Хуберт Мания - История атомной бомбы
В то время как Мария и Пьер Кюри в Париже в месяцы до и после смены века изучают радий в богемской смоляной обманке, немецкий физик Макс Планк в Берлине занят излучением так называемого абсолютно черного тела. В качестве экспериментального приближения к этому представлению можно, пожалуй что, представить полость разогретой самодувной печи в лаборатории Мартина Генриха Клапрота. По законам классической физики невозможно увидеть излучаемый печью световой спектр — от светло-желтого через красный и голубовато-белый до вошедшего в поговорку цвета белого каления. Более того, при постоянно нарастающем жаре в раскаленных стенках печи должно преобладать коротковолновое излучение, так что вскоре отдаваться будет только свет ультрафиолетовой области. К тому же в неограниченном количестве. Если уютно примоститься у такой коротковолновой печки, то будешь ощущать тепло, но свет огня видеть не сможешь, потому что доминирующий ультрафиолетовый свет невидим. К счастью, такой печи не бывает, ибо в физической реальности нет бесконечной энергетической ценности. Однако основанная на ньютоновской механике теория теплового излучения требует в конечном счете именно бесконечной энергетической ценности. На этом основании классическая теория не может быть верной.
Макс Планк, профессор теоретической физики Берлинского университета, работал над решением этой проблемы в течение трех лет, пока четырнадцатого декабря 1900 года не выдвинул наконец поистине революционную гипотезу ради того, чтобы непротиворечиво описать фактический спектр электромагнитного излучения. По этой гипотезе тепловое излучение нагретых тел не может быть непрерывным процессом, при котором энергетические уровни плавно, без скачков становятся сколь угодно малы. Вместо этого энергообмен между горячими стенками печи и излученным светом идет — чтобы не нарушать картину — дискретно, долями, ступенчато отделенными друг от друга. Здесь больше нет плавных переходов, а есть скачки. Минимальную порцию энергии, которую можно испустить или поглотить, Планк называет квантом. Энергия одного кванта — произведение частоты излучения и природной константы, которую сам Планк поначалу называет элементарным квантом действия, но которую вскоре в его честь назовут постоянной Планка. Ее размерность — исчезающее малое количество энергии, умноженное на время, — самое малое допустимое в природе действие. Это невообразимо малое число, а именно нуль, за которым после запятой следуют еще 34 нуля, прежде чем появится наконец пара значащих цифр. Бесспорное указание на то, что речь идет об атомарных порядках величин.
Не пройдет и недели после презентации его гипотезы, как другие ученые подтвердят своими вычислениями справедливость решения Планка: их экспериментальные данные согласуются с его теорией. Никто, даже сам Планк, не понимает, почему именно неполноценные «затычки», получившие определение квантов, создают помехи ультрафиолетовым печам. Но они вряд ли могут что-то значить в реальном мире, полагает первооткрыватель. Они могут представлять собой не более чем гениальную математическую уловку — таково единодушное мнение сообщества физиков. Англичане говорят о типично немецком изобретении, которое элегантно устраняет бесконечные величины.
Макс Планк безоговорочно поддерживает оценку своих коллег. Он чуть ли не оправдывается за свою искусную уловку, даже называет ее «актом отчаяния». Мол, он хотел «любой ценой, даже удвоенной» найти решение и рассматривает кванты лишь как временное средство. Не сам ли он обозначил свою константу буквой «Н», которая происходит от слова «вспомогательная величина» (Hilfsgröße)? Мол, уже в ближайшее время его работа подвергнется пересмотру и тогда станет понятен краткосрочный характер этих беспокойных переходов энергии. Ведь нет ничего более чуждого ему, закоренелому консерватору, чем ставить этим дискретным квантом под сомнение Лейбница, который не допускал в природе никаких скачков. Без сомнения, мол, в обозримом времени эта вынужденная конструкция отыщет вход в более объемлющую теорию, которая не будет так нахально противоречить классической физике. Естественно, в этих утешительных мыслях о предстоящем примирении между ньютоновской традицией и своей, в корне новой, концепцией Макс Планк не мог брать в расчет одного молодого изобретательного физика.
Родившийся в Ульме, выросший в Мюнхене и в семнадцать лет добровольно отрекшийся от немецкого подданства, чтобы избежать солдатской службы, этот не имеющий гражданства выпускник Цюрихского политехникума с дипломом преподавателя физики и математики колесит по Швейцарии в поисках работы. Даже и по окончании учебы он по-настоящему старается держаться в курсе последних разработок в области теоретической физики. Несколько недель в качестве подменяющего учителя в Винтертуре, потом ничтожная работа частного учителя в Шафхаузене, чтобы подготовить абитуриента к экзаменам, скандал с семейством ученика и изгнание с треском, потому что он находит нестерпимыми разговоры за обедом и с обезоруживающей самонадеянностью требует, чтобы по этой причине его еду, оплаченную, разумеется, работодателем, он мог забирать с собой в гостиницу. На все его заявления о должности ассистента «у всех профессоров от Северного моря до самой южной точки Италии» он получает иногда уведомления о получении письма, но никогда не получает личного ответа. Да, несколько иначе представлял себе начало своей научной карьеры двадцатитрехлетний Альберт Эйнштейн. К тому же его подруга сербского происхождения беременна. И обе родительские пары против этого союза.
