Великие открытия и люди. 100 лауреатов Нобелевской премии XX века

В 1913 году Э. Шрёдингер и К. В. Ф. Кольрауш получают премию Хайтингера Императорской академии наук за экспериментальные исследования радия.

Во время войны Шрёдингер служил офицером-артиллеристом в захолустном гарнизоне, расположенном в горах, вдали от линии фронта. Продуктивно используя свободное время, он изучал общую теорию относительности Альберта Эйнштейна. По окончании войны он возвращается во 2-й физический институт в Вене, где продолжает свои исследования по общей теории относительности, статистической механике (занимающейся изучением систем, состоящих из очень большого числа взаимодействующих объектов, например молекул газа) и дифракции рентгеновского излучения. Тогда же Шрёдингер проводит обширные экспериментальные и теоретические исследования по теории цвета и восприятию.

В 1920 году Шрёдингер отправился в Германию, где стал ассистентом Макса Вина в Иенском университете, но через четыре месяца становится адъюнкт-профессором Штутгартского технического университета. Через один семестр он покидает Штутгарт и на короткое время занимает пост профессора в Бреслау (ныне Вроцлав, Польша). Затем Шрёдингер переезжает в Швейцарию и становится там полным профессором, а также преемником Эйнштейна и Макса фон Лауэ на кафедре физики Цюрихского университета. В Цюрихе, где Шрёдингер остается с 1921 по 1927 год, он занимается в основном термодинамикой и статистической механикой и их применением для объяснения природы газов и твердых тел.

Интересуясь широким кругом физических проблем, он следит за успехами квантовой теории, но особенно сосредоточивает свое внимание на этой области после благоприятного отзыва Эйнштейна по поводу волновой теории материи Луи де Бройля.

Эрвин Шрёдингер предложил свою формулировку квантовой механики, описывающей эти явления на языке волновых понятий. Подход Шрёдингера берет начало в работах Луи де Бройля, высказавшего гипотезу о так называемых волнах материи: подобно тому, как свет, традиционно считавшийся волнами, может обладать корпускулярными свойствами (фотоны, или кванты излучения), частицы могут обладать волновыми свойствами. Позднее было доказано, что матричная и волновая механики, по существу, эквивалентны. Взятые вместе, они образуют то, что ныне называется квантовой механикой.

После того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, П. А. М. Дирак предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитные свойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни было дополнительных предположений. Кроме того, теория Дирака предсказывала существование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, – двойников частиц с противоположными по знаку электрическими зарядами.

В 1933 году Шрёдингер и Дирак были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие новых продуктивных форм атомной теории».

В этом же году 9 ноября Королевской шведской Академией Наук было объявлено, что 31-летнему Вернеру Гейзенбергу присуждена Нобелевская премия по физике «за создание квантовой механики, применение которой привело помимо прочего к открытию аллотропных форм водорода».

На церемонии презентации Ганс Плейель, член Шведской королевской академии наук воздал должное Эрвину Шрёдингеру за «создание новой системы механики, которая справедлива для движения внутри атомов и молекул». По словам Плейеля, волновая механика дает не только «решение ряда проблем в атомной физике, но и простой и удобный метод исследования свойств атомов и молекул и стала мощным стимулом развития физики».

В 1920 году Шрёдингер вступил в брак с Аннемарией Бертель из Зальцбурга, с которой познакомился летом 1913 года в Зеехаме, во время проведения опытов по атмосферному электричеству. Этот брак продержался до конца жизни учёного, несмотря на регулярные романы супругов «на стороне». Так, среди любовников Аннемари были коллеги её мужа Пауль Эвальд и Герман Вейль. Шрёдингер, в свою очередь, имел многочисленные романы с молодыми женщинами, из которых две были ещё подростками (с одной из них он зимой 1925 года провёл в Арозе каникулы, в течение которых интенсивно работал над созданием волновой механики). Хотя у Эрвина и Аннемари не было детей, известно о нескольких внебрачных детях Шрёдингера. Мать одного из них, Хильде Марх, супруга Артура Марха, одного из австрийских друзей учёного, стала для Шрёдингера «второй женой». В 1933 году, покидая Германию, он смог договориться о финансировании в Оксфорде не только для себя, но и для Мархов; весной 1934 года Хильде родила от Шрёдингера дочь, Рут Георгину. В следующем году Мархи вернулись в Инсбрук. Ещё двое внебрачных детей у него родилось за время пребывания в Дублине. Начиная с 1940-х годов, Аннемари регулярно подвергалась госпитализации в связи с приступами депрессии.

