Физика

Нобелевские лауреаты: Ханс Бете

Как светит Солнце

Американский астрофизик и ядерный физик Ханс Бете

Los Alamos National Laboratory/Wikimedia Commons/NASA/ESA/Hubble Heritage/Indicator.Ru

Как получить сомнительный комплимент от Паули, как послушать свою еврейскую маму и поссориться с Бором, как узнать, откуда во Вселенной появились углерод, кислород и азот, рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Ханс Альбрехт Бете

Родился: 2 июля 1906 года, Страсбург, Эльзас-Лотарингия, Германская империя

Умер: 6 марта 2005 года, Итака, Нью-Йорк, США

Нобелевская премия по физике 1967 года (единолично). Формулировка Нобелевского комитета: «За вклад в теорию ядерных реакций, особенно за открытия, касающиеся источников энергии звезд (for his contributions to the theory of nuclear reactions, especially his discoveries concerning the energy production in stars)».

Один из самых знаменитых физиков XX века, проживший его почти целиком, родился на территории нынешней Франции, однако в 1906 году Страсбург, как и вся Эльзас-Лотарингия, принадлежал Германской империи.

Отец Бете, Альбрехт Теодор Юлиус Бете, был достаточно известным физиологом, приват-доцентом Страсбурского университета. Мать, Анна Кюн, тоже из университетской среды, хоть и была по вероисповеданию протестанткой, но по национальности (и по характеру) была еврейкой.

12-летний Бете с родителями

Wikimedia Commons

Родители Бете переезжали от университета к университету, отец менял кафедры, а Ханс менял первых учителей, как правило частных. Все устаканилось к 1915 году, когда Альбрехт Бете стал профессором и главой Института физиологии Университета Франкфурта-на-Майне, где мальчик поступил в Гимназию имени Гете. Правда, через год все могло закончиться и печально: Бете-младший подцепил туберкулез. Но поездка на курорт и лечение сделали свое дело, и в итоге Бете выздоровел и окончил гимназию к 1924 году, поступив в отцовский университет на химфак.

Дальше ему пришлось кое-что понять. Пролитая на себя серная кислота рассказала ему, что экспериментальная наука — не совсем для него. А курс общей физики Вальтера Герлаха (про опыт Штерна — Герлаха мы писали в истории об Отто Штерне, нобелиате-физике 1943 года) показал, что теоретическая физика ему нравится, но уровень Франкфурта тоже не совсем для него. Новый преподаватель, сменивший Герлаха (Карл Мейснер), посоветовал ехать в Мюнхен, к Арно Зоммерфельду.

Великий физик оказался в восторге от нового студента, сразу распознав в нем мощь теоретика. Он даже рекомендовал очень сложную диссертацию Бете Вольфгангу Паули — но тот сказал: «После рассказов Зоммерфельда о тебе я ожидал от тебя больше, чем твоя диссертация». Хотя говорят, что в устах Паули это был комплимент.

Увы, научная карьера восходящей звезды теоретической физики мирового масштаба не сложилась в Германии. По той же причине, что и карьеры многих других. Наличие еврейской мамы не оставляло шансов на работу при Гитлере. Пришлось перебираться в другие страны.

В 1933 году он уехал в Великобританию, в 1935 — в США. Перед отъездом (на долгие 70 лет), в жизни Бете случилось нечто странное: он приехал в Данию в гости в институт к Нильсу Бору и там сделал предложение Хильде Леви, коллеге, так же уехавшей из Германии по причине еврейского происхождения. Хильда согласилась, но… Брак запретила мама, которая была протестанткой, сказав: на этой еврейке — нет. А как известно по одесскому анекдоту, с еврейской мамой, в отличие от арабского террориста, договориться нельзя. В результате Ханс Бете отозвал свое предложение за пару дней до свадьбы, чем привел в шок Нильса Бора, отношения с которым прервались на много лет. Так или иначе, в 1935 году Бете начал работать в Корнеллском университете, где пробыл на разных должностях семь десятков лет.

Хильда Леви

Wikimedia Commons

Бете быстро стал знаменит в США. Он сам забавно оценивал собственный уровень. Маме он писал: «Я, наверное, ведущий физик-теоретик в Америке. Это не значит лучший. Вигнер определенно лучше меня, да и Оппенгеймер и Теллер, вероятно, почти так же хороши, как и он. Но я делаю больше и говорю больше. Это тоже считается».

