Как Первая мировая война помешала физикам разобраться в устройстве атома
Физика элементарных частиц возникла в начале ХХ века из, казалось бы, пустяка — прикладной задачи, поставленной производителями электрических лампочек. Установив, что свет излучается порциями — квантами, физики задумались об устройстве атома, которое допускало бы такое излучение. Важнейшие открытия были сделаны уже к 1912 году, но вскоре ученым стало не до проблем атома. Начавшаяся Первая мировая война потребовала от них иных навыков: одни ушли на фронт и погибли, другие применили свои знания для разработки наиболее смертоносных видов оружия, какое знало человечество. Читайте об этом в нашем новом материале из серии «Физика ХХ века».
В конце XIX века производители лампочек обнаружили, что физики не могут теоретически объяснить, как устроен спектр излучения лампы накаливания (то есть какова яркость каждого цвета в излучаемом свете), а без этого невозможно было наладить производство лампочек, которые бы светили одинаково, подчиняясь определенному стандарту. За эту, на первый взгляд, техническую проблему решил взяться Макс Планк, занимавший в это время должность профессора теоретической физики Берлинского университета.
Для объяснения спектра Планку потребовалось предположить, что нагретое тело излучает свет не непрерывно, а порциями, которые он назвал квантами. Энергия каждого кванта равна произведению числа h (позже названного постоянной Планка) и частоты света: E=hν. От частоты (точнее от длины волны, то есть расстояния между гребнями волны) как раз и зависит цвет. Сам Планк долгое время не верил в реальность световых квантов и считал свое открытие чем-то вроде математического трюка. И вообще кванты напоминали световые частицы, с которыми почти восемьдесят лет назад счастливо покончили эксперименты Юнга и Араго (о них мы рассказывали в нашем предыдущем тексте). Тем не менее, это, казалось бы, прикладное открытие, сделанное в 1900 году, привело к настоящей революции в физике.
К началу ХХ века было твердо установлено, что все тела состоят из атомов, однако как именно устроен атом, было еще неизвестно. Исаак Ньютон, величайший физик конца XVII — начала XVIII века, представлял себе атомы в виде маленьких твердых шариков, вроде бильярдных. «Мне кажется вероятным, что Бог в начале создал материю в форме твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц», — писал он в 1704 году. С ним был согласен и Джеймс Клерк Максвелл, величайший физик XIX века: «Сквозь все катастрофы, которые уже случились и могут случиться на небесах <…> атомы, из которых состоят Солнце и планеты, строительный материал Вселенной, остаются целыми и невредимыми. Они сегодня такие же, как и в день, когда были созданы, не изменились ни их число, ни размеры, ни вес».
В 1897 году Джозеф Джон Томсон, английский физик-экспериментатор, руководитель организованной Максвеллом в Кембридже Кавендишской лаборатории, открыл электрон, отрицательно заряженную частицу с массой примерно в две тысячи раз меньше, чем у атома самого легкого элемента, водорода. В 1904 году Томсон предложил модель атома, известную как «пудинг с изюмом»: внутри положительно заряженного облака («пудинга»), занимающего весь объем атома, находятся отрицательно заряженные маленькие электроны («изюминки»).
Модель Томсона продержалась недолго и уже через четыре года была опровергнута его учеником Эрнестом Резерфордом. Резерфорд родился в семье фермера и школьной учительницы в Новой Зеландии, далекой от Европы и передовых научных исследований английской колонии. Семья не имела возможности поддержать его стремление заниматься наукой, однако после окончания Новозеландского университета Резерфорд выиграл стипендию, учрежденную на доходы от Всемирной выставки 1851 года (о ней также шла речь в предыдущем тексте), которая позволила ему в 1895 году отправиться в Англию в Кавендишскую лабораторию, где он стал одним из первых не заканчивавших Кембридж сотрудников-«чужаков».
