Великие открытия и люди. 100 лауреатов Нобелевской премии XX века

Высокие энергии, достигнутые Лоуренсом и его сотрудниками, открыли перед физиками обширное новое поле для исследований. Бомбардировка атомов многих элементов позволила расщепить их ядра на фрагменты, которые оказались изотопами, часто радиоактивными. Иногда ускоренные частицы «прилипали» к ядрам-мишеням или вызывали ядерные реакции, среди продуктов которых встречались новые элементы, не существующие на Земле в естественных условиях. Полученные результаты показали, что если бы частицы можно было ускорять до достаточно больших энергий, то с помощью циклотрона можно было бы осуществить почти любую ядерную реакцию. Циклотрон использовался и для измерения энергий связи многих ядер, и (путем сравнения разности масс до и после ядерной реакции) для проверки соотношения между массой и энергией.

Циклотрон позволил создать радиоактивные изотопы для медицинских целей. Над биомедицинским применением ядерной физики Лоуренс работал вместе со своим младшим братом Джоном, медиком и директором Биофизической лаборатории в Беркли. Джон Лоуренс с успехом использовал изотопы для лечения раковых больных, в том числе своей матери, у которой был неоперабельный случай заболевания раком. После курса лечения она прожила еще 20 лет.

Эрнест Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике 1939 году «за изобретение и создание циклотрона, за достигнутые с его помощью результаты, особенно получение искусственных радиоактивных элементов». Из-за начавшейся второй мировой войны церемония вручения премии была отменена. По поводу работ Лоуренса Манне Сигбанн из Шведской королевской академии наук заявил, что изобретение циклотрона вызвало «взрыв в развитии ядерных исследований… В истории экспериментальной физики… циклотрон занимает исключительное место. Вне всякого сомнения, циклотрон является самым большим и самым сложным из всех когда-либо построенных научных приборов». Нобелевская премия была вручена Лоуренс в 1941 году на торжествах, состоявшихся в Беркли.

Успех, достигнутый Лоуренсом, оказался достаточно внушительным. В Окридже (штат Теннесси) в рамках Манхэттенского проекта (секретного плана создания американской атомной бомбы) были построены сотни масс-спектрометров по образу и подобию циклотрона в Беркли с 184-дюймовым магнитом. Почти весь уран в бомбе, сброшенной в августе 1945 года на Хиросиму, был получен Лоуренсом и его сотрудниками в Беркли. Впоследствии окриджский завод по разделению изотопов с помощью масс-спектрометров был закрыт, так как газодиффузионный метод оказался более эффективным.

В конце войны Лоуренс и его сотрудники вернулись к фундаментальным исследованиям. Правда, Лоуренс по-прежнему принимал участие в создании ядерного оружия. Ему были выделены фонды для развертывания в Ливерморе (неподалеку от Беркли) второй научно-исследовательской лаборатории для нужд военной промышленности. Она была независима от Лос-Аламосской лаборатории, созданной в рамках Манхэттенского проекта. Получившее впоследствии наименование Ливерморской лаборатории Лоуренса, это научно-исследовательское учреждение стало главным центром, в котором велись работы по созданию водородной бомбы.

В 1932 году Лоуренс вступил в брак с Мэри Кимберли Блумер, дочерью декана медицинской школы Йельского университета. У Лоуренсов родилось шестеро детей.

Несмотря на свою занятость, Лоуренс обожал заниматься греблей, теннисом. Любил слушать музыку, кататься на коньках. Он был неординарной личностью, обладал огромным запасом жизненных сил и природной смекалкой.

Паули Вольфганг Эрнст

(1900—1958)

Крупнейший швейцарский физик-теоретик

Вольфганг Паули родился в Вене в семье врача и профессора химии Вольфганга Йозефа Паули (наст. Вольф Пасхелес), родом из видной пражской еврейской семьи Пасхелес-Утиц, в 1898 году сменившего имя и незадолго до женитьбы в 1899 году принявшего католическую веру. Мать Вольфганга Паули – фельетонист Берта Камилла Паули (урождённая Шютц) – была дочерью известного еврейского литератора Фридриха Шютца. Оба они были тесно связаны с венскими театральными и журналистскими кругами.

Герта, младшая сестра Паули, стала актрисой и писательницей. Эрнст Мах, знаменитый физик и философ, был его крестным отцом. И второе имя Паули получил в честь своего крёстного дяди.

Родители отправили Вольфганга учиться в среднюю школу, где он проявил незаурядные математические способности, однако, находя классные занятия скучными, он переключился на самостоятельное изучение высшей математики и поэтому сразу прочитал только что опубликованную работу Альберта Эйнштейна по общей теории относительности.

