50 лет советской физики - Владимир Лешковцев

Все лучшие свои работы А. А. Фридман создал в тяжелейшие годы гражданской войны, чудовищной разрухи и голода, в стране, окруженной врагами и отрезанной от остального научного мира. Какой талант, какую преданность науке и гражданское мужество надо было иметь, чтобы в таких невыносимых условиях прокладывать новые пути в науке!

Летом 1925 г. А. А. Фридман уехал на отдых в Крым, заболел там брюшным тифом и умер в возрасте 37 лет.

Дальнейшие события развивались так.

В 1929 г. опыт подтвердил справедливость решений Фридмана. В этом же году американский астроном Хаббл опубликовал результаты своих удивительных наблюдений. Изучая далекие галактики, он установил, что все они удаляются от нас. При этом испускаемый ими свет изменяет свою окраску — цвет его перемещается в красную область спектра тем сильнее, чем быстрее удаляется породившая его галактика. Это явление назвали «красным смещением».

Оказалось также, что чем дальше от нас находится та или иная галактика, тем быстрее она удаляется от наших космических окрестностей. Мир, который мы видим в наши телескопы, непрерывно пухнет, расширяется, увеличивает свои размеры. Например, одна из наиболее далеких галактик, известная астрономам под номером ЗС295, удаляется от нас со скоростью, примерно равной 150 тысячам километров в секунду, а ведь это половина скорости света в пустоте.

Что же касается «конца» Метагалактики, ее гибели, предсказываемой одним из решений Фридмана, то на этот счет существует теперь полная ясность. Недавно два ученика знаменитого советского физика-теоретика академика Л. Д. Ландау — член-корреспондент Академии наук СССР Евгений Михайлович Лифшиц и профессор Исаак Маркович Халатников неопровержимо доказали, что наша Метагалактика никогда не погибнет.

Дело в том, что для решения основных уравнений гравитационного поля Фридману, как и Эйнштейну, пришлось сделать несколько предположений, в частности, что распределение космических масс вещества в среднем однородно во всей Вселенной. В каждом одинаковом объеме космического пространства заключено одинаковое количество материи. В иных условиях задача становилась необычайно трудной.

Эти трудности и удалось преодолеть Е. М. Лифшицу и И. М. Халатникову. Они нашли более точное решение уравнений Эйнштейна, учитывающее реальное распределение космических масс в нашей Метагалактике. Оказалось, что она никогда не «съежится», как воздушный шарик, из которого выпустили воздух, и части ее никогда не вернутся в начальное состояние. Иными словами, мир, в котором мы живем, никогда не умрет. Наша Метагалактика оказалась «открытой» системой.

ПРИРОДА ЯДЕРНЫХ СИЛ

Существование атомных ядер и их огромная прочность возможны лишь потому, что внутри любого ядра действуют ядерные силы. Так как ядра включают в себя одноименно заряженные частицы — протоны, сближенные до расстояний порядка 10−13 см, то, казалось бы, они должны немедленно разрушаться под влиянием громадного электростатического отталкивания протонов друг от друга. Но мы знаем, что этого не происходит. Только очень тяжелые ядра, стоящие в конце Периодической системы Менделеева, оказываются неустойчивыми и это приводит к радиоактивному распаду. Что же придает прочность атомным ядрам?

Атомные ядра существуют только потому, что между всеми входящими в них частицами действуют могучие ядерные силы.

Исследование этих сил позволило выяснить их главные особенности. Эти силы, естественно, являются силами притяжения. Они обладают зарядовой независимостью, т. е. одинаково сильно притягивают любую пару частиц друг к другу — нейтрон к протону, протон к протону или нейтрон к нейтрону. Уже отсюда видно, что они не могут быть электромагнитными силами. Кроме того, ядерные силы — короткодействующие, они проявляются на расстояниях порядка диаметра одной ядерной частицы (~10−13 см). Наконец, они обладают свойством насыщения, т. е. наиболее эффективно удерживают не любые, а строго определенные группы ядерных частиц, например, два протона и два нейтрона.