В 1906 году Резерфорд получил место профессора в Манчестерском университете, и в 1908–1910 годах Ганс Гейгер и Эрнст Мардсен под его руководством провели серию экспериментов, показавших, что на самом деле по большей части атом состоит из пустоты, а весь положительный заряд находится в тяжелом компактном ядре в центре. По результатам этих экспериментов в 1911 году Резерфорд предложил планетарную модель: электроны движутся вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца.
К сожалению, эта модель имела существенный недостаток: по твердо установленным для обычных заряженных тел законам, вращающиеся вокруг ядра электроны должны были бы непрерывно излучать свет, теряя за счет этого энергию, и очень быстро упали бы на ядро. Такой атом, подчиняющийся законам классической физики, просуществовал бы меньше наносекунды!
В 1911 году молодой датский физик Нильс Бор приехал в Кембридж на стажировку в Кавендишской лаборатории под руководством Дж. Дж. Томсона. Сотрудничество не задалось с самого начала: на одной из первых встреч Бор указал Томсону на ошибку в расчетах, Томсон поручил Бору экспериментальную работу, которая того не интересовала. К тому же Бор довольно плохо знал английский, что затрудняло обсуждение возникающих проблем. К счастью для Бора, вскоре Кембридж посетил Резерфорд, который уговорил его переехать в Манчестер и заняться теорией атома. И уже в 1912 году Бор предложил радикальное решение проблемы планетарной модели.
Бор предположил, что законы классической физики в атоме просто не выполняются. Электроны вращаются по определенным орбитам, ничего не излучая, а при перескоке электрона с одной орбиты на другую испускается планковский квант света. Частота (цвет) этого света определяется просто разностью энергий этих орбит.
Модель Бора отлично согласовывалась с экспериментальными данными о том, как атомы излучают свет, что принесло Бору всемирное признание и Нобелевскую премию по физике в 1922 году. Однако, отвергая применимость классической физики к атому, она не предлагала новых фундаментальных законов, которые бы объяснили, почему атом устроен именно так. От решения этой задачи физиков отвлекла начавшаяся в июле 1914 года Первая мировая война.
Большинство сотрудников Резерфорда отправились на фронт или занялись прикладными военными исследованиями. Сам Резерфорд приступил к разработке сонара, прибора для обнаружения подводных лодок. Нильс Бор, гражданин нейтральной Дании, был вынужден сосредоточиться на чтении лекций студентам Манчестерского университета.
Один из самых блестящих учеников Резерфорда, Генри Мозли, в серии экспериментов 1912–1914 годов смог доказать, что различные химические элементы отличаются не массой атома, как считалось раньше, а электрическим зарядом атомного ядра. По воспоминаниям Нильса Бора, только после этого работы Резерфорда и самого Бора по планетарной модели атома начали воспринимать всерьез. Сразу после объявления войны Генри Мозли, как и многие другие молодые британцы, записался добровольцем в армию и был убит в возрасте 27 лет в сражении при Галлиполи, неудачной попытке англо-французских войск захватить Константинополь. Американский нобелевский лауреат по физике Роберт Милликен считал, что одна только смерть Мозли сделала Первую мировую войну одним из самых ужасных и непоправимых преступлений в истории.
Конечно, и XIX век в Европе не был мирным. Он начался с наполеоновских войн, затем были Крымская война, война за объединение Италии, австро- и франко-прусские войны и несколько менее масштабных конфликтов. Эти войны длились не более двух лет каждая и приводили к смерти сотен тысяч человек (хотя наполеоновские войны велись с 1800 по 1815 год, они на самом деле состояли из череды одно-двухлетних конфликтов, после которых участники мирились, восстанавливали экономику и армию и переформатировали коалиции).
Первая мировая война, начавшаяся после долгих 43 лет мира в Европе, длилась четыре года, унесла жизни более 10 миллионов солдат и сильно подорвала экономику большинства участников, что привело к революциям в Германской и Российской империях и распаду Османской и Австро-Венгерской империй.
