Атом, который построил Бор

– Ну, кажется, мы на пороге великого открытия.

Бор с женой и молодым голландским физиком Казимиром возвращались поздним вечером из гостей. Казимир был завзятым альпинистом и с увлечением рассказывал о скалолазании, а затем предложил продемонстрировать своё мастерство, избрав для этого стену дома, мимо которого вся компания в тот момент проходила. Когда он, цепляясь за выступы стены, поднялся уже выше второго этажа, за ним, раззадорившись, двинулся и Бор. Маргарита Бор с тревогой наблюдала за ними с низу. В это время послышались свистки и к дому подбежало несколько полицейских. Здание оказалось отделением банка.

Посетив Гёттинген, Бор пригласил двадцатипятилетнего Гейзенберга на работу в Копенгаген. На следующий день во время обеда в честь Бора к нему подошли два полицейских и, предъявив обвинение «в похищении несовершеннолетних», арестовали его. Это были переодетые студенты университета.

Ключ к системе ключей

Paнеё было высказано мнение, что система дверных ключей в нашем институте сложнее, чем теория поля. Это явное извращение фактов, и чтобы его опровергнуть, в настоящем сообщении мы излагаем упрощённую теоретическую схему, на основе которой создавалась эта система.

Начнём с определений.

Ключ состоит из стержня, на котором укреплены штифты.

Замок состоит из щели с отверстиями, расположенными соответственно позициям штифтов на стержне ключа. Кроме того, в замке имеется система рычажков, находящихся позади отверстий (см. рисунок).

Введём теперь следующие три аксиомы:

1. Штифты поворачивают рычажки; для того чтобы замок открылся, все рычажки в замке должны быть повёрнуты.

2. Если в данной позиции нет штифта, отверстия или рычажка, мы будем говорить в дальнейшем о наличии в данной позиции антиштифта, антиотверстия или антирычажка соответственно.

3. Ни в одном замке нет рычажков за антиотверстиями, ибо такой замок нельзя было бы открыть.

Пусть штифты, отверстия и рычажки описываются значением 1 переменных ai, bi и ci соответственно. Индекс i – номер позиции. Антиштифты, антиотверстия и антирычажки соответствуют значению 0 тех же переменных. Определим теперь матричное умножение следующим способом:

где символическое произведение abc = a, если одновременно c  и а , в противном случае abc = 1 – a. Отсюда следует, что если (a1, a2…ak) есть собственный вектор оператора

то ключ может отпереть замок.

Используя этот формализм, легко найти полное число ключей, которые открывают данный замок (b/c). Оно равно

а число замков, которые могут быть открыты данным ключом (а), равно

При получении этих выражений учитывался тот факт, что замок (0/0) есть тривиальный антизамок. В уравнениях (2) и (3) k есть сумма коэффициентов Клебша-Гордана, равная единице.

Развитый выше формализм позволил решить следующую задачу. Пусть некто хочет пройти из некоторой комнаты A через несколько дверей в произвольную комнату B. Число ключей, необходимое для этого, максимизировалось при произвольном выборе комнат A и B. (Проблема минимизации не решалась, поскольку её решение тривиально – одинаковые замки.) Затем сотрудники института были разбиты на ряд подгрупп, и система ключей строилась таким образом, чтобы одновременно выполнялись два условия:

1) ни одна подгруппа не в состоянии открыть все те замки, которые могут быть открыты любой другой подгруппой;

2) трансформационные свойства групп соответствуют возможности одалживания ключей.

Создатели системы ключей надеялись, что она является единственно возможной и полной, и до известной степени это справедливо. Однако оказалось, что ключи, которые не должны были бы открывать некоторые двери, открывают их, если их вставлять в замок не до конца. Например, ключ (11111) может открыть замок (10000/11111) в n = 5 различных положениях. Число n было названо странностью системы ключ – замок. Экспериментальными исследованиями было найдено, что наша система ключей является весьма странной. Однако этот недостаток можно исправить, если потребовать для последней позиции соблюдения равенств ak = bk = ck = 1. Будем надеяться, что при ближайшем пересмотре системы ключей в неё будет внесено это исправление.

На отмычки настоящее исследование не распространяется.

Автор выражает благодарность сотрудникам, работающим в разных группах, за горячее обсуждение затронутых проблем.