Знаменитый ученик Бете Фримен Дайсон говорил: «Бете — лучший физик XX века, умевший решать проблемы». И это лучше всего показывает то, как сравнительно молодой Ханс Бете пришел к своей Нобелевской премии.

17 марта 1938 года Бете принял участие в четвертой ежегодной Вашингтонской конференции по теоретической физике. В ней было всего 34 участника, зато каких! Субрахманьян Чандрасекар, Георгий Гамов, Джон фон Нейман, Эдвард Теллер… Бете не собирался участвовать: тема генерации энергии в звездах не была ему близка. Однако Теллер уговорил Бете съездить за компанию.

Бенгт Стремгрен

Wikimedia Commons

На конференции датский физик и астроном Бенгт Стремгрен изложил, что было известно о физических свойствах Солнца, и предложил присутствующим объяснить эти данные. В принципе, годом раньше в своей статье Карл Вайцзеккер уже попытался предложить идею протон-протонных реакций, но они не совсем соответствовали тому, что наблюдалось, и не давали понять, как появляются элементы тяжелее гелия.

Бете засел на полгода за теоретические изыскания, в которых практически полностью описал то, что происходит в таких звездах, как Солнце — и тяжелее его. В том же году он отправил в журнал Physical Review статью, в которой описал звездный нуклеосинтез и производство энергии в звездах.

Протон-протонный цикл. Цепочка I

Wikimedia Commons

Во-первых, он доработал протон-протонный цикл, показав, что при преодолении кулоновского барьера два протона могут слиться, причем один из них превратится в нейтрон, образуется ядро дейтерия, нейтрино и позитрон. Дальнейшая цепочка реакций приводит к образованию атома гелия-4.

Протон-протонный цикл. Цепочка II

Wikimedia Commons

Сейчас мы знаем, что такое «горение» водорода с образованием гелия составляет 99% энерговыделения нашего Солнца. Более того, Бете сумел показать три основные — разные — цепочки протон-протонного цикла. В цепочках II и III временно cинтезируются и расходуются бериллий, литий и бор (в результате в основном эти элементы синтезируются в космических лучах).

Протон-протонный цикл. Цепочка III

Wikimedia Commons

Однако он смог (одновременно с Вайцзеккером) показать, что происходит в более тяжелых звездах. Речь идет о так называемом CNO-цикле, в котором на самом деле происходит «сборка» атома гелия из атомов водорода. Но помогают в этом атомы азота, углерода и водорода.

Первым этапом в СNO-цикле становится CN-цикл, или цикл Бете.

«Собравшись» из трех атомов гелия, атом углерода 12С начинает последовательно присоединять к себе протоны:

12C + p → 13N + γ +1,94 МэВ 13N → 13C + e + + νe +2,22 МэВ 13C + p → 14N + γ +7,55 МэВ 14N + p → 15O + γ +7,30 МэВ 15O → 15N + e+ + νe +2,75 МэВ 15N + p → 12C + 4He +4,96 МэВ.

Иногда процесс идет дальше, с образованием 16О, — и начинаются NO-циклы.

CNO-цикл

Wikimedia Commons

Собственно говоря, несмотря на то что главная суть CNО-процесса — это синтез гелия, привычный нам азот синтезируется именно в нем, после гибели звезд попадая в межзвездное пространство и участвуя в формировании новых звезд и планет.

Именно так Бете «заработал» большую часть своей Нобелевской премии. Потом было многое (в формулировку премии можно включить и расчет им критической массы для атомной бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки, и расчеты для создания водородной бомбы)… Было привлечение его Георгием Гамовым к знаменитой статье «Альфер — Бете — Гамов», которая описывала нуклеосинтез в Большом взрыве — просто так, по приколу, для красоты… Было объяснение лэмбовского сдвига, создание начала теории перенормировок, использование которой потом принесло Швингеру и Томонаге Нобелевскую премию.

Дождался Бете и своей Нобелевки, почти через тридцать лет после своей работы. И было еще без малого сорок лет жизни, в которую входила научная работа до преклонного возраста, страстное собирание марок, лыжи, альпинизм — и много-много солнечных дней, согретых энергией, которую он описал.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.