Об одном эксперименте, раз и навсегда утвердившем квантовую теорию, о том, как в одном человеке умещались передовая физика и глубокая религиозность и о космическом наследии Артура Комптона рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Артур Холли Комптон

Родился 10 сентября 1892 года, Вустер, штат Огайо, США

Умер 15 марта 1962 года, Беркли, штат Калифорния, США

Нобелевская премия по физике 1927 года (1/2 премия, вторую половину получил Чарльз Вильсон). Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие эффекта, названного его именем (for his discovery of the effect named after him)»

Будущий лауреат Нобелевской премии родился в небольшом городке Вустер - на момент рождения Артура Комптона в нем не насчитывалось и шести тысяч жителей. Его родителями стал Элиас Комптон, пресвитерианский священник, профессор философии и декан Вустерского колледжа, и Отелия Кэтрин Комптон, в девичестве Огспугер.

Мальчику повезло: он рос в интеллигентной семье, где тяга к знаниям приветствовалась и поощрялась. Поэтому в юности он успел «побывать» и энтомологом, и астрономом, и палеонтологом. Окончив колледж, где работал отец и получив там степень бакалавра, Комптон отправился в Принстон. Уже в 1914 году Комптон – магистр, а в 1916 году – доктор с диссертацией о взаимодействии рентгеновских лучей с веществом. Тема взаимодействия высокоэнергетического излучения с веществом стала главной темой жизни Артура Холли Комптона. Потом последовало два года лекций в Миннесоте, а затем – инновационная физика в коммерческой компании: Комптон поступил на работу в «Вестингауз лэмп компани», где сначала разрабатывал средства связи для армии (США вступили в Первую мировую), а затем работал с натриевыми лампами, что не мешало ему продолжать изучать взаимодействие Х-лучей с веществом.

Впрочем, инновации его не сильно интересовали. В 1919 году он смог «выбить» стипендию от Национального исследовательского совета и уехал на год в одну из самых плодовитых в отношении нобелевских лауреатов лабораторию – Кавендишскую, в Кембридж. Резерфорд, Томсон – эти имена уже тогда были легендарными. Именно тогда Резерфорд проводил в лаборатории эксперименты по расщеплению атома – и, как говорил сам Комптон, эти эксперименты стали решающими в его жизни.

А еще решающим в его жизни стало не очень хорошее оснащение Кавендишской лаборатории (мощные установки ее работу позже привнесёт наш соотечественник Петр Леонидович Капица). Так что может быть, пришлось бы Комптону так и изучать рентген – но его не было. Зато был источник гамма-лучей. И вот тут получилось странное: рассеянное гамма-излучение поглощалось веществом легче, чем прямое. С точки зрения классической физики это было необъяснимо – и ни сам Комптон, ни Резерфорд объяснить это не смогли. В 1920 году Комптон вернулся в США и стал руководителем физического факультета Вашингтонского университета в Сент-Луисе (штат Миссури). Продолжая изучать рассеяние гамма- и рентгеновских лучей на веществе, он применил рентгеновский спектрометр Уильяма Брэгга, и снова обнаружил странное: оказалось, рассеянное излучение было двух сортов. В одном случае длина волны рассеянного излучения совпадала с исходным, в другом – была больше. Увеличение длины волны было пропорционально углу рассеяния. Опять при помощи классической физики это было не объяснить. Комптон предположил, что, несмотря на то, что тогда большая часть физиков считала, что рентгеновские лучи представляли собой исключительно электромагнитные волны, в данном случае они выступали как частицы. Действительно, если частица Х-лучей сталкивается с электроном, то она должна передать ему часть своей энергии, соответственно, ее энергия уменьшается, соответственно – увеличивается длина волны.

Так молодой физик смог сделать то, что другие только предполагали или чему получали косвенные подтверждения: свет – это еще и частицы. Комптон экспериментально подтвердил существование фотонов, подтвердив правоту догадки Эйнштейна 1905 года.

Публикация результатов в 1923 году произвела очень сильное впечатление на физиков. Так, Арнольд Зоммерфельд заявил, что статья Комптона в Physical Review, которая называлась «Квантовая теория рассеяния рентгеновских лучей на легких элементах» заставила волновую теорию сдаться. А историк науки Роджер Стьюер называл это событие «поворотным моментом в физике». Пожалуй, он прав: работа Комптона знаменовала окончательную победу квантовой теории, подтвержденную экспериментом.

