Физика

Нобелевские лауреаты: Роберт Хофштадтер

Элементарен ли протон?

Wikimedia Commons/Indicator.Ru

Как сын торговца сигар попал в ядерную физику и как от разработки зенитных снарядов он перешел к разрушению элементарности протона и нейтрона, рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Роберт Хофштадтер

Родился 5 февраля 1915 года, Нью-Йорк, США

Умер 17 ноября 1990 года, Стэнфорд, Калифорния, США

Нобелевская премия по физике 1961 года (1/2 премии, вторую половину получил Рудольф Людвиг Мессбауэр за эффект своего имени). Формулировка Нобелевского комитета: «За основополагающие исследования рассеяния электронов на атомных ядрах и за связанные с ними открытия, касающиеся структуры нуклонов (for his pioneering studies of electron scattering in atomic nuclei and for his thereby achieved discoveries concerning the structure of the nucleons)».

Наш герой родился на Манхеттэне в семье уроженца Царства Польского (которое тогда входило в состав Российской Империи), эмигрировавшего из Кракова Луиса Хофштадтера и его супруги, Генриетты Кенигсберг.

Отец сначала работал приказчиком, но к рождению своего третьего ребенка (всего детей в семье было четверо) стал уже владельцем магазина сигар. Видимо, деньги на обучение были, поэтому Боб окончил с отличием (бакалаврская степень magna cum laude) Сити Колледж в Нью-Йорке, а затем уже стипендии и премии (в том числе – от компании General Electric), полученные в 20 лет по получении степени, позволили ему продолжить учебу в Принстоне. Как стипендиата, Роберта сразу привлекли к нескольким проектам: экспериментальным работам на камере Вильсона, изучению инфракрасных спектров органических молекул и теоретическим исследованиям по разработке нового типа масс-спектрометра. Это исследование оставило ему мало времени для курсовой работы, и он чувствовал, что это мешает его изучению квантовой механики у Юджина Вигнера: все же он хотел стать физиком-теоретиком.

Эдвард Кондон

Wikimedia Commons

Правда, на втором курсе напряжение несколько спало: он стал ассистентом у Эдварда Улера Кондона, великого физика-ядерщика (забавный факт: в эпоху маккартизма Кондона преследовали за приверженность «революционной теории» – квантовой механике, прямо как в СССР квантовых химиков травили за «махизм»).

Кондон оказал огромное влияние на Боба и вскоре отправил его к Роберту Боулингу Барнсу заниматься инфракрасными спектрами. Однако чуть позже и Барнс, и Кондон покинули университет, и Хофштадтер остался без наставников. В 23 года он защитил PhD. В своей диссертационной работе он определял расстояние между атомами водорода и кислорода в обычных и дейтерированных формах муравьиной и уксусной кислот, что помогло прояснить природу водородной связи. Уникальный случай – на диссертационную работу Роберта сослался сам Лайнус Полинг в своем нобелевском труде «Природа химической связи».

В войну Хофштадтер работал в Национальном бюро стандартов и занимался разработкой фотоэлектрических взрывателей для снарядов зенитных пушек. А после войны сделал свой первый серьезный вклад в физику высоких энергий: он запатентовал сцинтилляционные детекторы гамма-излучения на основе «активированного» таллием йодида натрия.

А в 1950 году начался путь нашего героя к Нобелевской премии. Он перешел в Стэнфордский университет, где как раз построили ускоритель электронов, который разгонял их до энергий в 500 МэВ.

Стэнфордский ускоритель

Что из этого следовало? Джордж Паджет Томсон к тому времени уже давно получил свою Нобелевскую премию за экспериментальное подтверждение того, что электрон может вести себя как частица и рассеивается на кристаллах.

Однако чем больше энергия электрона, тем меньше его длина волны. И 500 МэВ было достаточно, чтобы получить длину волны меньше, чем размер атома. Стэнфордский ускоритель превращался в огромный электронный микроскоп, в который можно было посмотреть на атом.

Хофштадтер взялся за дело. Он соорудил экспериментальную установку, которая могла бы наблюдать рассеяние электронов на отдельных атомах. В ее изготовлении, кстати, была использована поворотная установка корабельного орудия. На ней размещались два магнитных спектрометра массой по 250 тонн. Они позволяли сортировать электроны по энергии и углу отклонения от первоначальной траектории.

Первые эксперименты помогли измерить величину и определить форму многих атомных ядер. Оказалось, что все они имеют примерно одну и ту же среднюю плотность. Объем ядра пропорционален полному числу протонов и нейтронов. Это означает, что в больших тяжелых ядрах эти частицы упакованы не более плотно, чем в малых легких. Плотность ядра, измеренная экспериментально, оказалась равной 150 млн кг/m3.

