

Из работ, опубликованных Оппенгеймером в тот период, следует отметить исследование ядерного превращения лития при соударении с протоном. Ядро лития, которое содержит три протона и четыре нейтрона, поглощает падающий на него протон и изменяет свою природу: оно становится ядром бериллия – элемента с четырьмя протонами. Одновременно ядро отдает энергию в виде электромагнитного излучения – гамма-лучей с высокой энергией.

В годы, предшествовавшие второй мировой войне, было открыто множество ядерных реакций. Одни элементы превращались в другие под действием альфа-частиц, (ядра гелия), дейтронов (ядра тяжелого водорода: один протон и один нейтрон), протонов и нейтронов. Одновременно происходило излучение энергии либо в виде гамма-лучей (фотоны), либо в виде потоков различных частиц. Волновая механика продолжала оставаться инструментом теоретического анализа, с помощью которого удавалось объяснять, а иной раз и предсказывать физический механизм этих реакций и природу испускаемого излучения. Исходя из позиций волновой механики, удалось предсказать существование неизвестной еще тогда частицы – мезона, масса которого имеет промежуточное значение между массами протона и электрона. Мезон в поле ядерных сил играет роль, аналогичную роли фотона в электромагнитном поле.

Накануне мировой войны Оппенгеймер был признан одним из крупнейших теоретиков новейшей физики, а также блестящим преподавателем, воспитавшим в США плеяду молодых ученых, среди которых он пользовался огромной популярностью.

Так же как и в студенческие годы, интересы Оппенгеймера не ограничивались научными исследованиями. Однако теперь его волновали не средневековые поэты и не индийские мистики, а судьба мира, над которым нависла угроза гитлеризма. В немецких университетах, которые Оппенгеймер так хорошо знал, нацисты подвергли гонениям ученых «неарийского» происхождения, а вместе с ними и их коллег, которые пытались встать на защиту своих товарищей. Принуждение и страх вытеснили из Геттингена атмосферу свободного интеллектуального соперничества. Большинство немецких профессоров отступило перед натиском темных сил; это были люди, готовившие себя к тихой университетской деятельности и не обладавшие ни стойким самосознанием, ни политическим мужеством. Несколько посредственностей, а вместе с ними и два лауреата Нобелевской премии – Ленард и Штарк, активно поддерживали глумления национал-социалистов, не дожидаясь конца Веймарской республики, очевидно, следуя пословице «с волками жить – по волчьи выть». Эта группа мракобесов объявила «еврейской физикой» теорию относительности Эйнштейна и даже квантовую механику. Нильс Бор стал для них не более чем просто полуарийцем.

И, наконец, глупость достигла апогея: появились модели атомного ядра, одобряемые расовой теорией и не удовлетворяющие ей. Политический догматизм (в данном случае особенно убогий) грубо вторгался в сферы основного постулата всех научных исследований, направленных к познанию природы, – постулата о существовании объективной и рациональной истины, равнозначной для всех идеологий и всех социальных систем. Подобная обстановка не раз уже омрачала историю науки, да и сегодня приходится наблюдать подобное положение в ряде стран. Однако наступление, проводившееся против интеллигенции в гитлеровском государстве, приняло особенно варварские формы. Многие ученые в других странах почувствовали угрозу фашизма и солидаризировались с его первыми жертвами. Среди жертв было несколько близких друзей и родственников Оппенгеймера. Оппенгеймер был до этого довольно безразличен к политическим событиям, но теперь он начал размышлять, а когда в 1936 году над Испанской республикой нависла угроза фашизма, он открыто выступил в ее поддержку. В этот же период своей жизни Оппенгеймер познакомился со студенткой, изучавшей психиатрию, и собирался на ней жениться. Она познакомила его с активными членами коммунистической партии в Калифорнии.

В 1937 году скончался отец Роберта – Юлиус Оппенгеймер, оставив сыну солидное наследство, которое позволило ему систематически оказывать материальную помощь антифашистским организациям. Оппенгеймер сам писал брошюры и листовки, печатал их за свой счет и распространял через своих друзей-студентов.

Однако вскоре этот порыв прошел. Оппенгеймер познакомился с молодой женщиной-биологом и женился на ней в 1940 году.

Из Советского Союза начали приходить трагические известия о жестокости Сталина по отношению к физикам-антифашистам, пытавшимся найти там убежище. Это подействовало как холодный душ на прокоммунистические настроения многих интеллигентов Запада. Оппенгеймер отошел от коммунистической партии, членом которой он никогда и не был, но он не мог порвать отношения с теми, кто продолжал бороться в ее рядах или сочувствовал ей. Среди них были его близкие друзья и даже брат Франк, который в то время занимался изучением космических лучей и своими работами продолжал исследования Роберта.

Таковы были обстоятельства, которые определили дальнейшую судьбу профессора Роберта Оппенгеймера, в 1939 году, когда произошли два, казалось бы, не связанные друг с другом события: подготовка вторжения в Польшу и открытие расщепления урана.

[4] См. книгу этой же серии: Пьер Бикар. Фредерик Жолио-Кюри и атомная энергия. М., Госатомиздат, 1962,

[5] Впервые эта гипотеза была высказана советским ученым Д.Д. Иваненко. – Прим. ред.