НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1983 г. / ФИЗИКА / УИЛЯМ ФАУЛЪР

Уилям Фаулър (William Fowler)

9 август 1911 г. – 14 март 1995 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Субраманиан Чандрасекар)

(За теоретичните и експерименталните изследвания на ядрените реакции от значение за образуването на химичните елементи във Вселената.)

Американският физик Уилям Алфред Фаулър е роден в Питсбърг (щат Пенсилвания), той е най-голямото от трите деца на Джени Съмърс (Уотсън) Фаулър и Джон Маклауд Фаулър, счетоводител. Когато Уилям е на две години, семейството се мести в глад Лима (щат Охайо), голям железопътен възел, където момчето придобива за цял живот любовта си към локомотивите. В училище учителите поощряват любовта му към науката и техниката. Като постъпва в университета в щата Охайо през 1929 г., за да специализира керамично производство, Фаулър преминава във втори курс към току-що откритата специализация по приложна физика и завършва университета с отличие. За да получи образование, той е принуден да работи по време на летните студентски ваканции, а след учебните занимания работи в електронната лаборатория на електротехническия факултет. Харесва му да прави сам физични измервания и инженерни разработки. По време на последния курс пише дипломната си работа „Фокусиране на електронните лъчи“ („Focusing of Electron Beams“).

Следвайки аспирантура в Калифорнийския технологичен институт (Калтех), Фаулър се занимава в радиационната лаборатория „Келог“ под ръководството на датския физик Чарлз Лауритсен, от когото научава, както сам казва, „как се прави физика и как се получава удоволствие от работата“. През 1936 г. Фаулър става доктор, като защитава дисертацията „Радиоактивни елементи с малък атомен номер“ („Radioactive Elements of Low Atomic Number"). Оттогава е сътрудник на лабораторията „Келог“, където през 1970 г. става професор по физика.

По време на Втората световна война лабораторията „Келог“ се занимава с военни изследвания и Фаулър помага за разработването на взриватели, реактивни и торпедни оръдия и атомно оръжие. За тази своя работа получава през 1948 г. от правителството на Съединените щати медала „За заслуги“. В края та войната Фаулър, Лауритсен и Томас, синътн а Лауритсен, продължават ядрените изследвания, съсредоточавайки се основно върху ядрените реакции в звездите.

През 1939 г. Ханс Бете, физик теоретик и специалист по ядрена физика, открива източника на енергията в звездите, установявайки, че тази енергия се образува в резултат от ядрена реакция, водеща до превръщане на ядрата на водорода в ядра на хелий. Съществуват няколко разновидности, или изотопа не водорода, всеки от който има един протон (носещ положителен електрически заряд) в ядрото и следователно атомният му номер е равен на 1. Най-разпространената форма съдържа в ядрото си само протон и затова нейното масово число е също равно на 1. Но в ядрото на тежкия водород, деутерия, има един протон и един неутрон, така че масовото му число е равно на 2. В ядрото на трития има един протон и два неутрона, поради което масовото му число е 3.

Всяко ядро на хелия съдържа два протона (атомен номер 2) и в най-разпространената му форма ядрото има и два неутрона (масово число 4). Но други изотопи на хелия имат повече или по-малко неутрони и следователно други масови числа. В ядрените реакции могат да участват различни изотопи, много от които са нестабилни (радиоактивни). Изотопите, срещащи се при обикновени условия, са по правилно сред най-стабилните; други са преминали с течение на времето в по-стабилни видове след разпад и излъчване. Бете екстраполира резултатите от лабораторно измерване на ядрени реакции и пресмята вероятните скорости на реакциите при условия, съществуващи предполагаемо в центъра на звездите, което довежда до откриването на източника на енергия.

Специалистът по космология Георгий (Джордж) Гамов изказва предположение в концепцията си за произхода на Вселената, че атомните ядра, които са по-тежки от хелия могат да се образуват с прибавяне на неутрони. Но Ханс Щауб и Уилям Стивънс установяват, че нито едно устойчиво ядро няма маса 5, а Фаулър с колегите си изяснява, че никакво устойчиво ядро няма маса 8. Това опровергава схемата на Гамов в две отношения. Първо, добавянето на един неутрон към ядрото на хелий с маса 4 не може да доведе до атоми на по-тежки елементи, защото нестабилното ядро с маса 5 ще се разпадне, преди допълнителните неутрони да успеят да влязат с него във взаимодействие. Второ, сливането на две ядра хелий с маса 4 (като две водородни ядра) също не може да доведе до атоми на по-тежки елементи, защото нестабилното ядро с маса 8 ще се разпадне, преди ядрените реакции да могат да добавят допълнителни неутрони.

