Эрнест Лоуренс

Биография

Американский физик Эрнест Орландо Лоуренс родился в Кантоне (штат Южная Дакота). Он был старшим сыном Карла Густава и Гунды (Джекобсон) Лоуренс, Родители Л. 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. Л. 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, Л. решил стать медиком. Получив стипендию, она 1918 г. поступил в колледж св. Олафа в Нортфилде (штат Миннесота), но через год перешел в университет Южной Дакоты. Там профессор электротехники Льюис Э. Эйкели привлек Л. к углубленным занятиям физикой. После получения в 1922 г. диплома бакалавра наук с отличием Л. поступил в аспирантуру университета штата Миннесота к У.Ф. Г. Сванну. В аспирантуре он занимался экспериментальным исследованием электрической индукции и в 1923 г. получил ученую степень магистра наук.

Через год Л. 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 г. в Йельский университет Л. получил докторскую степень. Его диссертация о фотоэлектрическом эффекте в парах калия стала первой из его значительных работ в этой области физики. Следующие два года он работал в Йеле как стипендиат Национального совета по научным исследованиям и в 1927 г. получил назначение на должность ассистент-профессора физики. Но в 1928 г. Л. покинул Йельский университет и стал адъюнкт-профессором Калифорнийского университета в Беркли.

В Калифорнии Л. сначала продолжил начатые исследования в таких областях, как фотоэлектричество и измерение очень коротких промежутков времени. К числу его других достижений того времени относится и экспериментальная демонстрация принципа неопределенности Вернера Гейзенберга. Этот принцип предсказывает, что измерение энергии, например, фотона света (фотон представляет собой порцию, или частицу, электромагнитной энергии), становится тем неопределеннее, чем короче время измерения. Так как энергия фотона пропорциональна частоте света, неопределенность в энергии сводится к неопределенности в частоте. Линия в оптическом спектре в действительности представляет собой узкую (т.е. четкую, или хорошо определенную) полосу световых частот. Включая и очень быстро выключая свет во время измерения спектральной линии, Л. и его коллега показали, что линия расширяется. Источник света не претерпевал никаких изменений, хотя его частота становилась менее определенной, как и следовало из принципа неопределенности Гейзенберга.

Затем Л. обратился к ядерной физике, которая тогда быстро развивалась. В 1919 г. Эрнест Резерфорд расщепил атомное ядро, бомбардируя его альфа-частицами, испускаемыми радием. Резерфорд обнаружил, что среди осколков, возникающих после столкновений, встречаются атомы с меньшим атомным весом, чем исходный. Некоторые из таких осколков были изотопами известных элементов, т.е. обладали такими же химическими свойствами, таким же зарядом ядра, но имели другой вес.

У методов Резерфорда были серьезные недостатки: радий был редким элементом, альфа-частицы вылетали из источника по всем направлениям, число наблюдаемых столкновений было чрезвычайно мало, а вся процедура наблюдений трудоемка. Ядерная физика испытывала острую нужду в обильном источнике контролируемых частиц высокой энергии. Так как и бомбардирующие частицы, и ядра-мишени были положительно заряжены (электроны играли весьма незначительную роль при столкновениях), налетающие частицы должны были обладать достаточно большой энергией, чтобы преодолеть не только электрическое отталкивание, но и энергию связи, обеспечивающую целостность ядра. 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 Л., так как в них время от времени происходил пробой изоляции и возникал высоковольтный разряд, напоминающий по виду молнию. В 1929 г. Л. попалась на глаза статья на немецком языке инженера норвежского происхождения Рольфа Видерее, в которой рассматривалась схема ускорителя частиц, предложенная ранее шведским физиком Густавом А. Изингом. Хотя Л. недостаточно владел немецким языком, чтобы разобраться во всех тонкостях, основная идея была ему ясна из иллюстраций к статье: частицы можно ускорять, повышая напряжение постепенно, а не создавая один большой «горб». Л. понял, 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 Л.

Основная идея Л. 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 Л., проектируя свой циклотрон.

Сердце циклотрона – огромный круглый полый диск, разделенный по диаметру на две половины, напоминающие по форме латинскую букву D (такие половины называются дуантами). Диск помещен между плоскими полюсами большого магнита. Между дуантами подключен электрогенератор, создающий переменное напряжение в зазоре между ними. Когда заряженная частица, например протон, попадает в зазор, она притягивается к тому из дуантов, который в этот момент имеет отрицательное напряжение, и набирает скорость. Попав внутрь дуанта, частица описывает полуокружность и выходит из него в точке, диаметрально противоположной входу. Частота генератора настроена так, что к этому времени знак напряжения изменяется, и протон устремляется к другому дуанту, ставшему теперь отрицательным, притягивается им и ускоряется напряжением, приложенным к зазору. Во второй дуант протон попадает, имея большую скорость, и поэтому внутри него движется по дуге окружности большего радиуса, чем прежде.