Экспериментальная установка

The electron-scattering method and its application to the structure of nuclei and nucleons. Nobel Lecture, December 11, 1961

Когда же ускоритель набрал энергию в 1 ГэВ, началась атака на протоны и нейтроны. Сложные и изящные эксперименты, определившие форму и размеры (строго говоря – так называемый формфактор) нейтрона и протона, показали, что эти частицы обладают какой-то внутренней структурой, а никак не элементарны. Кроме того, во всех процессах, связанных с сильным взаимодействием, не дающим распадаться атомному ядру, они ведут себя одинаково. Собственно говоря, так и появился термин «нуклон» (от nucleus – ядро), объединивший протон и нейтрон.

Разрушение элементарности протона и нейтрона, случившееся в 1956 и 1957 годах, достаточно быстро привело нашего героя к Нобелевской премии.

Внешний вид установки Хофштадтера

The electron-scattering method and its application to the structure of nuclei and nucleons. Nobel Lecture, December 11, 1961

Приветствуя лауреатов, представитель Шведской королевской академии обратился к Хофштадтеру: «Миф о неделимости атома, подразумеваемый в самом его названии (напомним, что само греческое слово ἄτομος означает «неделимый», – прим. Indicator.Ru), был разрушен в начале этого столетия, и открылся совершенно новый и захватывающий мир чрезвычайной важности. Вы смогли получить дополнительную важную информацию об интимной структуре этого интригующего мира, раскрыв распределение электрических зарядов и магнитных сил внутри атомного ядра и частиц, из которых оно состоит».

Сам же лауреат в ответном слове на банкете посетовал на то, что он плохой оратор, и попросил оценить трудности, которые он испытывает после сотен людей, уже выступавших в его роли. Но все же нашел в себе силы поговорить об ускорителях и их возможных пределах и о том, что новые рубежи не могут быть взяты без международного сотрудничества, а завершил речь очень важными словами: «Теперь мне кажется, что общее значение Нобелевских премий заключается в установлении высоких и достойных стандартов для всего мира. Год за годом мир обновляется и напоминает о высоких идеалах и высоких стандартах поведения. Я искренне надеюсь, что государственные деятели всех стран вдохновятся этими ежегодными мероприятиями».

…Интересно читать сейчас, в 2019 году, зная гораздо больше Хофштадтера образца 1961 года (напомним, совсем недавно расшифрована структура ДНК, человек только полетел в космос), то, как человек, открывший неэлементарность основных «кирпичиков», из которых состоит ядро атома, видел будущее физики элементарных частиц. В своей нобелевской лекции «Метод рассеяния электронов и его применение к изучению структуры ядер и нуклонов» (в оригинале, конечно, «nuclei and nucleons» звучит поэтичнее) Хофштадтер, еще не зная о том, что три года спустя Марри Гелл-Манн предложит кварковую теорию строения вещества (мы нынче в курсе, что и протон, и нейтрон состоят из трех кварков: протон из двух u- и одного d-кварка, а нейтрон – наоборот), сказал:

«В завершение сказанного уместно еще раз обратиться к ранее затронутой проблеме и поставить вопрос о глубоком и возможном философском значении понятия "элементарная" частица. Как мы видели, протон и нейтрон, которые считались элементарными частицами, представляются очень сложными образованиями. Почти с уверенностью можно сказать, что физики будут последовательно изучать составные части протона и нейтрона — мезоны одного или другого сорта. Что будет создано на основе этого? Можно только догадываться о будущих проблемах и достижениях, но мое личное убеждение состоит в том, что исследования более мелких и все более фундаментальных частиц будут продолжаться все время, пока человеку будет присуща любознательность, которой он всегда обладал».

Строение протона по современным представлениям

Wikimedia Commons

Хофштадтер был пророчески прав: в физике становилось и становится все интереснее.

Он прожил 75 лет, оставаясь скромным и тихим человеком, питавшим страсть к музыке (как к джазу, так и к классике), ходьбе на лыжах и фотографии, и не беда, что для современного научного гика чаще что-то говорит имя другого Хофштадтера, его сына Дугласа, ставшего большим специалистом по искусственному интеллекту, участника всех споров по технологической сингулярности и автора бестселлера, книги «Гедель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда», которая получила Пулитцеровскую премию в 1980 году – еще при жизни отца.

Дуглас Хофштадтер

Wikimedia Commons

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.