Ханс Бете

Биография

Немецко-американский физик Ханс Альбрехт Бете родился в Страсбурге, Эльзас-Лотарингия (тогда входила в Германию), и был единственным ребенком у Альбрехта Теодора Юлиуса Бете, видною физиолога и профессора медицины, и Анны (в девичестве Кюн) Бете из семьи профессора. С 1915 по 1924 г. Б. учился в гимназии Гете во Франкфурте-на-Майне, после чего два года был студентом Франкфуртского университета. Проучившись еще два с половиной года в аспирантуре Мюнхенского университета под руководством Арнольда Зоммерфельда, внесшего большой вклад в современную физику, он получил докторскую степень по теоретической физике в 1928 г.

Еще аспирантом Б. проявил интерес к квантовой механике, ее математической теории, описывающей взаимодействие между материей и излучением. Сформулированная в середине 20-х гг. Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и П.А.М. Дираком, она явилась результатом более ранних исследований в области квантовой теории: Макс Планк обнаружил, что излучение не является непрерывным, а состоит из дискретных порций энергии, впоследствии названных квантами; Альберт Эйнштейн показал, что фотоны, кванты света (электромагнитного излучения), при фотоэлектрическом эффекте действуют подобно частицам; Нильс Бор применил квантовую теорию к описанию атомных энергетических уровней, отвечающих за характеристические спектры испускаемого излучения; наконец, Луи де Бройль выдвинул смелое предположение, что если излучение (свет) может вести себя подобно частице, то и частица может вести себя подобно волне. Идея де Бройля была экспериментально подтверждена Клинтоном Дж. Дэвиссоном, который обнаружил волновое поведение электронов. В 1927 г. Б. написал научную статью, посвященную дифракции электронов на кристаллах, в которой для объяснения наблюдений Дэвиссона использовал квантовую механику, еще не понятую в то время большинством физиков. Б. был одним из первых ученых, убедительно продемонстрировавших применение новой теории.

Получив докторскую степень, Б. работал в 1928...1929 гг. преподавателем физики в университетах Франкфурта и Штутгарта. Он был назначен лектором Мюнхенского университета в 1929 г., однако большую часть времени в течение следующих трех лет провел в Кембридже (Англия), где встречался с Эрнестом Резерфордом, и в Риме, где работал с Энрико Ферми. Он также наладил контакт с Нильсом Бором. В течение этою времени Б. разработал применение математического метода, известного как теория групп, для выяснения квантово-механического поведения кристаллов. Сделав значительный вклад в теорию строения атома, Б. в начале 30-х гг. начал теоретическое изучение процесса быстрой потери энергии частицами, проходящими сквозь вещество; к этому вопросу он периодически возвращался в течение всей своей научной деятельности.

Назначенный ассистент-профессором в Тюбингенском университете в 1932 г., Б., мать которого была еврейкой, потерял этот пост' в следующем году, после издания Гитлером, ставшим канцлером Германии, антисемитского указа. Б. покинул Германию в 1933 г., год читал лекции в Манчестерском университете в Англии, а затем в 1934...1935 гг. стал членом ученого совета Бристольского университета. В 1935 г. он стал ассистент-профессором в Корнеллском университете в Итаке (штат Нью-Йорк), а затем и полным профессором в 1937 г.

Здесь Б. вернулся к изучению ядерной физики. В 1936 г. в содружестве с американскими физиками Робертом Ф. Бэчером и М.С. Ливингстоном Б. написал несколько обстоятельных работ, где суммировались известные к тому времени результаты в этой, тогда еще находившейся в младенческом состоянии, области. Три выпуска журнала с этими статьями тут же стали классикой и свыше 20 лет широко использовались в качестве основного учебного пособия по ядерной физике.

В 1938 г. на конференции по теоретической физике в Вашингтоне (округ Колумбия) внимание Б. привлек один нерешенный вопрос о природе получения энергии Солнцем и другими звездами. Астрономы накопили немало информации о крайне высоких температурах и других звездных характеристиках и пришли к выводу, что источник энергии должен иметь термоядерную природу. Однако они не могли определить реакции, которые дали бы количественные характеристики, согласующиеся с наблюдаемым излучением, размером, возрастом и другими свойствами звезд. Быстро освоившись с астрономическими данными и применив свои энциклопедические познания в области ядерной физики, Б. решил эту задачу за шесть недель.

Впервые немецким астрономом Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером был предложен для объяснения данного вопроса синтез двух протонов (ядер водорода, в большом количестве находящихся внутри Солнца), при котором образуется дейтерий (называемый также тяжелым водородом, ядро которого содержит протон и нейтрон) и выделяется энергия в виде позитрона (положительного электрона) и нейтрино (незаряженной частицы). Протоны положительно заряжены, а число протонов в ядре определяет элемент (ядро водорода содержит один протон, но может содержать и нейтроны, чья масса примерно равна массе протона, но они не несут заряда). При синтезе двух протонов испускается положительная частица (позитрон), в результате чего один из протонов превращается в нейтрон. Б. рассмотрел такие солнечные характеристики, как температура, плотность, состав, а также ожидаемые скорости реакции, и подсчитал, что реакция синтеза идет как раз при такой скорости, которая обеспечивает наблюдаемое выделение энергии Солнцем. Однако его выкладки показывали, что для звезд более массивных, чем Солнце, в реакции должны участвовать более тяжелые ядра.