В 1918 году Паули поступил в Мюнхенский университет, где учился под руководством известного физика Арнольда Зоммерфельда. В это время немецкий математик Феликс Клейн был занят изданием математической энциклопедии. Клейн попросил Зоммерфельда написать обзор общей и специальной теории относительности Эйнштейна, а Зоммерфельд в свою очередь попросил написать эту статью 20-летнего Паули. Тот быстро написал статью объемом в 250 страниц, которую Зоммерфельд охарактеризовал как «сделанную просто мастерски», а Эйнштейн похвалил. Эта монография до сих пор остаётся классической.

В 1921 году, закончив докторскую диссертацию по теории молекулы водорода и получив докторскую степень в кратчайшие для университета сроки, Паули отправился в Гёттинген, где занялся научными исследованиями совместно с Максом Борном и Джеймсом Франком. В конце 1922 года он в Копенгагене работает в качестве ассистента у Нильса Бора. Работа под руководством Зоммерфельда, Борна, Франка и Бора пробудила у Паули интерес к новой области физики – квантовой теории, которая занималась изучением атома и субатомных частиц, и он полностью погрузился в проблемы, встававшие перед физиками в этой области.

Особенно сложной представлялась ядерная модель атома, по которой электроны вращались по орбитам вокруг центрального ядра. Согласно принципам классической физики, вращающиеся по орбитам электроны должны непрерывно испускать электромагнитные излучения, теряя при этом энергию и приближаясь по спирали к ядру. В 1913 году Нильс Бор предположил свою модель, которая частично основывалась на изучении атомных спектров.

Но модель Бора имела существенные недостатки, которые помогли Паули в дальнейшем внести свой значительный вклад в квантовую теорию. Он усовершенствовал модель Бора.

Паули сформулировал закон, который стал известен как принцип запрета Паули и согласно которому никакие два электрона в системе не могут иметь одинаковые наборы квантовых чисел. Так, каждая оболочка в атоме может содержать лишь ограниченное число электронных орбит, определяемых допустимыми значениями квантовых чисел.

Принцип запрета Паули играет фундаментальную роль для понимания строения и поведения атомов, атомных ядер, свойств металлов и других физических явлений. Он объясняет химическое взаимодействие элементов и их прежде непонятное расположение в периодической системе. Сам Паули использовал принцип запрета для того, чтобы понять магнитные свойства простых металлов и некоторых газов.

Вскоре после того, как Паули сформулировал свой принцип запрета, квантовая теория получила солидное теоретическое обоснование благодаря работам Эрвина Шрёдингера, Вернера Гейзенберга и П.А.М. Дирака. Теоретический аппарат, использованный ими для описания атомных и субатомных систем, стал называться квантовой механикой. Атомная модель Бора была заменена квантовомеханической моделью, которая успешнее предсказывала спектры и другие атомные явления. Что касается достижений Паули, то они позволили распространить квантовую механику на такие области, как физика частиц высокой энергии и взаимодействие частиц со светом и другими формами электромагнитных полей. Эти области стали известны как релятивистская квантовая электродинамика.

В 1945 году Паули был награжден Нобелевской премией по физике «за открытие принципа запрета, который называют также принципом запрета Паули».

С именем Паули связано такое фундаментальное понятие квантовой механики, как спин элементарной частицы; он предсказал существование нейтрино.

В мае 1929 Паули отлучился от католической церкви. В декабре того же года женился на Кете Маргарете Деппнер. Брак был несчастливым и закончился разводом в 1930 году. Паули женился снова в 1934 на Францизке Бертрам. Детей не имели.

В 1958 году Вольфганг Паули умер от рака в Цюрихе.

Паули внёс существенный вклад в современную физику, особенно в области квантовой механики. Он редко публиковал свои работы, предпочитая этому интенсивный обмен письмами со своими коллегами, в особенности с Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, с которыми он крепко дружил. По этой причине многие из его идей встречаются только в этих письмах, которые часто передавались далее и копировались. Паули, судя по всему, мало заботило то, что по причине малого числа публикаций большая часть его работ была почти не известна широкой общественности.

В области физики Паули был известен как перфекционист. При этом он не ограничивался только своими работами, но и безжалостно критиковал ошибки своих коллег. Он стал «совестью физики», часто отзывался о работах как о «совсем неверных», либо комментировал примерно так: «Это не только неправильно, это даже не дотягивает до ошибочного!»

