В книге, выпущенной издательством «Питер», рассказывается о главных открытиях в области физики и тех, кто их совершил — от Архимеда с его пресловутой ванной до Альберта Энштейна. Мы публикуем отрывок, благодаря которому вы узнаете, что сделал с котом австрийский учёный Эрвин Шрёдингер и почему первая ядерная реакция прошла на заброшенном стадионе.

Жив или мёртв кот Шрёдингера?

Исследователь: Эрвин Шрёдингер.

Область исследований: квантовая физика.

Результат: две возможности сосуществуют.

Как кот может быть и живым и мертвым? В 1935 году этот риторический вопрос поставил австрийский физик Эрвин Шрёдингер. С 1920-х физики-теоретики и математики работали над нюансами квантовой механики. В Копенгагене Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, основоположники квантовой теории, работали над так называемой копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Шрёдингер считал, что есть проблема с применением этой теории к обычным предметам.

Одна из предложенных Бором и Гейзенбергом идей получила название «квантовой суперпозиции». Если частица (или фотон света) может находиться в любом из двух состояний или положений и нет никакого способа определить, в каком именно, то, согласно принципу суперпозиции, частица находится в обоих состояниях одновременно до тех пор, пока наблюдение не обнаружит ее в одном из этих состояний. Тогда бы она мгновенно «схлопнулась» в это состояние. Таким образом, только наблюдатель мог зафиксировать частицу в одном из ее возможных состояний. Шрёдингеру не нравилась идея суперпозиции, и поэтому он предложил парадокс в виде мысленного эксперимента.

Ни один кот не пострадал…

Представьте себе кота, запертого в стальном ящике без возможности сбежать. В том же ящике рядом с ним находятся механизм с атомом радиоактивного вещества, счетчик Гейгера и бутылка смертельного цианида. Если неустойчивый атом распадется, счетчик Гейгера обнаружит это и активирует реле, молоток разобьет бутылку и выпустит яд, который убьет кота.

Радиоактивные атомы совершенно непредсказуемы. Атом в ящике может распасться через секунду или не сделать этого и через год. Поскольку никто не может заглянуть в коробку, спустя полчаса невозможно сказать, распался атом или нет. Согласно идее суперпозиции, он должен считаться как целым, так и распавшимся.

Значение наблюдателя

Но это означает, что кот должен быть и живым и мертвым одновременно — пока наблюдатель не откроет коробку, чтобы посмотреть на него. Шрёдингер утверждал, что это не имеет смысла; принцип суперпозиции в реальном мире смехотворен. Он писал:

Некоторые оппоненты возражали, что сам кот должен считаться наблюдателем: он точно будет знать, распался ли атом, ведь сам кот все еще жив.

Сам Нильс Бор не настаивал на присутствии наблюдателя. Для него кот был либо жив, либо мертв задолго до того, когда кто-нибудь откроет коробку. Он считал, что это счетчик Гейгера делает кота живым или мертвым. То есть это счетчик Гейгера был наблюдателем.

Есть ли в этом еще какой-либо смысл? Не для Альберта Эйнштейна. Он написал Шрёдингеру в 1950 году:

Множество миров

Более поздние модели квантовой механики привнесли другие идеи. В 1957 году Хью Эверетт создал «многомировую интерпретацию», которая предполагает, что когда существуют две возможности, обе остаются верными. Более того, все возможные истории и варианты будущего остаются верными. Существует большое количество вселенных, и все, что могло бы произойти, произошло в той или иной из них.

Согласно этой теории, в тот момент, когда ящик Шрёдингера открывается, и наблюдатель, и живой/мертвый кот «расщепляются». Тогда в одной вселенной у первого наблюдателя остается живой кот, а в другой второй наблюдатель увидит мертвого кота; но эти два наблюдателя никогда не смогут встретиться или связаться друг с другом.

Споры на этот счет не затихают до сих пор, а кот Шрёдингера стал мировой знаменитостью — самым популярным животным в квантовой механике.

Как запустили первый ядерный реактор?

Исследователи: Лео Силард и Энрико Ферми.

Область исследований. Ядерная физика.

Результат. Ядерные реакции могут генерировать энергию.

В 1933 году венгерский физик Лео Силард, находясь в Англии, прочел в газете «Таймс» речь Эрнеста Резерфорда, к тому моменту уже патриарха атомной физики. В своей речи Резерфорд отверг возможность получения энергии из ядерных реакций: «…все, кто искал источник энергии в трансформации атомов, несут вздор».