Для массивных звезд Б. предложил шестиступенчатый углеродно-азотный цикл. На первом шаге углерод с атомным весом 12 (наиболее распространенная и устойчивая форма углерода с 6 протонами и 6 нейтронами в ядре) захватывает протон, превращаясь в азот-13 (7 протонов, 6 нейтронов) и испуская энергию в виде гамма-лучей. Нестабильный азот-13 распадается, испуская позитрон (который превращает протон в нейтрон) и нейтрино и превращаясь при этом в углерод-13 (6 протонов, 7 нейтронов). Углерод-13 далее захватывает один из всегда имеющихся протонов и превращается в азот-14 (7 протонов, 7 нейтронов), снова испуская гамма-лучи. Азот-14 в свою очередь захватывает протон и становится кислородом-15 (8 протонов, 7 нейтронов), опять испуская гамма-лучи. Нестабильный кислород-15 испускает позитрон (заменяя протон нейтроном) и нейтрино, превращаясь в азот-15 (7 протонов, 8 нейтронов). На последнем шаге азот-15 захватывает протон, но в результате получается не более тяжелое ядро, содержащее 8 протонов и 8 нейтронов, что дало бы кислород-16. Вместо этого образуется два ядра: углерод-12 и гелий-4 (2 протона, 2 нейтрона). Углерод-12 может теперь повторить цикл, а гелий-4 пополняет звездный запас этого газа. На каждом шаге цикла высвобождается энергия в виде различного рода излучений, которые и придают звезде ее яркость. Расчеты Б. позволили глубже понять поведение и эволюцию звезд.

В конце 30- гг. Б. продолжал свои теоретические исследования атомных ядер. Среди его многочисленных достижений было первое математическое обоснование того, что вновь открытый мезон мог быть связанным с силой, удерживающей ядра от распада. Он также исследовал очень сложные ударные волны, образующиеся при взрыве, что оказалось полезным для его дальнейшей работы над Манхэттенским проектом при создании атомной бомбы.

В 1941 г., незадолго до того, как США вступили во вторую мировую войну, Б. стал американским гражданином. В течение недолгого времени он работал над микроволнами и их приложениями к радиолокации в радиационной лаборатории Массачусетского технологического института, а затем в 1943 г. присоединился к Манхэттенскому проекту в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико). Там, будучи директором отдела теоретической физики, он отвечал за расчеты возможного поведения атомной бомбы. Его глубокие знания в области ядерной физики, ударных волн и электромагнитной теории сыграли существенную роль в успехе программы.

Вернувшись в Корнеллский университет в 1946 г., Б. продолжил исследования во многих интересовавших его областях – например, сделал важный вклад в современную квантовую электродинамику. Он также немало сделал – вместе с другими учеными – для уяснения общественным мнением той опасности, которую несет человечеству ядерное оружие. Он всегда был сторонником контроля над вооружениями, поддерживая в то же время идею использования ядерной энергии в мирных целях. С 1956 по 1959 г. Б. служил в Президентском научно-консультативном комитете.

В 1967 г. Б. был награжден Нобелевской премией по физике «за вклад в теорию ядерных реакций, особенно за открытия, касающиеся источников энергии звезд». При презентации лауреата Оскар Клейн, член Шведской королевской академии наук, отметил широту знаний Б. и сказал, что некоторые из его открытий в области физики, каждое в отдельности, заслуживали самостоятельной Нобелевской премии. Работа Б. над источниками энергии звезд, сказал Клейн, «представляет собой одно из наиболее важных приложений фундаментальной физики в наше время и ведет к углублению наших знаний о Вселенной».

В дальнейшем Б. изучал распределение материи в нейтронных звездах, а также коллапс гигантских звезд. Его исследования по высокоскоростному входу в земную атмосферу помогли при разработке как военных, так и гражданских космических аппаратов. Вспоминая о своей работе в Лос-Аламосе как об «ужасно захватывающей», он выступал против поддерживавшейся правительством программы развертывания антиракетного щита, рассматривая ее как практически неосуществимую.

В 1939 г. Б. женился на Розе Эвальд, дочери известного немецкого физика, также покинувшего нацистскую Германию. У них двое детей. Скромный и внимательный к другим, Б. некогда увлекался лыжами и горными восхождениями, а позже, как говорят, стал интересоваться экономикой. Его коллеги весьма уважают его за светлый ум и тщательно разрабатываемые научные методы.

Кроме Нобелевской премии, Б. получил правительственную награду США – медаль «За заслуги» (1946), медаль Генри Дрейпера американской Национальной академии наук (1947), медаль Макса Планка Германского физического общества (1955), медаль Энрико Ферми Комиссии по атомной энергии США (1961), медаль Эддингтона Лондонского королевского астрономического общества (1963) и премию Вэнневара Буша американской Национальной академии наук (1985). Он является членом Американского философского общества, американской Национальной академии наук, Американского физического общества и Американского астрономического общества, а также иностранным членом Лондонского королевского общества. Он получил почетные ученые степени от университетов Бирмингема и Манчестера.