XIII. ДИСКУССИИ О ВОЗМОЖНОСТЯХ АТОМНОЙ ТЕХНИКИ И ОБ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦАХ (1935—1937)
Чтобы прояснить это различие концепций в беседах, я за время между осенью 1935 и осенью 1936 г. ездил на несколько недель в Копенгаген. Будучи гостем семьи, я имел право занять комнату в жилище, которое было предоставлено Бору как почетному гражданину и его родственникам датским государством из средств фонда Карл- сберга. Этот дом в течение многих лет играл исключительную роль как место встречи атомных физиков. Это было строение в помпей- ском стиле, в отделке которого еще явственно ощущалось сильное влияние знаменитого скульптора Торвальдсена на датскую культурную жизнь. Из гостиной скульптурно украшенная наружная лестница вела в большой парк, середину которого оживлял фонтан среди цветочных клумб и высокие старые деревья которого давали защиту от солнца и дождя. Из прихожей жилища с одной стороны был выход в зимний сад, где только журчание еще одного маленького фонтана нарушало царившую в этой части дома тишину. Мы часто клали на струю этого фонтана шарики от настольного тенниса, плясавшие в ней, и теоретизировали о физических причинах этого феномена. За зимним садом располагался большой зал с дорическими колоннами, неоднократно использовавшийся для праздничных мероприятий во время научных конференций. В этом гостеприимном доме я имел возможность несколько недель пожить в семье Бора, и случилось так, что английский физик лорд Резерфорд, отец современной атомной физики, как его позже иногда называли, провел короткое каникулярное время тоже у Боров в Копенгагене. Так само собой получилось, что мы не раз бродили втроем по парку, обмениваясь мнениями о новейших экспериментах или о строении атомного ядра. Попытаюсь зафиксировать одну из этих бесед.
Лорд Резерфорд: «Что, собственно, по Вашему мнению, произойдет, если мы построим еще более крупные высоковольтные установки или другие ускорительные машины и обстреляем протонами еще более высоких энергий и скоростей тяжелые атомные ядра? Пробьет ли быстрая бомбардирующая частица атомное ядро просто насквозь, почти не нанеся ему повреждений, или же она застрянет в атомном ядре так, что вся ее кинетическая энергия в конечном счете передастся ядру? Если взаимодействие отдельных элементов ядра очень существенно, как считает Нильс, то бомбардирующая частица скорее всего застрянет в ядре.
Но если протоны и нейтроны почти независимо движутся в атомном ядре, не влияя друг на друга со значительной силой, то частица, пожалуй, пролетит сквозь ядро, не вызвав больших разрушений».Нильс: «Я определенно считал бы, что бомбардирующая частица, как правило, застревает в атомном ядре и что ее кинетическая энергия каким-то образом равномерно распределяется среди всех нуклонов вследствие интенсивного взаимодействия между ними. Атомное ядро просто разогревается вследствие столкновения, и степень разогрева можно рассчитать, исходя из собственного тепла ядерного вещества и из энергии, содержащейся в бомбардирующей частице. То, что затем происходит, лучше всего было бы назвать частичным испарением атомного ядра. Это значит, что энергия некоторых частиц на его поверхности возрастает настолько, что они покидают атомное ядро. Но что думаешь об этом ты?
Вопрос был обращен ко мне.
— Мне тоже бы так казалось, — отвечал я, — хотя это не совсем вяжется с нашими лейпцигскими представлениями о почти свободном обращении нуклонов внутри ядра. Однако проникшая в ядро очень быстрая частица явно должна при больших силах внутриядерного взаимодействия испытать много столкновений и потерять тем самым свою энергию. Медленная частица, движущаяся внутри атомного ядра с небольшой энергией, может вести себя иначе, потому что тогда начинает проявляться волновая природа частиц, и число переносов энергии сокращается. Тогда пренебрежение взаимодействием допустимо в порядке аппроксимации. Впрочем, надо, наверное, просто рассчитать все это; ведь об атомном ядре известно уже достаточно. Мы займемся таким расчетом в Лейпциге.