Современные представления о природе ядерных сил, объясняющие все их основные особенности, были созданы академиком Игорем Евгеньевичем Таммом в 1934 г. Он первый понял, что эти силы могут быть только обменными. В это время уже были созданы основные представления о квантовой природе электромагнитного поля, согласно которым взаимодействие двух заряженных частиц осуществляется посредством квантов, испускаемых и поглощаемых заряженными частицами. Таким образом, взаимодействие есть результат обмена промежуточными частицами, создающими электромагнитное поле.

Физическая сущность обменных сил хорошо видна из следующей грубой механической аналогии. Представьте себе груз, достаточно тяжелый, чтобы его не мог долго нести один человек, и такой, что вдвоем его нести очень неудобно. Для того чтобы перенести такой груз на большое расстояние, необходимы по крайней мере два человека. Они будут нести его, поочередно передавая друг другу. Передача груза делает возможным его перенос, но она же связывает обоих грузчиков, объединяет их.

Академик И. Е. Тамм предположил, что не только электромагнитные, но и ядерные силы носят квантовый характер и осуществляются путем переноса каких-то промежуточных частиц, квантов ядерного поля. Предположив, что нуклоны обмениваются электронами и при этом как бы меняются местами (нейтрон, испустив отрицательный электрон, становится протоном; протон, поглотив отрицательный электрон, становится нейтроном), И. Е. Тамм построил строгую математическую теорию ядерных сил. Однако оказалось, что величина этих сил на много порядков меньше их действительного значения.

Вскоре после этого японский физик Юкава доказал, что если масса обменной частицы будет примерно в 300 раз тяжелее электрона, то теория Тамма хорошо описывает все основные особенности ядерных сил. В дальнейшем физики обнаружили частицы, отвечающие за действие ядерных сил. Ими оказались π-мезоны. Масса π-мезонов и все их свойства находятся в точном соответствии с теорией Тамма-Юкавы.

И. Е. Тамм первым пришел к парадоксальному выводу о том, что у нейтронов должен быть собственный магнитный момент. В 1934 г, он совместно с С. А. Альтшулером не только теоретически предсказал существование магнитного момента у нейтрона, но и правильно оценил знак этого момента.

САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА И ВОЗМОЖНОСТЬ ЦЕПНОГО ПРОЦЕССА

В 1934 г. итальянский физик Энрико Ферми впервые облучил уран только что открытыми нейтронами в надежде увеличить массу исходных ядер и получить элементы с бо́льшим атомным весом, чем уран. Результаты этих опытов оказались столь неожиданными и запутанными, что их удалась понять только в 1939 г., когда было выяснено, что ядра урана раскалываются нейтронами на 2–3 тяжелых осколка.

Вскоре после этого известный советский физик-теоретик Яков Ильич Френкель построил первую теорию деления атомных ядер, рассматривая ядра как капли электрически заряженной жидкости. Эта теория получила название электрокапиллярной. Она вполне удовлетворительно объясняла все основные особенности механизма деления.

Вслед за этим ученики академика Н. Н. Семенова — основателя советской школы исследователей цепных химических реакций, академики Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон рассчитали условия, необходимые для осуществления цепного процесса деления ядер урана. Они показали, что при небольшом увеличении доли легкого изотопа уран-235 и использовании обыкновенной воды в качестве замедлителя быстрых нейтронов деления до тепловых скоростей можно в определенном количестве урана, большем «критического», получить устойчивый цепной процесс, приводящий к высвобождению громадного количества ядерной энергии.

В 1940 г. молодые ученики академика И. В. Курчатова — Г. Н. Флеров и К. А. Петржак произвели серию очень тонких исследований, показавших наличие самопроизвольного деления ядер урана. Дело в том, что эти ядра настолько сложны, в них так много одноименно заряженных протонов, что они находятся где-то на грани устойчивости. Оказалось, что под влиянием этой неустойчивости то одно, то другое ядро урана само собою делится на осколки. При этом возникают свободные нейтроны, способные вызвать цепной процесс в надлежащих условиях. Правда, самопроизвольное деление протекает крайне медленно, с периодом полураспада порядка 1016 лет. Но и при этом в куске урана весом в 1 кг ежесекундно самопроизвольно делятся несколько ядер и возникают нейтроны, способные вызвать цепной процесс. Вот почему в конструкции атомной бомбы не предусматривают никакого постороннего источника нейтронов, возбуждающих атомный взрыв.

СОВРЕМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