Нильс Бор любил ходить в кино, причём из всех жанров признавал только один – ковбойские вестерны. Когда Бор по вечерам начинал жаловаться на усталость и рассеяность и говорил, что «надо что-то предпринять», все его ученики знали, что лучший способ развлечь профессора – сводить его на что-нибудь вроле «Одинокого всадника» или «Схватки в заброшенном ранчо». После одного из таких просмотров, когда по дороге домой все подсмеивались над непременной и избитой ситуацией – герой всегда хватается за револьвер последним, но успевает выстрелить первым, – Бор неожиданно стал утверждать, что так на самом деле и должно быть. Он развил теорию, согласно которой злодей, собирающийся напасть первым, должен сознательно выбрать момент, когда начать движение, и это замедляет его действия, тогда как реакция героя – акт чисто рефлекторный, и потому он действует быстрее. С бором никто не соглашался, разгорелся спор. Чтобы разрешить его, послали в лавку за парой игрушечных ковбойских револьверов. В последовавшей серии «дуэлей» Бор, выступая в роли положительного героя, «перестрелял» всех своих молодых соперников!

Трудно себе представить, что привлекало Бора в этих картинах. «Я вполне могу допустить, – говорил он, – что хорошенькая героиня, спасаясь бегством, может оказаться на извилистой горной тропе. Менее вероятно, но всё же возможно, что мост над пропастью рухнет как раз в тот момент, когда она на него наступит. Исключительно маловероятно, что в последний момент она схватится за былинку и повиснет над пропастью, но даже с такой возможностью я могу согласиться. Совсем уж трудно, но всё-таки можно поверить в то, что красавец ковбой как раз в это время будет проезжать мимо и выручит несчастную. Но чтобы в этот момент тут же оказался оператор с камерой, готовый заснять все эти волнующие события на плёнку, – уж этому, увольте, я не поверю!»

Введение в теорию S—матрицы

Хорошо известно, что за последние годы S—матричная теория добилась существенных успехов в описании процессов рассеяния и взаимного превращения элементарных частиц. Это вдохновило нас на попытку применить её (быть может, не совсем строго) к изучению процессов, происходящих с физиками в течение всей их жизни. Особое внимание мы будем уделять системам, к которым можно применять статистику, т. е. системам, состоящим из большого числа объектов (в нашем случае физиков).

Рассматриваемая нами система в момент времени t = — представляет собой падающий поток физиков, которых можно считать почти свободными. Согласно двум решениям уравнений движения, этот поток можно разбить на две части: запаздывающие физики и опережающие физики (последние в основном из Принстона; отличаются они тем, что никогда не занимаются изучением истории рассматриваемого вопроса).

В течение всей своей жизни физики вступают во взаимодействие с различными системами. Сила этого взаимодействия зависит как от искусства и напористости каждого отдельного физика, так и от того, каковы эти системы – консервативны или либеральны. К моменту времени t =  поток физиков распадается на различные продукты реакции, полное число которых можно было бы в принципе получить из известных формул для S—матрицы, если бы её вид был в настоящее время известен. Продукты можно распределить по так называемым каналам реакции, из которых мы назовём здесь лишь некоторые:

а) рассеянный физик;

б) профессор;

в) математик;

г) инженер-реакторостроитель;

д) бюрократ.

Из самых общих свойств S—матрицы, и особенно из её релятивистской инвариантности, можно заключить, что полная энергия, включая массу покоя, является интегралом движения физика по жизни. Поскольку известно, что с возрастом масса покоя возрастает, немедленно делаем вывод, что остальная энергия с течением времени падает.

Для получения более точных результатов необходимо учесть взаимодействие физиков друг с другом. Для этой цели рассмотрим область конфигурационного пространства, так называемый «институт», где взаимодействие максимально. Эта область, в дальнейшем ради краткости именуемая КОВФ (конфигурационная область взаимодействия физиков), отделена от внешнего мира некоторым потенциальным барьером. Возможные состояния физиков в такой потенциальной яме можно задать четырьмя квантовыми числами, из которых первые три имеют общеизвестный смысл. Четвёртое же квантовое число, соответствующее двум возможным для физика состояниям сна и бодрствования, классического аналога не имеет, поскольку, согласно квантово-механическому принципу дополнительности, ни одно из этих состояний без примеси другого наблюдено быть не может. Возможные значения этого квантового числа мы в дальнейшем будем обозначать символами «+» и «—» соответственно.

