Нобелови лауреати – 1954 година

Валтер Боте (Walther Bothe)

8 юни 1891 г. – 8 февруари 1957 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Макс Борн)

(За метода на съвпаденията и направените във връзка с него открития.)

Германският физик Валтер Вилхелм Боте е роден в Ораниенбург. Баща му, Фридрих Боте, е търговец. През 1908 г. Боте постъпва в Берлинския университет, където учи физика, математика и химия. През 1914 г., работейки под ръководството на Макс Планк, получава докторска степен за теоретичното си изследване на взаимодействието на светлината с молекулите.

По време на Първата световна война Боте служи в германската армия. През 1917 г. е пленен от руснаците и изпратен в Сибир, където учи руски език и успява да продължи заниманията си по теоретична физика. Като се връща в Германия през 1920 г., Боте започва да работи под ръководството на Ханс Гайгер (изобретателя на Гайгеровия брояч) в радиационната лаборатория на Държавния физико-техничен институт, където се озовава за кратко време още през 1913 г. (По-късно той ще каже, че именно Гайгер е насочил усилията му в областта на физиката.) Едновременно с това Боте преподава физика в Берлинския университет.

В началото на 20-те години Боте провежда експериментални и теоретични изследвания за отклоненията на алфа- и бета-частиците във веществата. Голяма част от работата в тази област засяга единичните взаимодействия на частиците с отделните атоми. Но Боте изучава много по-труден случай, при който бърза частица, преминаваща през веществото, взаимодейства с голям брой атоми, като всеки акт на взаимодействие води до отклоняване на частицата. Тъй като при преминаването през тялото силно еднократно взаимодействие е малко вероятно, пълното отклонение на частицата се определя в основни линии от големия брой малки отклонения. За разрешаването на тази задача Боте разработва специален статистически подход.

През първите две десетилетия на ХХ в. Макс Планк, Алберт Айнщайн, Нилс Бор и други създават квантовата теория, основа за изучаване на атомните и субатомните системи. Тази теория, основаваща се на идеята, че енергията са предава на дискретни порции, наречени кванти, разрешава няколко дилеми на класическата физика, макар че в замяна носи свои собствени проблеми. От квантовата теория очевидно следва, че светлината, и въобще електромагнитното поле, има характеристики както на вълна, така и на частица – дуализъм, който много физици възприемат трудно. Експериментите, проведени в началото на 20-те, потвърждават идеята, че обектите, които дълго време са били смятани за вълни (като светлината), могат да се държат като частици, докато тези, които са били смятани за частици (като електрона), могат да се държат като вълни. Едно от най-впечатляващото потвърждение за това е направеното през 1923 г. от Артър Х. Комптън откритие (днес известно като ефект на Комптън), че рентгеновите лъчи, които преди са смятани за вълни, се разсейват от електроните във веществото така, както се разсейват частиците.

През 1924 г. Нилс Бор, Хендрик Крамърс и Джон Слейтър се опитват да разрешат проблема вълни-частици, като предлагат нова формулировка на квантовата теория, в която се отхвърлят някои основополагащи принципа на класическата физика. Според известния закон за запазването енергията и импулсът се запазват, иначе казано – при всяко взаимодействие пълната енергия и импулсът на системата на телата преди взаимодействието са равни на пълната енергия и импулса след взаимодействието. Бор, Крамърс и Слейтър предполагат, че на атомно равнище при индивидуални взаимодействия на частиците не би трябвало да се запазва нито енергията, нито импулсът, те се запазват само в сумата на много индивидуални взаимодействия. Но съществуващите тогава методи за изследване на елементарните частици не подхождат за проверка на статистическата интерпретация на законите за запазването, предложена от Бор и неговите колеги. Като прочита тяхната статия, Боте решава да разработи методика, която би позволила да се потвърди тяхното предположение.

Експериментът на Комптън през 1923 г. доказва, че когато се разсейват при сблъсък с електрони, квантите на рентгеновите лъчи губят част от своята енергия и от импулса си. Комптън предсказва, а Ч. Т. Р. Уилсън потвърждава, че въвлечените в подобен сблъсък електрони се избиват от атомите. Боте разбира, че ако класическите закони за запазването действат на атомно равнище, при сблъсъка трябва да се получи както разсеян квант, така и отскочил електрон: енергията и импулсът, загубени от кванта, трябва да се придадат на електрона. От друга страна, ако е вярна предложената статистическа интерпретация за запазването, при всеки осъществен сблъсък трябва да има само случайно съотношение между разсейването на кванта и избиването на електрона от атома. Затова Боте решава да използва за проверка на хипотезата на Бор ефекта на Комптън.

