НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ – 1967 ГОДИНА – ФИЗИКА – ХАНС АЛБРЕХТ БЕТЕ

Ханс Албрехт Бете (Hans Albrecht Bethe)

2 юли 1906 г. – 6 март 2005 г.

Нобелова награда за физика

(За приноса му в теорията на ядрените реакции, особено за откритията, засягащи източниците на енергия в звездите.)

Немско-американският физик Ханс Албрехт Бете е роден в Страсбург, Елзас-Лотарингия (тогава в състава на Германия) и е единственото дете на Албрехт Теодор Юлиус Бете, виден физиолог и професор по медицина, и Ана (Кюн) Бете с произход от професорско семейство. От 1915 до 1924 г. Бете учи в гимназията „Гьоте“ във Франкфурт на Майн, след което следва две години във Франкфуртския университет. Като кара още две години и половина аспирантура в Мюнхенския университет под ръководството на Арнолд Зомерфелд, допринесъл много за съвременната физика, Бете получава през 1928 г. докторска степен по теоретична физика.

Още като аспирант Бете проявява интерес към квантовата механика, към нейната математическа теория, описваща взаимоотношенията между материята и излъчването. Формулирана в средата на 20-те години от Вернер Хайзенберг, Ервин Шрьодингер и Пол Дирак, тя е резултат от по-ранни изследвания в областта на квантовата теория: Макс Планк открива, че излъчването не е непрекъснато, а се състои от дискретни порции енергия, наречени по-късно кванти; Алберт Айнщайн доказва, че фотоните, квантите светлина (електромагнитно излъчване), действат по време на фотоелектричния ефект подобно на частици; Нилс Борн прилага квантовата теория към описанието на атомните енергетични равнища, отговарящи за характерните спектри на излъчването; накрая Луи дьо Бройл изказва смелото предположение, че ако излъчването (светлината) може да има поведение на частица, и частицата може да има поведение на вълна. Идеята на Дьо Бройл е потвърдена експериментално от Клинтън Дж. Дейвисън, който открива вълновото поведение на електроните. През 1927 г. Бете пише научна статия, посветена на дифракцията на електроните в кристалите, в която обяснява наблюденията на Дейвисън с квантовата механика, още неприета по това време от повечето физици. Бете е един от първите учени, демонстрирали убедително прилагането на новата теория.

След получаването на докторска степен Бете работи през 1928-1929 г. като преподавател по физика в университета във Франкфурт и в Щутгарт. Назначен е за лектор в Мюнхенския университет през 1929 г., но по-голямата част от следващите три години прекарва в Кеймбридж (Англия), където се среща с Ърнест Ръдърфорд, и в Рим, където работи с Енрико Ферми. Осъществява връзка и с Нилс Бор. През цялото това време Бете разработва прилагането на математическия метод, известен като теория на групите, за изясняване на квантово-механичното поведение на кристалите. Като допринася много за теорията за строежа на атома, в началото на 30-те години Бете започва теоретично проучване на процеса, при който се губи бързо енергията на частиците, преминаващи през веществата; към този въпрос той се връща периодично в продължение на цялата си научна дейност.

Назначен за асистент-професор в Тюбингенския университет пред 1932 г., Бете, чиято майка е еврейка, губи този пост през следващата година, след издадения от Хитлер, който става канцлер на Германия, антисемитски указ. Бете напуска Германия през 1933 г., чете една година лекции в Манчестърския университет в Англия, а след това през 1934-1935 г. става член на научния съвет на Бристълския университет. През 1935 г. става асистент-професор в университета „Корнел“ в Итака (щат Ню Йорк), а после и професор през 1937 г.

Там Бете се връща към проучването на ядрената физика. През 1936 г. в сътрудничество с американските физици Робърт Ф. Бейкър и М. С. Ливингстън той пише няколко обстоятелствени изследвания, в които се сумират известните по това време резултати в тази,тогава намираща се в младостта си, научна област. Трите броя на списанието със статиите веднага се превръщат в класика и над двадесет години се използват широко като основно учебно помагало по ядрена физика.

През 1938 г. на конференция по теоретична физика във Вашингтон (окръг Колумбия) вниманието на Бете е привлечено от един нерешен въпрос за природата на излъчваната енергия от Слънцето и другите звезди. Астрономите са натрупали не малко информация за крайно високите температури и други звездни характеристики и стигат до извода, че източникът на енергия би трябвало да има термоядрена природа. Но те не могат да определят реакциите, които биха дали количествените характеристики, съгласуващи се с наблюдаваното излъчване, размера, възрастта и други свойства на звездите. Като се ориентира бързо в астрономичните данни и използва своите енциклопедични познания в областта на ядрената физика, Бете решава задачата за шест седмици.