Совершенно ясно, что силы, обычно действующие на физиков, столь велики, что вести какие-либо расчёты по теории возмущений вряд ли представляется целесообразным. Поэтому для получения результатов мы должны обратиться к упрощённым моделям. Однако рассмотрение последних вывело бы нас далеко за рамки настоящей статьи. Результаты этих исследований на моделях мы постараемся изложить в последующих работах. Кроме того, эти же результаты войдут в подготавливаемый нами карманный физический справочник в пяти томах.

– А вот и сообщение Смита.

О возможности создания электростанций на угле

О. Фриш[85]

От редактора. Приводимая ниже статья перепечатана ежегодника Королевского института по использованию энергетических ресурсов за 40905 год, стр. 1001.

В связи с острым кризисом, вызванным угрозой истощения урановых и ториевых залежей на Земле и Луне, редакция считает полезным призвать к самому широкому распространению информации, содержащейся в этой статье.

Введение. Недавно найденный сразу в нескольких местах уголь (чёрные, окаменевшие остатки древних растений) открывает интересные возможности для создания неядерной энергетики. Некоторые месторождения несут следы эксплуатации их доисторическими людьми, которые, по-видимому, употребляли уголь для изготовления ювелирных изделий и чернили им лица во время погребальных церемоний.

Возможность использования угля в энергетике связана с тем фактом, что он легко окисляется, причём создаётся высокая температура с выделением удельной энергии, близкой к 0,0000001 мегаватт-дня на грамм. Это, конечно, очень мало, но запасы угля, по-видимому, велики и, возможно, исчисляются миллионами тонн.

Главным преимуществом угля следует считать его очень маленькую по сравнению с делящимися материалами критическую массу. Атомные электростанции, как известно, становятся неэкономичными при мощности ниже 50 мегаватт, и угольные электростанции могут оказаться вполне эффективными в маленьких населённых пунктах с ограниченными энергетическими потребностями.

Проектирование угольных реакторов. Главная трудность заключается в создании самоподдерживающейся и контролируемой реакции окисления топливных элементов. Кинетика этой реакции значительно сложнее, чем кинетика ядерного деления, и изучена ещё слабо. Правда, дифференциальное уравнение, приближённо описывающее этот процесс, уже получено, но решение его возможно лишь в простейших частных случаях. Поэтому корпус угольного реактора предлагается изготовить в виде цилиндра с перфорированными стенками. Через эти отверстия будут удаляться продукты горения. Внутренний цилиндр, коаксиальный с первым и также перфорированный, служит для подачи кислорода, а тепловыделяющие элементы помещаются в зазоре между цилиндрами. Необходимость закрывать цилиндры на концах торцовыми плитами создаёт трудную, хотя и разрешимую математическую проблему.

Тепловыделяющие элементы. Изготовление их, по-видимому, обойдётся дешевле, чем в случае ядерных реакторов, так как нет необходимости заключать горючее в оболочку, которая в этом случае даже нежелательна, поскольку она затрудняет доступ кислорода. Были рассчитаны различные типы решёток, и уже самая простая из них – плотноупакованные сферы, – по-видимому, вполне удовлетворительна.

Расчёты оптимального размера этих сфер и соответствующих допусков находятся сейчас в стадии завершения. Уголь легко обрабатывается, и изготовление таких сфер, очевидно, не представит серьёзных трудностей.

Окислитель. Чистый кислород идеально подходит для этой цели, но он дорог, и самым дешёвым заменителем является воздух. Однако воздух на 78% состоит из азота. Если даже часть азота прореагирует с углеродом, образуя ядовитый газ циан, то и она будет источником серьёзной опасности для здоровья обслуживающего персонала (см. ниже).

Управление и контроль. Реакция начинает идти лишь при довольно высокой температуре (988° по Фаренгейту). Такую температуру легче всего получить, пропуская между внешним и внутренним цилиндрами реактора электрический ток в несколько тысяч ампер при напряжении не ниже 30 вольт. Торцовые пластины в этом случае необходимо изготовлять из изолирующей керамики, и это вместе с громоздкой батареей аккумуляторов значительно увеличит стоимость установки. Для запуска можно использовать также какую-либо реакцию с самовозгоранием, например между фосфором и перекисью водорода, и такую возможность не следует упускать из виду.