Но я хотел бы поставить встречный вопрос: мыслимо ли вообще, чтобы увеличение мощности ускорителей привело в конце концов к техническому применению ядерной физики, — скажем, начнется изготовление искусственных волокон химических элементов в больших количествах или использование внутриядерной связи примерно таким же образом, как при сжигании используется энергия химической связи? Есть, кажется, английский футурологический роман, в котором ученый-физик в момент крайней политической напряженности изобретает атомную бомбу и с ее помощью как Deus ex machina помогает своей стране справиться со всеми трудностями.
В несколько более серьезной форме физикохимик Нернст в Берлине как-то заявил, что Земля есть, собственно, своего рода пороховая бочка, при которой пока не хватает только спички, чтобы она взлетела на воздух. И действительно: если бы удалось, скажем, каждые четыре ядра атома водорода в морской воде соединить с одним ядром атома гелия, то высвободилась бы такая чудовищная энергия, что сравнение с пороховой бочкой можно было бы считать смехотворным приукра- шением реальности.Нильс: «Нет, подобные идеи пока еще не додуманы до конца. Решающая разница между химией и ядерной физикой состоит в том, что химические процессы, как правило, происходят все-таки с участием большинства молекул соответствующего вещества, например пороха, тогда как в ядерной физике можно экспериментировать всегда лишь с малым числом атомных ядер. И с появлением больших ускорителей дело, в принципе, тоже не изменится. Число процессов, протекающих во время химического эксперимента, относится к числу процессов, которые до сих пор удается вызывать при экспериментах в ядерной физике, примерно так же, как, скажем, диаметр нашей планетной системы относится к диаметру булыжника; и тут уж не будет большой разницы, если мы заменим булыжник обломком скалы.
Было бы, конечно, совсем другое дело, если бы нам удалось довести кусок вещества до столь высоких температур, чтобы энергии отдельной частицы было достаточно для преодоления сил отталкивания между атомными ядрами, и если бы одновременно удавалось поддерживать такую плотность вещества, чтобы столкновения не были слишком редкими. Но для этого надо поднять температуру до, скажем, одного миллиарда градусов, а при таких температурах, разумеется, уже не существует никаких стен и камер, в которые можно было бы заключить это вещество; они уже давно к тому времени испарятся».
Лорд Резерфорд: «Пока нет речи и об извлечении энергии из внутриядерных процессов. Действительно, при введении протона или нейтрона в атомное ядро происходит изолированный процесс высвобождения его энергии.
Но, чтобы добиться осуществления такого процесса, надо сначала затратить гораздо большую энергию, например для ускорения очень большого числа протонов, большинство которых не попадает в ядро. Преобладающая часть этой энергии практически теряется в форме теплового движения. Так что с точки зрения энергии экспериментирование с атомными ядрами до сих пор остается чисто проигрышным предприятием. Разговоры о техническом применении энергии атомного ядра — полная чушь».Мы легко сошлись на этом мнении, и никто из нас не подозревал тогда, что уже через несколько лет открытие расщепления ядра урана Отто Ганом в корне изменит ситуацию.
Тревожная эпоха мало чем давала о себе знать в тиши парка Бора. Мы сидели на скамье в тени высоких деревьев и наблюдали, как порывом ветра струю от фонтана относило иногда в сторону, и тогда отдельные капельки воды повисали на лепестках роз, сверкая в солнечных лучах.
По возвращении в Лейпциг я провел обещанные расчеты. В них подтвердилась догадка Нильса, что быстрые протоны от большого ускорителя, как правило, застревают в атомном ядре, просто разогревая его ударом. Примерно в то же время процессы подобного рода удалось реально пронаблюдать на быстрых протонах космического излучения. Вместе с тем те же наши расчеты, похоже, содержали и некоторое обоснование того, почему при исследовании внутреннего строения атомного ядра допустимо при первом приближении не учитывать сильное взаимодействие отдельных частиц. Мы продолжили наши лейпцигские исследования в том же направлении. Карл Фридрих, который был тогда ассистентом Лизе Мейтнер в институте Отто Гана в Далеме, часто приезжал на наши семинары из Берлина в Лейпциг и при встречах сообщал нам о своих исследованиях ядерных процессов внутри солнца и звезд. Ему удалось теоретически доказать, что в наиболее горячих внутренних частях звезд происходят вполне определенные реакции между ядрами легких атомов и что громадная энергия, постоянно излучаемая звездами, по-видимому, создается этими ядерными процессами.