Естественно, Нобелевская премия последовала достаточно скоро. Награду 1927 года Комптон разделил с Чарльзом Вильсоном, о котором мы писали в прошлом выпуске. Именно его камера позволила снять треки выбиваемых рентгеновскими фотонами электронов и воочию увидеть эффект Комптона. На вручении премии Кай Сигбан, представитель Шведской королевской академии наук, сказал: «Эффект Комптона ныне настолько важен, что в будущем ни одна атомная теория не может быть принята, если она не согласуется с ним и не следует законам, установленным его первооткрывателем».

В не очень длинной жизни Комптона (он умер от кровоизлияния в мозг в 69 лет) дальше было еще много важных и знаковых событий. Например, участие в Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы. Собственно говоря, именно он возглавлял комитет Национальной академии наук, который решил: атомной бомбе быть. Ну и именно Комптон руководил подразделением в Чикагском университете, где Энрико Ферми построил первый в мире атомный реактор.

С «ядерной» деятельностью Артура Комптона связан известный исторический анекдот. То, что у всех «секретных» физиков Манхэттенского проекта были псевдонимы – это понятно. Для того, чтобы удостовериться в этом, достаточно взглянуть на пропуск Комптона в Хэмфорд Сайт. На нем красуется фамилия Комас. Байка утверждает, что в целях пущей секретности у Комптона было два псевдонима для билетов – в зависимости от направления движения: Комас и Комсток. История сообщает нам, что как-то наш герой заснул в самолете еще до взлета, а на борту возникла какая-то неразбериха с билетами. Когда стюардесса растрясла уставшего ученого и спросила, как его фамилия, тот спросонья задал встречный вопрос: «Простите, а куда мы летим».

И это мы не говорим еще о ведущей роли Комптона в начале изучения космических лучей – а ведь и там он достиг невероятных успехов и славы: его даже поместили на обложку журнала Time с детектором космических лучей в руках.

Говоря о Комптоне, нельзя не сказать и о его религиозных и философских воззрениях. До конца жизни он оставался активным верующим и мыслителем.

О религии он высказывался весьма определенно: «Чтобы наука признала религию, необходимо рассмотреть гипотезу, согласно которой в природе действует разумное начало. Обсуждение доводов в пользу существования божественного разума ведется с того момента, как появилась философия.

Аргумент, основанный на идее разумного замысла, постоянно подвергается критике, однако так и не получил адекватного опровержения. Напротив, чем больше узнаем мы о нашем мире, тем меньше представляется вероятность того, что он возник случайным образом. Поэтому сегодня мало кто из ученых станет защищать атеизм». Если же говорить о Комптоне как о философе, то больше всего его интересовала свобода воли и то, как она связана с физикой. Он даже построил свою концепцию свободы воли, пытаясь встроить в нее принцип неопределенности Гейзенберга.

Еще раз фамилия нашего героя ярко «вспыхнула» в 1990-х годах, когда начала реализовываться одна из самых амбициозных программ в истории освоения космического пространства. Тогда начали запускать «Великие обсерватории NASA» - четыре больших космических телескопа для изучения Вселенной в разных диапазонах волн. Первым стал Hubble, который наблюдал мир в оптике. А вот дальше стала обсерватория CGRO. На околоземную орбиту 17-тонную махину доставила экспедиция космического челнока Atlantis 5 апреля 1991 года.

На тот момент это был самый тяжелый космический телескоп и вообще, самая тяжелая «штука», выведенная шаттлом на орбиту. Восемь лет спустя этот рекорд перейдет к рентгеновской обсерватории Chandra. Десять лет изучал телескоп гамма-всплески и другие источники жесткого излучения. В 2000 году вышел из строя один из гироскопов, стабилизировавших гигантскую обсерваторию на орбите. Именно поэтому полностью работоспособную уникальную обсерваторию стоимостью более полумиллиарда долларов пришлось аккуратно сводить с орбиты и топить в Тихом океане: в случае выхода второго гироскопа, аппарат мог упасть куда попало – и абсолютно неконтролируемо.

Тем не менее, четыре основных инструмента CGRO дали очень большой научный материал: удалось зарегистрировать более 3000 гамма-всплесков, понять, что они принципиально делятся на две категории – по природе происхождения (те, что короче двух секунд, вероятнее всего, происходят от слияния нейтронных звезд или черных дыр, а те, что длиннее – это вспышки сверхновых), построить карту неба в гамма-диапазоне и даже увидеть гамма-вспышки от земных гроз.