Одной из причин такой разрушительности Первой мировой был технический прогресс. Новые технологии использовались и в войнах XIX века. Так, президент Авраам Линкольн с помощью телеграфа прямо из Вашингтона управлял боевыми действиями на всех театрах Гражданской войны в США, а одной из важных причин сокрушительной победы Пруссии над Францией в войне 1870-71 годов считается четкая работа германских железных дорог, которая позволяла быстро доставлять солдат к нужной точке границы.
Однако именно в Первую мировую в небе появилась боевая авиация, в море боевым и торговым кораблям стали угрожать подводные лодки, а войну на суше полностью изменил пулемет. Из-за убийственной эффективности пулеметов атаки на укрепленные позиции приводили к огромным потерям, и уже к концу 1915 года фронт стабилизировался на огромной территории от Балтийского до Черного моря, во Франции, Бельгии, на Балканах и на Кавказе. Почти все свое время солдаты стали проводить в окопах, все меньше понимая, за что они сражаются.
Хаим Вейцман, изобретатель и президент
Одним из ярких примеров возросшего во время войны влияния ученых является Хаим Вейцман. Вейцман родился в 1874 году в небольшом селе Мотоль недалеко от Пинска в Российской империи. После учебы в Пинске, Дармштадте и Берлине и защиты диссертации по органической химии во Фрибургском университете в Швейцарии он смог получить позицию старшего преподавателя в Манчестерском университете, где подружился с Резерфордом.
Объявление войны застало Вейцмана с женой и сыном на пути в Швейцарию, где они собирались провести отпуск. После возвращения домой в Манчестер Вейцман обнаружил на своем рабочем столе циркуляр из Британского Военного кабинета, где всем ученым, обладающих изобретениями с потенциальным военным значением, предлагалось немедленно сообщить об этом. Вейцману было что сообщить! Перед войной он работал над созданием синтетической резины и открыл бактерию Clostridium acetobutylicum (теперь ее часто называют организмом Вейцмана), которая способна перерабатывать зерно в этиловый спирт, ацетон и бутанол, из которого и удалось получить синтетическую резину.
Однако во время войны особое значение приобрел побочный продукт, ацетон, который был необходим для производства бездымного пороха кордита, использовавшегося на британских военных кораблях. Изобретением Вейцмана заинтересовались первый лорд Адмиралтейства и будущий премьер-министр Уинстон Черчилль и министр вооружений и также будущий премьер-министр Дэвид Ллойд-Джордж. Они попросили Вейцмана перейти от лабораторных экспериментов к промышленному производству ацетона, с чем он успешно справился, увеличив производство с нескольких сотен граммов до 30 тысяч тонн к концу войны. Такое массовое производство стало влиять на рынок зерна, в связи с чем все британские школьники были отправлены на сбор конских каштанов, которые также могли служить сырьем в процессе Вейцмана.
Ллойд-Джордж сообщил Вейцману, что попросит короля Георга V наградить Вейцмана. Тот ответил, что ему не нужно ничего для себя лично, но он бы хотел что-то сделать для своего народа. В 1917 году, благодаря в том числе усилиям Вейцмана, была опубликована декларация Бальфура, письмо от имени английского правительства представителю британской еврейской общины барону Ротшильду, составленное министром иностранных дел Артуром Бальфуром, в котором сообщалось: «Правительство Его Величества с одобрением рассматривает вопрос о создании в Палестине национального очага для еврейского народа, и приложит все усилия для содействия достижению этой цели…»
Идея о создании еврейского национального очага активно обсуждалась в начале 20 века, однако далеко не всем было очевидно, что этот очаг должен быть создан именно в Палестине. В частности, в 1903 году был предложен план «Уганда» — создание еврейского государства в Африке на территории современной Кении. По воспоминаниям Вейцмана, у них с Бальфуром состоялся такой разговор:
— Мистер Бальфур, предположим, я предложил бы вам Париж вместо Лондона, вы согласились бы?