Столь свободный образ жизни шокировал пуританских обитателей Оксфорда, что было одной из причин дискомфорта, который испытывал там Шрёдингер.

Современники отмечали разносторонность интересов Шрёдингера, его глубокие познания в философии и истории. Он владел шестью иностранными языками (помимо «гимназических» древнегреческого и латыни, это английский, французский, испанский и итальянский), читал классические произведения в оригинале и занимался их переводом, писал стихи, увлекался скульптурой.

Всю жизнь он был любителем природы и страстным туристом. Любил посещать театр; особенно ему нравились пьесы Франца Грильпарцера, которые ставились в Бургтеатре.

Среди своих коллег Шрёдингер был известен как человек замкнутый, чудаковатый, имевший мало единомышленников, Дирак так описывает прибытие Шрёдингера на престижный Сольвеевский конгресс в Брюсселе: «Весь его скарб умещался в рюкзаке. Он выглядел как бродяга, и понадобилось довольно долго убеждать портье, прежде чем тот отвел Шрёдингера номер в гостинице».

Шрёдингер глубоко интересовался не только научными, но и философскими аспектами физики, написал в Дублине несколько философских исследований. Размышляя над проблемами приложения физики к биологии, он выдвинул идею молекулярного подхода к изучению генов, изложив ее в книге «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки», оказавшей влияние на некоторых биологов, в том числе Фрэнсиса Крика и Мориса Уилкинса. Шрёдингер опубликовал также томик стихов.

Он вышел в отставку в 1958 году когда ему исполнился семьдесят один год, и умер через три года в Вене.

Кроме Нобелевской премии, Шрёдингер был удостоен многих наград и почестей, в том числе золотой медали Маттеуччи Итальянской национальной академии наук, медали Макса Планка Германского физического общества, и награжден правительством ФРГ орденом «За заслуги». Шрёдингер был почетным доктором университетов Гента, Дублина и Эдинбурга, состоял членом Папской академии наук, Лондонского королевского общества, Берлинской академии наук, Академии наук СССР, Дублинской академии наук и Мадридской академии наук.

Гесс Виктор Франц

(1883—1964)

Австро-американский физик

Виктор Франц Гесс родился в замке Вальдштейн в австрийской провинции Штирии в семье Винзенса Гесса – главного лесничего имения принца Оттинген-Валлерштейна – и урожденной Серафины Эдле фон Гроссбауэр-Вальдштат.

С 1893 по 1901 год он учился в гимназии, по окончании которой поступил в Грацкий университет. В 1906 году Гесс защитил докторскую диссертацию по физике «с похвальным отзывом».

После защиты Гесс, работая демонстратором и лектором в Венском университете, заинтересовался исследованиями Франца Экснера и Эгона фон Швейдлера по ионизирующему действию радиоактивных излучений. Такие излучения возникают в тех случаях, когда атомы нестабильных элементов, например урана или тория, испускают «сгустки» (порции) энергии и положительные или отрицательные частицы. Под действием радиоактивного излучения окружающая источник атмосфера становится электропроводной, то есть ионизируется. Такого рода радиоактивность может быть обнаружена с помощью электроскопа – прибора, который теряет сообщенный ему электрический заряд под действием радиации.

Работая с 1910 года ассистентом-исследователем в Институте радиевых исследований при Венском университете, Гесс узнал о проводившихся его коллегами экспериментах по определению источника ионизирующего излучения в атмосфере. Ему стало известно и о том, что несколькими месяцами раньше Теодор Вульф измерил в Париже ионизацию атмосферы. Измерения Вульфом производились с Эйфелевой башни и показали, что на ее вершине (на высоте 320 м) уровень радиации гораздо выше, чем у ее основания. Данные Вульфа расходились с существовавшей тогда теорией, согласно которой радиация могла идти только из-под земли. Вульф предположил, что необычно высокий уровень радиации наверху вызван радиацией, идущей из земной атмосферы. Он обратился к другим ученым с предложением проверить его гипотезу, запуская в атмосферу с помощью баллонов измерительные приборы.