Бете в Америке опубликовал аналогичные исследования, и мы приучились рассматривать звезды как гигантские атомные котлы, в которых перед нашими глазами постоянно происходит добыча энергии атомного ядра, конечно, не в виде технически контролируемого процесса, а в виде явления природы. Однако об атомной технике речи еще не было.Наш лейпцигский семинар работал не только над теорией атомного ядра. По ходу дела развертывались и мысли, наметившиеся у меня той ночью в хижине на Штайлер Альм, когда я пытался лучше понять природу элементарных частиц. Гипотеза Поля Дирака о существовании антиматерии стала теперь после многих экспериментальных подтверждений надежным достоянием науки. Мы знали, что в природе имеет место по крайней мере один процесс, при котором энергия превращается в материю. Из энергии излучения могут возникать пары электрон—позитрон. Было естественно предположить, что возможны и другие процессы этого рода, и мы пытались представить, какую роль могут эти процессы играть при столкновении элементарных частиц высоких скоростей.
Моим ближайшим собеседником на эти темы был Ганс Эйлер, который несколькими годами ранее примкнул к нам, будучи молодым студентом. Он сразу мне понравился не только своей одаренностью, далеко выходившей за средний уровень, но также и своим внешним обликом. Он выглядел более ранимым и чутким, чем большинство студентов, и на его лице — как раз когда он улыбался — можно было иногда заметить страдальческую черточку. У него было тонкое продолговатое лицо с впалыми щеками и высоким лбом, с белокурыми вьющимися волосами, и в его речи ощущалась напряженная сосредоточенность, необычная для молодого человека. Было нетрудно заметить, что материально он жил в крайне стесненных обстоятельствах, и я был рад, когда сумел выхлопотать для него место ассистента, хотя и со скромным окладом. Лишь очень нескоро, когда я заслужил его полное доверие, он поведал мне о действительных масштабах своей неустроенности. Его родители едва смогли наскрести средства на его обучение. Сам он был убежденным коммунистом; похоже, что уже и его отец попал в стесненное положение по политическим причинам. Эйлер был обручен с молодой девушкой, которая из-за своего еврейского происхождения была вынуждена бежать из Германии и теперь жила в Швейцарии. О людях, захвативших после 1933 года власть в Германии, он мог говорить лишь с отвращением. Но он очень неохотно касался этой темы. В те годы я часто приглашал Эйлера к себе в квартиру на обед, что уже было какой-то помощью ему, и в наших беседах мы взвешивали, между прочим, возможность его эмиграции. Однако он никогда не рассматривал ее всерьез, и у меня сложилось впечатление, что он чувствовал себя слишком привязанным к Германии, но и об этом он говорил неохотно.
Словом, я часто бывал в компании Эйлера, и мы, естественно, обсуждали с ним возможные последствия открытия Дирака и превращения энергии в материю. —
Благодаря Дираку мы знаем,— так примерно спрашивал у меня Эйлер,— что квант света, пролетающий мимо атомного ядра, может превратиться в пару частиц, один электрон и один позитрон; означает ли это, собственно говоря, что световой квант состоит из одного электрона и одного позитрона? В таком случае световой квант будет своего рода двойной звездой, т. е. системой, в которой электрон и позитрон вращаются вокруг друг друга. Или это ложное наглядное представление? —
Не думаю, чтобы в подобной картинке содержалось много истины. В самом деле, исходя из нее пришлось бы заключить, что масса подобной двойной звезды не может быть намного меньше суммы масс двух частиц, из которых она состоит. Непонятно также, почему такая система должна двигаться в пространстве всегда со скоростью света. Почему бы ей где-то не прийти в состояние покоя? —
Но тогда как же надо в данной связи говорить о кванте света? —
Можно, наверное, сказать, что квант света состоит из электрона и позитрона виртуально. Слово «виртуально» указывает на то, что речь тут идет о возможности. Смысл только что сказанной фразы в таком случае просто в том, что квант света может в известных экспериментах распадаться на электрон и позитрон. Не более того. —
При столкновении частиц очень высоких энергий квант света может, по-видимому, превратиться также в два электрона и два позитрона. Скажете ли Вы в таком случае, что квант света виртуально состоит из этих четырех частиц? —
Да, думаю, в этом была бы логическая последовательность. Слово «виртуально», обозначая возможность, позволяет утверждать, что квант света состоит виртуально из двух или четырех частиц. Ведь две разные возможности не исключают одна другую. —