Кроме Нобелевской премии, Паули был награжден медалью Франклина Франклиновского института и медалью Макса Планка Германского физического общества. Он был членом Швейцарского физического общества, Американского физического общества, Американской ассоциации фундаментальных наук, а также иностранным членом Лондонского королевского общества.

Кокрофт Джон Дуглас

(1897—1967)

Английский физик

Джон Дуглас Кокрофт родился в Тодмордене, Йоркшир. Он был старшим из пяти сыновей Джона Артура Кокрофта и Мод (Филден) Кокрофт.

Его отец был владельцем небольшой хлопкопрядильной фабрики, и трое из его братьев пошли по стопам отца, поскольку их семья занималась этим бизнесом уже пять поколений. Однако Джон, блестящий ученик и спортсмен, получил в 1914 году стипендию для обучения в Манчестерском университете.

В Манчестере Кокрофт начал изучать математику и посещать лекции физика Эрнеста Резерфорда, который к тому времени уже получил признание за свои работы по радиоактивности и строению атома.

Это было время, когда перед математиками и физиками встало множество серьезных проблем.

В 1896 году Анри Беккерель открыл радиоактивность. Только начала осмысливаться учеными теория относительности Альберта Эйнштейна, опубликованная в 1905 году. Но разразилась первая мировая война, и в 1915 году, после года занятий в университете, Кокрофт вступил в добровольческое формирование Ассоциации молодых христиан. На военную службу его призвали в этом же году. До своего выхода в запас в 1918 году он воевал на Западном фронте и продвинулся по службе от сигнальщика до офицера Королевской полевой артиллерии.

Вернувшись в Манчестер, Кокрофт стал заниматься электротехникой, и за эти работы получил степень магистра в 1922 году. Уже в 1924 году получил с отличием степень бакалавра.

Совместно с русским физиком Петром Капицей он разработал трансформаторные обмотки для получения интенсивных магнитных полей. Он также исследовал поверхностные пленки, полученные с помощью атомных пучков.

С Эрнестом Уолтоном, своим коллегой по Кавендишской лаборатории, Кокрофт разработал основанную на прямом методе установку. С помощью этой установки Кокрофт и Уолтон в апреле 1932 года бомбардировали литий ядрами водорода, или протонами. Они превратили литий и водород в гелий, став тем самым первыми учеными, которым удалось искусственно расщепить атом.

После открытия искусственных радиоактивных элементов Фредериком Жолио и Ирен Жолио-Кюри Кокрофт и Уолтон показали, что они могут также получать такие элементы, облучая бор и углерод ядрами водорода.

В 1939 году началась Вторая мировая война, и Кокрофт снова принял участие в военных разработках Великобритании. На него была возложена основная ответственность за разработку и развертывание радаров, решающего фактора, обеспечившего успех Британии в воздушной войне с Германией.

В 1946 году возглавил новое ведомство по исследованиям в области атомной энергии, результатом деятельности которого было создание первой в мире атомной станции в Колдер-Холл, на севере Англии. Он основал то, что теперь известно как Резерфордская лаборатория высоких энергий, первоклассное оборудование которой открыто для пользования всему научному сообществу британских университетов.

В 1925 году Кокрофт женился на Юнис Элизабет Крэбтри, у них было четыре дочери и сын.

Умер Кокрофт в Кембридже 18 сентября 1967 года.

Кокрофт и Уолтон разделили в 1951 году Нобелевскую премию по физике «за работы по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц».

Кроме Нобелевской премии, Кокрофт получил Королевскую медаль Королевского общества, международную золотую медаль Нильса Бора Датского общества инженеров-строителей, электриков и механиков и премию «За мирный атом», учрежденную фондом Форда. Он был членом Королевского общества, а также почетным членом Американской академии наук и искусств и Шведской королевской академии наук. В 1948 году Кокрофту было пожаловано дворянство. Он был обладателем почетных степеней Оксфордского университета, Лондонского университета, университета Торонто и университета Глазго.

Ландау Лев Давидович

(1908—1968)

Выдающийся российский физик-теоретик

Лев Ландау родился в Баку 22 января 1908 года в интеллигентной семье (отец – инженер-нефтяник, мать – врач). В семье было двое детей. С сестрой Софьей Ландау дружил всю жизнь.

С 1916 года учился в бакинской еврейской гимназии, где его мать – Любовь Вениаминовна Ландау (урожд. Гаркави) – была преподавателем естествознания. Его математические способности проявились уже в школе, которую он закончил в 13 лет. По свидетельству физика-теоретика Евгения Михайловича Лифшица, Ландау «говорил, что почти не помнит себя не умеющим дифференцировать и интегрировать».