К моменту выхода протона из дуанта напряжение опять меняет знак, протон снова ускоряется и, входя в первый дуант с большей скоростью, движется внутри него по дуге окружности еще большего радиуса. Так протон получает «подпитку» (его как бы «подталкивают») каждый раз, когда он проходит зазор между дуантами, и движется с все возрастающей скоростью по дугам окружностей все большего радиуса до тех пор, пока не достигнет периметра диска. Тогда протон вылетает из циклотрона, и его направляют на выбранную мишень. Диски большого диаметра позволяют разгонять частицы до больших скоростей, но требуют более крупных и, следовательно, более дорогих магнитов. Дуанты должны быть изготовлены из немагнитного материала, который не экранирует магнитное поле, а чтобы частицы не теряли энергию на столкновения с молекулами газа, в камере должен быть глубокий вакуум.

После первого, довольно несовершенного циклотрона, построенного в 1930 г., Л. и его коллеги из Беркли быстро создали одну за другой более крупные модели. Используя 80-тонный магнит, предоставленный ему Федеральной телеграфной компанией, Л. 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.

Высокие энергии, достигнутые Л. 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 Альберта Эйнштейна между массой и энергией.

Циклотрон позволил создать радиоактивные изотопы для медицинских целей. Над биомедицинским применением ядерной физики Л. 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.

Л. был удостоен Нобелевской премии по физике 1939 г. «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 Л. 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 Л. в 1941 г. на торжествах, состоявшихся в Беркли. Свою Нобелевскую лекцию он прочитал в Стокгольме в 1951 г.

В 1940 г. Л. принял участие в создании радиационной лаборатории при Массачусетском технологическом институте. По настоянию Л. многие его бывшие ученики стали ее сотрудниками. Цель лаборатории состояла в усовершенствовании радарной техники, созданной впервые в Англии во время второй мировой войны для электронного обнаружения самолетов противника. В 1941 г. Л. набрал штат лаборатории подводной акустики в Сан-Диего, занимавшейся разработкой противолодочных систем для борьбы с немецкими подводными лодками, подстерегавшими конвои с военными грузами, направляемыми из Соединенных Штатов в Великобританию. Затем Л., сохранив лишь неформальные связи с этими лабораториями, занялся в Беркли превращением 37-дюймового циклотрона в масс-спектрометр для разделения расщепляющегося урана-235 и обычного урана-238. В масс-спектрометре, как и в циклотроне, используется комбинация электрического и магнитного полей, но не для ускорения частиц, а для пространственного разделения их – направления по различным траекториям в зависимости от масс и электрических зарядов. Так как массы изотопов несколько отличаются, изотопы движутся по близким, хотя и несовпадающим траекториям, поэтому могут быть разделены, хотя способ их разделения не слишком эффективен.

Успех, достигнутый Л., оказался достаточно внушительным для того, чтобы вся работа по разделению изотопов была поручена его лаборатории. 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 г. на Хиросиму, был получен Л. 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 Л. и его сотрудники вернулись к фундаментальным исследованиям. Правда, Л. 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 Беркли Л. руководил строительством ускорителей, способных разгонять частицы до энергий в миллиарды электрон-вольт. На одном из таких ускорителей, получившем название бэватрона, Эмилио Сегре и другие исследователи свойств мезонов (элементарных частиц с массами, промежуточными между массами электрона и протона) открыли антипротон (двойник протона с отрицательным зарядом).

Л. был приглашен президентом Дуайтом Д. Эйзенхауэром как консультант правительства для изучения возможности определения нарушения соглашения о запрещении испытаний ядерного оружия, которое рассматривалось на Женевской конференции 1958 г. По возвращении домой Л. был оперирован по поводу обострения язвы и умер в больнице Пало-Альто (штат Калифорния) 27 августа 1958 г.

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

Помимо своих многочисленных работ в ядерной физике Л. изобрел оригинальную конструкцию телевизионной трубки – хроматрон Лоуренса, производившийся в промышленных масштабах в Японии и Соединенных Штатах. Подолгу задерживаясь на работе в будни и в выходные, Л. вместе с тем любил заниматься греблей, играть в теннис, кататься на коньках и слушать музыку. «Важными составными элементами его успеха, – считал Луис У. Альварес, – были природная смекалка и здравость научных суждений, огромный запас жизненных сил, преисполненная энтузиазма неординарная личность и доминирующее над всем ощущение целостности».

Среди многочисленных наград и почестей, которых был удостоен Л., медаль Эллиота Крессона Франклиновского института (1937), медаль Хьюза Лондонского королевского общества (1940) и медаль Холли Американского общества инженеров-механиков (1942). Он был почетным доктором университетов Южной Дакоты, Пенсильвании, Британской Колумбии, Южной Калифорнии и Глазго, а также Йеля, Гарварда, Рутдерса и Макгилла. Л. был избран членом Национальной академии наук США, Американского философского общества и Японского физического общества, а также состоял почетным членом многих других иностранных научных обществ.