Но что же полезного дает нам такое утверждение? — критически заметил Эйлер.— Тогда с равным успехом можно сказать, что всякая элементарная частица виртуально состоит из любого произвольного числа других элементарных частиц. Ведь при достаточно высокой энергии столкновения может возникнуть сколь угодно большое число частиц. А сказать так — значит почти уже ничего не сказать. —
Нет, число и вид частиц все-таки не настолько уж произвольны. Для описания анализируемой частицы пригодны лишь конфигурации частиц, имеющие ту же симметрию, что и исходная частица. Вместо симметрии можцо было бы еще точнее говорить о специфическом характере превращений данной частицы при операциях, оставляющих законы природы неизменными. Мы ведь уже и из квантовой механики знаем, что стационарные состояния атома характеризуются свойствами симметрии. Того же следует ожидать и от элементарных частиц, которые представляют собой тоже стационарные состояния, только не энергии, а материи.
Эйлер был все еще не вполне удовлетворен. «То, что Вы сейчас говорите, довольно-таки абстрактно. Лучше было бы, пожалуй, придумать эксперименты, которые пройдут иначе, чем до сих пор было принято от них ожидать, причем именно потому иначе, что кванты света виртуально состоят из пар частиц. Все-таки следовало бы предполагать, что мы получим по меньшей мере качественно разумные результаты, если примем на момент всерьез наглядный образ системы из спаренных звезд и спросим, что из этого должно следовать по законам прежней физики. Например, можно было бы заняться вопросом, действительно ли два световых луча, пересекающихся в пустом пространстве, пройдут друг через друга совершенно без помех, как всегда считалось ранее и как того требуют старые Максвелловы уравнения. Если в одном световом луче виртуально, т. е. как возможность, присутствуют пары электронов и позитронов, то другой световой луч должен как-то рассеиваться при встрече с этими частицами; иначе говоря, должно существовать рассеивание света светом, взаимное нарушение двух световых лучей, которое можно было бы подсчитать по теории Дирака и которое поддавалось бы также экспериментальному наблюдению». —
Можно ли такие вещи наблюдать, зависит, конечно, от величины взаимного нарушения. Однако Вы непременно должны рассчитать предполагаемое Вами воздействие. Возможно, экспериментальные физики найдут потом средства и способы обнаружить его. —
Собственно говоря, я нахожу эту философию по принципу «как если бы»20, которой мы здесь занимаемся, все-таки очень странной. Квант света ведет себя во многих экспериментах, «как если бы» он состоял из электрона и позитрона. Временами он вдобавок ведет себя так, «как если бы» он состоял из двух и более таких пар. Похоже, что мы впадаем тут в какую-то совершенно неопределенную, размытую физику. А ведь по теории Дирака можно с большой точностью подсчитать вероятность того, что определенное событие произойдет, и эксперименты подтвердят этот результат.
Я попробовал еще немного далее развернуть эту философию по принципу «как если бы»: «Вам известно, что физики-экспери- ментаторы недавно обнаружили еще один вид среднетяжелой элементарной частицы, мезоны. Кроме того, существуют мощные силы, которые не дают распадаться атомному ядру и которым, в свою очередь, должны, в смысле дуализма волн и частиц, соответствовать какие-то свои элементарные частицы. Возможно, существует вообще не очень много элементарных частиц, которые нам пока еще не известны просто потому, что они обладают слишком короткой продолжительностью жизни. В таком случае, в духе философии по принципу «как если бы», элементарную частицу можно сравнивать с ядром атома или с молекулой, т. е. можно представлять дело так, как если бы отдельная элементарная частица была целым скоплением очень многих потенциально разнообразных частиц. В таком случае опять можно будет поставить вопрос, который мне недавно задал в Копенгагене лорд Резерфорд по поводу атомного ядра: «Что произойдет, если элементарной частицей с очень высокой энергией бомбардировать другую частицу? Застрянет ли она в пораженной ею элементарной частице, которую мы теперь представляем как скопление частиц, нагрев это скопление и вызвав его испарение, или же она пролетит насквозь через скопление, не произведя слишком больших нарушений?» Это зависит, естественно, опять же от силы взаимодействия при единичном столкновении, а о ней мы ровным счетом ничего не знаем. Но, пожалуй, стоит пока ограничиться уже известными взаимодействиями и посмотреть, что при этом выяснится».