Устрашающий образ

Это так раздосадовало Силарда, что он кипел от злости, шагая по улице Блумсбери в Лондоне серым промозглым утром 12 сентября. Легенда гласит, что он ждал светофора рядом с Британским музеем, чтобы пересечь Саутгемптон-роуд, и когда он уже сошел с тротуара, ему в голову вдруг пришла ужасающая мысль: что, если бы кто-то смог найти реакцию, которая запускается недавно обнаруженным нейтроном, — реакцию, в которой атом порождает два нейтрона? Затем эти два нейтрона запустят реакцию еще двух атомов, которые высвободят четыре нейтрона, а те произведут восемь… получилась бы цепная реакция. Как писал Ричард Родс в своей книге «Создание атомной бомбы», «пока он переходил через дорогу, время затрещало по швам, и он увидел дорогу в будущее, смерть в нашем мире и все наши беды — образ того, как все обернется».

Гениальный итальянец

Энрико Ферми родился в Риме и сделал блестящую карьеру в физике, как в теоретической, так и в практической. В 1938 году он получил Нобелевскую премию по физике за осуществление ядерных реакций под действием медленных нейтронов и создание таким образом новых элементов. К сожалению, «новые элементы» оказались вовсе не новыми, а изотопами ранее известных, образующимися в реакциях. Ферми был несколько сконфужен, но сохранил уверенность в себе.

В 1939 году нависла угроза войны. И Силард, и Ферми эмигрировали в США, чтобы избежать нацистского и фашистского режимов. Понимая, что немецкие ученые могут создать атомную бомбу, они написали письмо, чтобы предупредить президента Рузвельта, и уговорили Эйнштейна также написать от своего имени.

Критическая масса

В это время другие ученые обнаружили, что, распадаясь, атом урана производит два или три нейтрона. Выяснилось также, что распад атома урана способен вызвать даже один медленный нейтрон. Вот тут-то и появилась опасность настоящей цепной ядерной реакции. Соберите в одном месте критическую массу урана (около 15 килограммов чистого металла — кусок немногим больше бейсбольного мяча), и нейтроны, которые он произведет, вызовут дальнейшие распады — реакцию будет не остановить.

Ферми и Силард в Чикагском университете взялись за строительство первого в мире ядерного реактора. Они планировали построить реактор в Ред Гейт Вудс, на безопасном расстоянии, далеко за пределами города, но помешала забастовка рабочих. Поэтому они собрали «Чикагскую поленницу-1» (Chicago Pile-1, CP-1) под трибунами заброшенного стадиона, расположенного посреди обширной городской застройки.

Эксперимент был пугающе опасен. Силард, Ферми и другие рассчитали, как все должно начаться и закончиться, но если бы что-то пошло не так, весь город Чикаго был бы разрушен. Правда, к тому времени Америка уже была втянута в мировую войну, так что риск, возможно, казался оправданным.

Чикагская поленница-1

Реактор представлял собой «поленницу» из спрессованных в брикеты урановых гранул и графитовых блоков. Ферми обнаружил, что нейтроны, испускаемые при распаде атомов урана, слишком быстры, чтобы запустить цепную реакцию. Парафиновый воск и вода замедляют их почти до полной остановки, потому что нейтроны сталкиваются в них с многочисленными атомами водорода. Графит был более эффективным замедлителем, тормозя нейтроны достаточно, чтобы сделать их высокоэффективными при разрушении других атомов урана.

Также нужен был механизм, чтобы замедлить и остановить реакцию, если она начнется, поэтому у них был набор регулирующих стержней из кадмия и индия, которые можно было сбросить в специальные пазы конструкции. Кадмий и индий поглощают ней- 149 троны, поэтому они должны были замедлить и остановить ядерную реакцию.

«Поленницу» собрали с погруженными в нее регулирующими стержнями, а затем 2 декабря 1942 года в 3:25 регулирующие стержни были извлечены, и CP-1 вышла на критический режим. Началась первая в мире управляемая ядерная реакция. Ферми завершил ее спустя 28 минут.

Позже реактор был демонтирован и перенесен в Ред Гейт Вудс в будущую первую Аргоннскую национальную лабораторию, где из него собрали CP-2. Ферми был назначен руководителем Манхэттенского проекта в Лос-Аламосе и в 1945 году измерил энергию, произведенную первым испытанием атомной бомбы в пустыне Аламогордо.