Течение реакции после запуска можно контролировать, регулируя подачу кислорода, что почти столь же просто, как управление обычным ядерным реактором с помощью регулирующих стержней.

Коррозия. Стенки реактора должны выдерживать температуру выше 1000°К в атмосфере, содержащей кислород, азот, окись и двуокись углерода, двуокись серы и различные примеси, многие из которых ещё неизвестны. Немногие металлы и специальная керамика могут выдержать такие условия. Привлекательной возможностью является никелированный ниобий, но, возможно, придётся использовать чистый никель.

Техника безопасности. Выделение ядовитых газов из реактора представляет серьёзную угрозу для обслуживающего персонала. В состав этих газообразных продуктов, помимо исключительно токсичных окиси углерода и двуокиси серы, входят также некоторые канцерогенные соединения, такие, как фенантрен. Выбрасывание их непосредственно в атмосферу недопустимо, поскольку приведёт к заражению воздуха в радиусе нескольких миль. Эти газы необходимо собирать в контейнеры и подвергать химической детоксификации. При обращении как с газообразными, так и с твёрдыми продуктами реакции необходимо использовать стандартные методы дистанционного управления. После обеззараживания эти продукты лучше всего топить в море.

Существует возможность, хотя и весьма маловероятная, что подача окислителя выйдет из-под контроля. Это приведёт к расплавлению всего реактора и выделению огромного количества ядовитых газов. Последнее обстоятельство является главным аргументом против угля и в пользу ядерных реакторов, которые за последние несколько тысяч лет доказали свою безопасность. Пройдут, возможно, десятилетия, прежде чем будут разработаны достаточно надёжные методы управления угольными реакторами.

К 50-летию Рудольфа Пайерлса

Рудольф Пайерлс родился в 1907 году, и этот факт имеет первостепенное значение, по крайней мере с точки зрения издания настоящего сборника. Если в детстве он и был гениальным ребёнком, то об этом никто не помнит. Поэтому мы не будем интересоваться его допрофессорской жизнью, заметим только, что сперва он учился у Зоммерфельда, а затем был переброшен к Гейзенбергу. Большинство своих открытий того времени он сделал в поездах. Путешествия заносили его далеко, например в Россию, и никто из знающих его жену не обвинит Пайерлса в том, что он вернулся оттуда с пустыми руками.

Некоторое время он работал ассистентом Паули. Паули, очевидно, был им очень доволен, потому что впоследствии с любовью вспоминал, что «Der Peierls hat immer Quatsch gerechnet».[86]

В это время он внёс свой крупный вклад в квантовую теорию излучения, и тут они с Ландау заварили такую кашу, что Бор и Розенфельд расхлёбывали её несколько месяцев. За время, прошедшее с тех пор, он, по-видимому, высказал больше неверных гипотез, чем любой другой физик за любой отрезок времени, что целиком подтверждает известную поговорку: «Добро, содеянное человеком, живёт и после него, а зло… покрывают его ученики». По электронной теории металлов у него тоже были работы. И хотя они и не остались неопубликованными, в удобочитаемой форме их можно найти лишь в книге «Квантовая теория твёрдого тела». Не следует забывать и его вклад в ядерную физику. Его старому учителю приписывают высказывание, что критические замечания Пайерлса всегда были лучше, чем его работы, во всяком случае они гораздо эффективнее опровергали разные хорошие идеи. (Похоже, что этому он научился у своего учителя.) Кроме того, он внёс свою лепту в теорию относительности, теорию поля, теорию отопления жилых помещений, в создание паровых котлов с автоматической углеподачей, в воспитание молодого поколения и т. д. и т. п. Но, пожалуй, больше всего он сделал в качестве педагога. Термин «пайерлсизация» в физике означает умение набить 30 человек в помещение, рассчитанное на 15, не пользуясь ни оливковым маслом, ни томатным соусом…