За първи път немският астроном Карл Фридрик фон Вайцзекер предлага за обяснение на въпроса синтеза на два протона (водородни ядра, намиращи се в голяма количество в Слънцето), при което се образува диутерий (наречен също така тежък водород, чието ядро има протон и неутрон) и се отделя енергия във вид на позитрон (положителен електрон) и неутрино (незаредена частица). Протоните са положително заредени, а броят на протоните в ядрото определя елемента (ядрото на водорода има един протон, но може да съдържа и неутрони, чиято маса е равна на масата на протона, но те нямат заряд). При синтеза на два протона се излъчва положителна частица (позитрон), в резултат от което единият от протоните се превръща в неутрон. Бете разглежда слънчевите характеристики температура, плътност, състав, както и очакваните скорости на реакциите, и изчислява, че реакцията на синтез настъпва именно при такава скорост, която осигурява наблюдаваното отделяне на енергия от Слънцето. Но неговите изчисления доказват, че при звезди, които са по-масивни от Слънцето, в реакциите трябва да участват по-тежки ядра.

За масивните звезди Бете предлага шестстепенен въглеродно-азотен цикъл. Най-напред въглерод с атомно тегло 12 (най-разпространената и устойчива форма на въглерода с шест протона и шест неутрона в ядрото) поглъща протон, превръщайки се в азот-13 (седем протона, шест неутрона) и излъчвайки енергия във вид на гама-лъчи. Нестабилният азот-13 се разпада, излъчвайки позитрон (който превръща протон в неутрон) и неутрино и се превръща във въглерод-13 (шест протона, седем неутрона). Въглерод-13 по-нататък поглъща един от винаги наличните протони и се превръща в азот-14 (седем протона, седем неутрона), излъчвайки отново гама-лъчи. Азот-14 на свой ред поглъща отново протон и става кислород-15 (осем протона, седем неутрона) и отново се излъчват гама-лъчи. Нестабилният кислород-15 излъчва позитрон (заменяйки протон с неутрон) и неутрино, превръщайки се в азот-15 (седем протона, осем неутрона). При последната стъпка азот-15 поглъща протон, но в резултат на това не се получава по-тежко ядро, съдържащо осем протона и осем неутрона, което би довело до кислород-16. Вместо това се образуват две ядра: въглерод-12 и хелий-4 (два протона, два неутрона). Така въглерод-12 може да повтори цикъла, а хелий-4 попълва звездния хелиев запас. На всяка стъпка от цикъла се освобождава енергия във вид на различни видове излъчвания, които придават на звездата нейната яркост. Изчисленията на Бете позволяват да се разбере по-задълбочено поведението и еволюцията на звездите.

В края на 30-те години Бете продължава своите теоретични изследвания на атомните ядра. Сред неговите многобройни достижения е първата математическа обосновка, че току-що откритият мезон е свързан със сила, която не позволява на ядрото да се разпадне. Той изследва също така много сложните ударни вълни, образуващи се при взрив, което се оказва много полезно за по-нататъшната му работа в рамките на Манхатънския проект при създаването на атомната бомба.

През 1941 г., малко преди Съединените щати да влязат във Втората световна война, Бете става американски гражданин. Известно време той работи над микровълните и тяхното приложение към радиовълните в радиационната лаборатория на Масачузетския технологичен институт, а след това през 1943 г. се присъединява към Манхатънския проект в Лос Аламос (щат Ню Мексико). Там, като директор на отдела по теоретична физика, той отговаря за изчисленията относно възможното поведение на атомната бомба. Дълбоките му познания в областта на ядрената физика, ударните вълни и електромагнитната теория изиграват съществена роля за успеха на програмата.

Като се връща в университета „Корнел“ през 1946 г., Бете продължава изследванията си в много интересуващи го области – например има важен принос за съвременната квантова електродинамика. Той допринася също така не малко – съвместно с други учени – за проучването на общественото мнение за опасността, която носи на човечеството ядреното оръжие. Бете е привърженик на контрола над въоръжаването, подкрепяйки в същото време използването на ядрената енергия за мирни цели. От 1956 до 1959 г. той е член на Президентския научно-консултативен комитет.

По-нататък Бете проучва разпределението на материята в неутронните звезди, а също така колапса на гигантските звезди. Изследванията му за високоскоростното навлизане в земната атмосфера помагат при разработката както на военни, така и на цивилни космически апарати. Спомняйки си за своята работа в Лос Аламос като за „ужасно завладяваща“, той се изказва срещу подкрепяната от правителството програма за създаване на антиракетен щит, разглеждайки я като практически неосъществима.

През 1939 г. Бете се жени за Роза Евалд, дъщеря на известен немски физик, също напуснал нацистка Германия. Семейството има две деца. Скромен и внимателен към другите, Бете се увлича от скиорски и планински походи, но по-късно, както казва, започва да се интересува от икономика. Колегите му го уважават много заради неговия светъл ум и заради прецизно разработваните от него научни методи.

Освен с Нобелова награда Бете е удостоен с правителствена награда на САЩ – медала „За заслуги“ (1946 г.), с медала Хенри Драйпър на американската Национална академия на науките (1947 г.), с медала Макс Планк на Германското физическо дружество (1955 г.), с медала Енрико Ферми на Комисията по атомна енергия на САЩ (1961 г.), с медала Едингтън на Лондонското кралско астрономическо дружество (1963 г.) и с наградата Ванивар Буш на американската Национална академия на науките (1985 г.). Член е на Американското философско дружество, ва американската Национална академия на науките, на Американското физическо дружество и на Американското астрономическо дружество, а също така е чуждестранен член на Лондонското кралско дружество. Има почетни научни степени от университета в Бирмингам и Манчестър.

Превод от руски: Павел Б. Николов