На следующий год Гесс создал приборы, способные выдержать существенные перепады температуры и давления при подъеме на большие высоты. Гесс вычислил, что максимальная высота, на которой земная радиация могла бы ионизовать атмосферу, равна 500 м. В следующие два года он с помощью Австрийского воздухоплавательного клуба запустил десять аэрозондов. «Мне удалось показать, – вспоминал он впоследствии, – что ионизация (в электроскопе) уменьшалась с увеличением высоты подъема над землей (за счет уменьшения влияния радиоактивных веществ в земле), но начиная с высоты 1000 м заметно возрастала и на высоте 5000 м достигала значения, в несколько раз превосходящего наблюдаемое на поверхности Земли». Эти данные привели его к заключению, что ионизация могла быть вызвана проникновением в земную атмосферу неизвестного излучения из космического пространства.

В том, что излучение приходит из космического пространства, а не исходит от Солнца, Гесса убедили результаты ночных запусков, во время которых не наблюдалось понижения уровня радиации в верхних слоях атмосферы.

В 1925 году новое излучение было названо американским физиком Робертом А. Милликеном «космическими лучами».

Эксперименты Гесса привлекли внимание к космическим лучам других физиков, в том числе Карла Д. Андерсона, открывшего позитрон, положительно заряженную частицу с массой, равной массе электрона. Им же вместе с С.Х. Неддермейером был открыт мюмезон – необычайно короткоживущая частица с массой, примерно в 200 раз больше массы электрона. Позднее она стала называться мюоном.

В 1919 году Гесс был назначен ассистент-профессором физики Венского университета, но в 1920 году переехал в Грац, где стал адъюнкт-профессором экспериментальной физики. В 1921 году, взяв отпуск, Гесс отправился в Соединенные Штаты, где возглавил исследовательскую лабораторию Радиевой корпорации Соединенных Штатов в Ориндже (штат Нью-Джерси) и одновременно исполнял обязанности консультанта при Горном бюро министерства внутренних дел США.

В Грац Гесс вернулся в 1923 году. Через два года он стал полным профессором, а в 1929 году был назначен деканом факультета. В 1931 году Гесс стал профессором экспериментальной физики и директором Института радиационных исследований при Инсбрукском университете. Он создал под Хафелекаром станцию по исследованию космических лучей.

За «открытие космических лучей» Гесс совместно с Карлом Д. Андерсоном был удостоен Нобелевской премии по физике 1936 году. Представляя лауреатов, Ханс Плейель из Шведской королевской академии наук подчеркнул, что Гесс «предложил нам новые важные проблемы, связанные с формированием и разрушением вещества, проблемы, открывающие новые области для исследования».

В 1938 году, через два месяца после того, как нацистская Германия аннексировала Австрию, Гесс был смещен со своего поста в Граце, так как его жена была еврейкой, а сам он состоял научным советником при правительстве низложенного канцлера Австрии Курта фон Шушнига. Получив предупреждение о готовящемся аресте, Гесс бежал в Швейцарию.

В этом же году получил приглашение от Фордхемского университета и с женой уехал в Нью-Йорк. В Фордхеме Гесс преподавал физику и через шесть лет получил американское гражданство.

В 1946 году к нему обратились с просьбой возглавить первые в мире измерения уровня радиоактивных осадков, выпавших в Соединенных Штатах после атомной бомбардировки Хиросимы. На следующий год Гесс вместе с физиком Уильямом Т. Макниффом разработали метод обнаружения небольших количеств радия в человеческом теле по измерению гамма-излучения.

В 1920 году Гесс женился на Мари Берте Варнер Брейски, которая скончалась в 1955 году. В том же году Гесс вступил в брак с Элизабет М. Хёнке. После выхода в отставку в 1956 году Гесс до конца жизни продолжал заниматься исследованием космических лучей и радиоактивности.

В 1964 году он умер в Маунт-Верноне (штат Нью-Йорк).

За свою долгую карьеру Гесс был удостоен множества наград и почестей, в том числе премии Либена Австрийской академии наук, премии Эрнста Аббе Фонда Карла Цейса, почетного знака «За заслуги в искусстве и науке» австрийского правительства и почетных степеней Венского университета, университета Лойолы в Чикаго, университета Лойолы в Новом Орлеане и Фордхемского университета.

Лоуренс Эрнест Орландо

(1901—1958)

Американский физик

Эрнест Орландо Лоуренс родился 8 августа 1901 в Кантоне (штат Южная Дакота). Он был старшим сыном Карла Густава и Гунды (Джекобсон) Лоуренс. Родители Лоуренса эмигрировали в Соединенные Штаты из Норвегии.