— Но, доктор Вейцман, у нас есть Лондон.
— Верно. Однако Иерусалим был у нас еще тогда, когда на месте Лондона было болото.
Несмотря на то, что по итогам Первой мировой войны Великобритания получила мандат на управление Палестиной, из-за недовольства арабского населения декларация Бальфура практически не заработала и на иммиграцию евреев в Палестину были установлены жесткие квоты. Тем не менее, после Второй мировой войны в 1947 году на территории Палестины было провозглашено государство Израиль и Хаим Вейцман был избран его первым президентом.
22 апреля 1915 года Германия попыталась переломить эту ситуацию, распылив вблизи позиций французских войск около бельгийского города Ипр больше 150 тонн хлора. Результаты первого в истории успешного применения химического оружия были ужасающими. Газета «Таймс» передавала слова очевидца: «Лица, руки людей были глянцевого, серо-черного цвета, рты открыты, глаза покрыты свинцовой глазурью, все вокруг металось, кружилось, борясь за жизнь. Зрелище было пугающим, все эти ужасные почерневшие лица, стенавшие и молящие о помощи… Воздействие газа заключается в заполнении легких водянистой слизистой жидкостью, которая постепенно заполняет все легкие, вызывая удушение, вследствие чего люди умирали в течение одного или двух дней».
Руководил атакой директор берлинского Института физической химии и электрохимии Фриц Габер. Габер родился в еврейской семье, однако в 22 года перешел из иудаизма в лютеранство, вероятно, чтобы избежать трудностей в научной карьере. Он ощущал себя немецким патриотом и считал свой проект по разработке боевых отравляющих газов, за который получил чин капитана (беспрецедентный в Германской империи случай армейской карьеры для ученого!), необходимым вкладом в победу Германии в войне.
В действительности вскоре были разработаны достаточно эффективные средства защиты и количество жертв химического оружия в Первой мировой войне составляло не более 5 процентов от всех убитых. Тем не менее, ужасные мучения при отравлении газом, а также невидимость смертельной опасности (вскоре вместо желто-зеленого хлора стали применяться бесцветные фосген и горчичный газ) вызывали панику.
Главным научным достижением Габера было изобретение эффективного и дешевого способа получения аммиака из атмосферного азота, который является сырьем для производства удобрений и взрывчатых веществ. До открытия Габера практически единственным источником азотного сырья были залежи нитрата натрия в Чили, и нарушение поставок из Южной Америки вследствие действий английского флота грозило оставить германскую армию без боеприпасов. Но более существенно то, что это изобретение сделало гораздо более доступными азотные удобрения и послужило одной из основных причин шестикратного увеличения населения Земли в течение ХХ века. В 1918 году Габеру, к возмущению большинства европейских ученых, была присуждена Нобелевская премия по химии.
Когда сотрудник Габера Отто Ган поинтересовался, как он относится к тому, что использование ядовитых газов является нарушением Гаагской конвенции о правилах ведения войны, Габер ответил, что французы использовали слезоточивый газ еще в 1914 году (правда, без особого эффекта) и, главное, разработка более эффективного оружия — это возможность быстро выиграть войну и избежать новых жертв. Позже он отмечал: «Поначалу англичане были крайне удивлены тем, что мы нарушили Гаагскую конвенцию. Однако с 1916 года они применяли не меньше ядовитых веществ, чем мы».
Жена Габера, Клара Иммервар, одна из первых женщин, получивших в Германии докторскую степень по химии, была категорически несогласна с деятельностью мужа и выстрелила в себя из его служебного пистолета. Фриц Габер не смог присутствовать на похоронах, поскольку на следующее утро после самоубийства был отправлен на Восточный фронт, чтобы организовать новую химическую атаку против русских войск.
Евгений Гельфер