Оригиналният Гайгеров брояч, изобретен през 1913 г., е способен да регистрира само тежки заредени частици; но до 1924 г. Гайгер създава модифициран брояч, който може да регистрира електрони. Като работи заедно с Гайгер, Боге измисля специален метод за използване на брояча, наречен по-късно „метод на съвпаденията“. Два брояча, пълни с водород, се свързват по такъв начин, че когато към тях се насочи рентгенови лъчи, сблъсъкът между квантите на лъчите и електроните на водородните атоми става в първия брояч. Избитите електрони се регистрират от този брояч, докато разсейването на квантите става във втория, където те избиват много по-малко на брой електрони, регистрирани от втория брояч, като по този начин се демонстрира наличието на разсеяни кванти. Появяващите се при регистрирането на частиците електрически импулси на броячите се фиксират автоматично, позволявайки на изследователя да реши дали съвпадат по време.

Боте и Гайгер откриват, че едновременната регистрация на разсеян квант и избит електрон става твърде често, за да може да се смята за случайност, а статистическите им оценки показват, че двете частици възникват винаги при всеки сблъсък. От това те правят извод, че статистическата хипотеза на Бор не е вярна. Тяхното изследване доказва, че класическите закони за запазването важат и за отделните актове на взаимодействие на субатомно равнище. Техният извод, с който се съгласяват Бор и другите физици, повлиява за развитието през 20-те години на квантовата механика и на комплексната математическа трактовка на квантовата теория.

Методът на съвпаденията на Боте, за който получава Нобелова награда по физика, се превръща във важен инструмент на съвременните системи за регистриране и измерване на частиците, макар че днес физиците използват значително по-съвършени броячи, регистриращи само съвпадащите събития. Например при наблюдаването на частици, освобождаващи се в резултат от ядрени реакции, изследователите могат да регулират така своите прибори, че да регистрират само данни, удовлетворяващи редица посочени критерии. След това те правят статистически анализ на получените данни, за да разберат дали става дума за случайни съвпадения или за реакциите, които търсят.

От 1926 г. Боте изучава превръщането на елементите, което настъпва при бомбардирането на ядрата им с алфа-частици, и през 1930 г. открива със своите колеги ново, притежаващо висока проникваща способност излъчване, възникващо при бомбардировката с алфа-частици на берилий. Това довежда до откриването през 1932 г. на неутрона от Джеймс Чадуик. През 1929 г. Боте заедно с Вернер Колхьорстер използва метода на съвпаденията за откриването на космически лъчи. При тези изследвания се установява, че космическите лъчи са частици с висока енергия, а не гама-излъчване, както обикновено се смятало.

През 1930 г. Боте става директор на Физическия институт към Хесенския университет. Две години по-късно е назначен за директор на Физическия институт към Хайделбергския университет, а през 1934 г. заема поста директор на Физическия институт към Института за изследвания „Макс Планк“ в Хайделберг. В института „Макс Планк“ той контролила строителството на ускорител на частици, предназначен за ядрени изследвания. Строителството му е завършено през 1943 г.

По време на Втората световна война Боте е един от участниците в проекта за ядрена енергия, ръководен от Вернер Хайзенберг. Той проучва свойствата на ядрата на урана и разработва теорията за дифузията на неутроните, описваща разсейването на неутроните, тяхното поглъщане и появяване в системите, съдържащи делящи се елементи, като урана. След войната Боте се връща към проблема за разсейването на електроните и към физиката на космическите лъчи; той допринася също така за теоретичното осмисляне на бета-разпадането и на гама-излъчването на ядрата.

Въпреки че боледума, Боте продължава да ръководи института в Хаделберг. Болестта му причинява много страдания и му пречи да се наслади напълно на споходилата го слава.

Боте се жени през 1920 г. за московчанката Варвара Беловая, семейството има две деца. Известен със своята работоспособност, Боте е строг в лабораторията, но сърдечен и гостоприемен у дома. Той е надарен художник и страстен пианист, който особено обича да свири Бах и Бетовен. Умира в Хаделберг.

Освен с Нобелова награда Боте е удостоен с медала Макс Планк на Германското физическо дружество и с Големия кръст на ордена „За федерална служба“ на правителството на Федеративна република Германия. През 1952 г. става кавалер на правителствения орден „За заслуги в науката и изкуството“ . Член е на академиите на науките в Хайделберг и Гьотинген, а също така на Саксонската академия на науките в Лайпциг.

Превод от руски: Павел Б. Николов