Мы были тогда еще далеки от настоящей физики элементарных частиц. Только космическое излучение давало известные экспериментальные точки отсчета; о систематическом экспериментировании в данной области еще не было речи. Эйлеру хотелось узнать, насколько оптимистически или пессимистически я оцениваю развитие в этой области атомной физики, и он сказал: —
После открытия Дирака, т. е. с учетом существования антиматерии, вся картина стала намного более сложной. Какое-то время казалось, что весь мир можно построить из трех элементарных кирпичиков — протона, электрона и кванта света. Это было простое представление, и можно было надеяться, что главное удастся скоро понять. Но теперь картина все больше запутывается. Элементарная частица, собственно, уже вовсе не элементарна, она оказывается, по крайней мере «виртуально», очень сложным образованием. Не означает ли это, что мы намного дальше от понимания, чем можно было ранее надеяться? — Нет, я бы с этим, пожалуй, не согласился. Ведь прежняя картина, в которую входили три элементарных кирпичика, была по сути дела мало правдоподобной. Почему обязательно должно быть именно три таких произвольно взятых единицы, из которых одна, протон, ровно в 1836 раз тяжелее, чем другая, электрон? Откуда взялось это число 1836? И почему эти единицы должны быть неразрушимыми? Взаимно бомбардировать ими друг друга можно со сколь угодно высокими энергиями; вероятно ли, что внутренняя прочность частиц переходит все границы? Теперь, после открытия Дирака, все выглядит намного более разумным. Элементарная частица, подобно стационарному состоянию атома, определяется своим свойством симметрии. Устойчивостью форм, которую Бор сделал в свое время исходной точкой своей теории и которую можно по крайней мере в принципе понять в рамках квантовой механики, объясняется и существование, и стабильность элементарных частиц. Эти формы, если их разрушают, постоянно образуются заново, подобно атомам химиков, и причина здесь, по- видимому, в том, что симметрия укоренена в самом законе природы. Конечно, нам еще очень далеко до формулировки законов природы, обусловливающих структуру элементарных частиц. Но я очень легко могу себе представить, что когда-нибудь позднее из этих законов удастся вычислить и число 1836. Меня увлекает мысль, что симметрия есть нечто более фундаментальное, чем частица. Это отвечает духу квантовой теории, как ее всегда понимал Бор. Это отвечает также и философии Платона, что нас как физиков, однако, не должно сейчас интересовать. Будем придерживаться того, что можно непосредственно исследовать. Вам надо бы рассчитать рассеяние света при пересечении со светом, а я буду ломать голову над более общим вопросом о том, что происходит при столкновении элементарных частиц очень высоких энергий.
Этой рабочей программы мы и держались в последующие месяцы, и мои расчеты выявили, что уже то взаимодействие, которое играет решающую роль при радиоактивном бета-распаде атомного ядра, при высоких энергиях способно стать очень сильным, допуская при столкновении двух высокоэнергетических частиц вероятность возникновения многих новых частиц. Это так называемое множественное образование элементарных частиц в те годы отчасти прослеживалось при изучении космических лучей, однако хорошего экспериментального доказательства его еще не существовало. Лишь 20 лет спустя появилась возможность непосредственно наблюдать подобные процессы в больших ускорителях. Эйлер вместе с другим участником моего семинара, Кокелем, вычислил рассеяние света при столкновении со светом, и хотя прямого экспериментального доказательства провести здесь не удалось, однако сегодня уже едва ли остается сомнение в том, что сформулированное Эйлером и Кокелем рассеяние действительно существует.