Я незнаю

Вольфганг Паули был стопроцентным теоретиком. Его неспособность обращаться с любым экспериментальным оборудованием вошла у друзей в поговорку. Утверждали даже, что ему достаточно просто войти в лабораторию, чтобы в ней что-нибудь сразу же переставало работать. Это мистическое явление окрестили «эффектом Паули» (в отличие от знаменитого «принципа Паули» в квантовой теории). Из документально зарегистрированных проявлений эффекта Паули самым поразительным, несомненно, является следующий. Однажды в лаборатории Джеймса Франка в Гёттингене произошёл настоящий взрыв, разрушивший дорогую установку. Время этого ЧП было точно зафиксировано. Как потом оказалось, взрыв произошёл именно в тот момент, когда поезд, в котором Паули следовал из Цюриха в Копенгаген, остановился на 8 минут в Гёттингене.

Письмо в редакцию

П.А.У.Л.И. и его применение

В. Вайскопф[87]

Эта работа в течение 25 лет была засекречена Швейцарской комиссией по атомной энергии. Недавно получено сообщение, что в СССР создана такая же машина, но с радиусом в полтора раза больше, и ШКАЭ разрешила частичную публикацию работы.

Швейцарский федеральный технологический институт недавно приобрёл прибор, обладающий уникальными возможностями. Этот сложный механизм предназначен для проверки физических теорий, а также для производства новых теорий и идей. Из-за необычайно тонкой и чувствительной конструкции этой машины обращение с нею и успешное использование оказались довольно затруднительными. Автор настоящей заметки имел редкую возможность изучать и использовать этот механизм в течение длительного промежутка времени и хочет поделиться здесь приобретённым опытом.

Сокращённое название машины – П.А.У.Л.И. – расшифровывается как «Производство Антисимметричных Унитарных Лоренц-Инвариантных (теорий)». При умелом, как указывалось выше, обращении машина не только создаёт новые правильные теории, но и исключительно бурно реагирует на теории, созданные другими физиками, если они не обладают характеристиками, перечисленными в названии машины, и (или) другими необходимыми свойствами.

Машина имеет почти сферическую форму. Очень важны её динамические характеристики. Аппарат обладает основной частотой осцилляции , которая возбуждена постоянно, даже если аппаратом не пользуются. Величина частоты не является строго постоянной, но ограничена пределами

0,8<2,2 сёк^-1.

Всем потребителям рекомендуется тщательно следить за точным значением частоты и амплитуды колебаний машины по помещению, поскольку эти значения тесно связаны с её рабочими показателями.

К несчастью, устройство довольно громоздко и работа его сильно зависит от регулярного снабжения специальным горючим, которое не всегда легко достать в других странах. По этой причине мы не советовали бы заводить дубликат машины, скажем, в Англии. Ещё не совсем понятно почему, но никто никогда не мог заставить эту машину работать до полудня. Даже в ранние послеобеденные часы она работает с перебоями и часто отвергает даже безукоризненно инвариантные теории.

Сначала мы обсудим использование машины для проверки теорий, созданных потребителями. Нужно соблюдать специальные меры предосторожности во всём, что касается формы, в которой теория вводится в машину. Но даже если использована самая выигрышная форма, машина не всегда будет работать как следует. Управлять ею должен специалист. С первой попытки машина, как правило, не отвергает теорию и не подтверждает её, а остаётся в инертном состоянии, совершенно неожиданном для конструкций такого типа. Иногда после того как теория излагается механизму в течение получаса, появляется первая реакция, но настолько слабая, что неискушённый человек склонен заподозрить какую-нибудь неполадку. Однако вскоре обнаруживаются первые признаки работы в виде издаваемых машиной слабых звуков, отдалённо напоминающих немецкие словосочетания вроде «Ganz dumm», «Sind Sie noch immer da?»[88], которые иногда сопровождаются нерегулярными флуктуациями частоты и амплитуды упомянутого выше основного колебания.

После многократного введения теории в машину (иногда это приходится повторять до пятидесяти раз) удаётся наконец добиться положительной реакции – машина скрипит и произносит: «Ach so, warum haben Sie das nicht gleich gesagt!»[89]. Это показывает, что колёсики наконец пришли в зацепление и процесс начался. Результаты работы машины сообщаются следующим кодом: периодически повторяющиеся звуки «Ganz falsch», «Sie sind schon wieder so dumm», «Nat[90] – означают, что теория неверна.