Но позднее, летом 1902 года, фортуна, похоже, повернулась к нему лицом. Отец друга способствует злосчастному выпускнику в получении должности технического эксперта III класса в Швейцарской государственной службе интеллектуальной собственности в Берне. Швейцарское гражданство, необходимое для работы в патентном бюро, ему уже предоставлено. Сорокавосьмичасовая рабочая неделя в качестве «батрака патентов», как он сам называл себя, не удерживает его от того, чтобы давать еще и частные уроки и регулярно писать статьи для «Анналов физики», самого значительного в мире специального журнала. Весной 1905 года он формулирует свою «квантовую гипотезу света». Она идет еще на шаг дальше революции Планка. Альберт Эйнштейн размышляет о так называемом фотоэлектрическом эффекте. Там все дело во взаимодействии света и материи. Когда луч коротковолнового света попадает на поверхность металла, энергия света выбивает электроны из атома металла. Доступная при этом энергия не зависит ни от интенсивности, ни от яркости света, как того требует классическая теория, а лишь от его частоты. Ибо экспериментальные данные однозначно показывают: чем выше частота, тем больше энергии свет передает электронам. И тут вдруг извлекается на свет божий формула Планка, в которой энергия как раз и определяется частотой света.
Чтобы лучше понять эти обстоятельства, Эйнштейн предлагает пересмотреть классическую концепцию исключительно волновой природы света. Если свет отражается от зеркала или преломляется поверхностью воды, его можно рассматривать как волну. Но если свет обменивается энергией с атомами металла, его нужно понимать как частицы. И эти частицы света вроде как идентичны квантам Планка, этим четко ограниченным долям энергии, они якобы являются «квантами света», которые — пусть и вопреки собственным представлениям Планка — на самом деле обладают физической реальностью. Они носятся в пространстве как невообразимо маленькие ракеты и обладают силой выбивать электроны из атомов металла. В итоге квантовая гипотеза света пошатнула теоретическое здание классической физики. То, что Планк лишь робко надпилил — с глубоким сожалением и с надеждой на будущее выздоровление, — служащий Бернского патентного бюро, доросший до технического эксперта II класса, теперь обрушивает прямо-таки с наслаждением и с большим шумом. Его необычайное утверждение гласит: свет может быть как волной, так и частицей.
Из математической уловки Планка, из его всего лишь вспомогательного коэффициента h становится атомарной реальностью. Хоть на нее поначалу и дивились лишь как на блестящую идею в обширном заповеднике синапсов импульсивного Эйнштейна. Ибо мало у кого хватило храбрости поддержать отчаянную точку зрения, сформулированную этим независимым умником из Берна. Даже сам изобретатель кванта Макс Планк поначалу воздерживается бросать в воздух шляпу. Это кажется парадоксальным, ведь как-никак в эйнштейновском толковании фотоэлектрического эффекта совершенно недвусмысленно всплывает планковская формула энергии E=hν. Значок ν, греческая буква «ню», здесь обозначает частоту света.
Эрнест Резерфорд, представляя себе структуру мельчайшей единицы материи, воспользовался аналогией из необъятных просторов Солнечной системы. Подобно тому как кружатся кольца вокруг планеты Сатурн, так видится ему вращение отрицательно заряженных электронов вокруг положительно заряженного ядра. Его теза хоть и подстрахована достаточным количеством экспериментальных данных, но она опять-таки не согласуется с классической физикой. Ибо по законам Максвелла электроны, вращаясь вокруг ядра, в мгновение ока излучили бы всю свою энергию и упали на ядро. Но и это убежище не могло бы стать надежным для потухших электронов, потому что положительно заряженные частицы ядра, оставшись без своих отрицательных визави, взаимно оттолкнулись бы друг от друга — и само ядро распалось бы. А ведь атомы как раз и отличаются удивительной стабильностью. Резерфорд осознает теоретическую дилемму. Его представление о крошечном атомном ядре, электронной оболочке и обширном пустом пространстве между ними в принципе должно быть верно. Но сам он не отваживается сделать из этого единственно возможный вывод: в атоме не действует классическая электромагнитная теория. Здесь вступают в силу другие законы.