Отец был управляющим местных школ, а затем образованием всего штата и президентом нескольких учительских колледжей; мать тоже работала в системе образования. Лоуренс учился в городских школах Кантона и Пьерра. В свободное время он и его лучший друг и сосед Мерл Тьюв, также ставший выдающимся физиком, строили планеры и создали свою собственную систему беспроволочного телеграфа.

Когда один из его двоюродных братьев умер от лейкемии, Лоуренс решил стать медиком. Получив стипендию, он 1918 году поступил в колледж св. Олафа в Нортфилде (штат Миннесота), но через год перешел в университет Южной Дакоты. Там профессор электротехники Льюис Э. Эйкели привлек Лоуренса к углубленным занятиям физикой. Пос ле получения в 1922 году диплома бакалавра наук с отличием Лоуренс поступил в аспирантуру университета штата Миннесота к У. Ф. Г. Сванну. В аспирантуре он занимался экспериментальным исследованием электрической индукции и в 1923 году получил ученую степень магистра наук.

Через год Лоуренс вместе со своим учителем Сванном перешел в Чикагский университет. Там его интерес к физике еще более возрос после встреч с Нильсом Бором, Артуром Комптоном, Альбертом А. Майкельсоном, X. А. Вильсоном и другими выдающимися физиками. Через год после перехода осенью 1924 года в Йельский университет Лоуренс получил докторскую степень. Его диссертация о фотоэлектрическом эффекте в парах калия стала первой из его значительных работ в этой области физики.

В Калифорнии Лоуренс продолжил начатые исследования в таких областях, как фотоэлектричество и измерение очень коротких промежутков времени.

Затем Лоуренс обратился к ядерной физике, которая тогда быстро развивалась. В 1919 году Эрнест Резерфорд расщепил атомное ядро, бомбардируя его альфа-частицами, испускаемыми радием.

Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон построили линейные ускорители частиц, работавшие при очень высоких напряжениях. В этих устройствах положительно заряженные частицы разгонялись по прямой в направлении притягивавшего их отрицательного электрода и приобретали энергию, пропорциональную приложенному напряжению.

Линейные ускорители не нравились Лоуренсу, так как в них время от времени происходил пробой изоляции и возникал высоковольтный разряд, напоминающий по виду молнию. В 1929 году Лоуренсу попалась на глаза статья на немецком языке инженера норвежского происхождения Рольфа Видерее, прочитав которую Лоуренс понял, что частицы можно ускорять, повышая напряжение постепенно, что прямолинейный путь можно изогнуть в окружность. Проделав необходимые расчеты, он вместе с несколькими сотрудниками приступил к проектированию и постройке первого циклотрона. Именно с его созданием обычно связывают имя Лоуренса.

Основная идея Лоуренса состояла в том, что заряженные частицы движутся в однородном магнитном поле по окружностям. Так происходит потому, что движущийся заряд представляет собой электрический ток, который, как и ток в обмотках электромагнита, создает магнитное поле. Подобно двум магнитам, поднесенным вплотную друг к другу, частица и внешний магнит действуют друг на друга с определенной силой, но двигаться может только частица (в случае двух сближаемых магнитов это соответствует тому, что один магнит жестко закреплен, а другой может двигаться). Направление силы всегда образует прямые углы с направлением магнитного поля и с направлением движения частицы. Поскольку направление частицы постоянно изменяется, частица движется по окружности. Важная особенность движения частицы состоит в том, что она всегда описывает полную окружность за одно и то же время независимо от скорости (кинетической энергии) частицы. Но диаметр окружности тем больше, чем больше скорость частицы. Именно эти особенности движения частиц и использовал Лоуренс, проектируя свой циклотрон.

После первого, довольно несовершенного циклотрона, построенного в 1930 году, Лоуренс и его коллеги из Беркли быстро создали одну за другой более крупные модели. Используя 80-тонный магнит, предоставленный ему Федеральной телеграфной компанией, Лоуренс ускорял частицы до рекордных энергий в много миллионов электрон-вольт. Циклотроны оказались идеальными экспериментальными приборами. В отличие от частиц, испускаемых ядрами при радиоактивном распаде, пучок частиц, выводимых из циклотрона, был однонаправленным, их энергию можно было регулировать, а интенсивность потока была несравненно выше, чем от любого радиоактивного источника.