През 1951 г. в лабораторията „Келог“ идва физикът Е. Е. Салпитър и успява да докаже, че три ядра хелий (всяко с маса 4) биха могли да образуват ядро на въглерод (маса 12) при условията, които има в гигантските червени звезди (звездите в промеждутъчен стадий на развитие, с голям обем и относително ниска температура на повърхността), но не и вв тези, които са съпровождали „големия взрев“. Две години по-късно британският астроном Фред Хойл довежда Уърд Уелонг в лабораторията „Келог“, за да осъществи експеримент, който да даде количествено потвърждение, че хелият може, изгаряйки, да се превърне във въглерод при температура и плътност, характерни за червените гиганти.

В резултат от работата си с Хойл, а също така с Маргарет и Джофри Барбидж по време на творческата си отпуска през 1954-1955 г. в Англия, където се намира като стипендиант на Кеймбриджкия университет, Фаулър формулира изчерпваща теория, която сумира ядрените реакции, водещи до синтез на всички срещащи се в природата елементи, и обяснява относителните величини на тяхното разпространение, наблюдавани от астрономите. В общата им статия от 1957 г. „Синтез на елементите в звездите“ („Sunthesis of the Elements in Star“), която се появява в списание „Преглед на съвременната физика“ („Reviews of Modern Physics“), се посочва, че образувалите се по време на „големия взрив“ водород и хелий биха могли да бъдат основа за ядрения синтез на всички елементи в звездите – от въглерода до урана. Тези елементи след това биха могли да бъдат изхвърлени в пространството като резултат от взрив на свръхновите звезди, появяващи се като резултат от еволюцията на тежките звезди. Физикат А. Камерън изказва независимо от тях същите идеи по същото време.

Комбинирайки данните от ядрената астрофизика и теорията за строежа на звездите, Фаулър изиграва главна роля в създаването на основополагащия модел на звездното развитие. Според този модел облак газ (основно от водород и хелий) се свива под въздействието на своите гравитационни сили. Когато облакът стане достатъчно плътен и горещ, водородът се превръща в хелий и облакът става звезда. С изгарянето на водорода звездата се свива още повече в центъра си. Ако звездата е достатъчно масивна, ядрото отново става дотолкова плътно и горещо, че позволява на хелия да се превърне във въглерод. След това звездата се разширява силно и става червен гигант. Ако тя има достатъчно маса, ядрото ѝ преминава през повтарящ се цикъл на изтощаване на ядреното гориво, свиване на ядрото и ново ядрено изгаряне на продуктите от предишните реакции дотогава, докато образуващото се в резултат от това ядро не започне да се състои основно от желязо (атомна маса 56). Ако желязното ядро стане прекалено масивно, , то взривява звездната атмосфера, превръща се в свръхнова, и се свива до плътност, подобна на плътността на атомните ядра. Ако звездата не е достатъчно масивна, за да образува желязно ядро, тя обикновено губи своята атмосфера, след като е станала червен гигант.

Фаулър и негови съавтори предполагат, че по-тежките от желязо елементи се образуват с последователно присвояване на неутрони в ядрата на тежките звезди или преди, или по време на образуването на свръхнова. В резултат от тези процеси част от синтезираните тежки елементи се разсейват в пространството, където могат да влязат в състава на бъдещи звездни системи.

През 1940 г. Фаулър се жени за Ардийн Фой Олмстед; семейството има две дъщери. „Най-набиващата се в очи черта на Фаулър е любовта му към хората – пише Ханс Бете – Той е изпълнен с хумор и доброжелателност и заразява с това другите“. Фаулър обича да се занимава с алпинизъм, активен почитател е на питсбъргския бейзболен и футболен отбор, а освен това още от детството си пази своята любов към локомотивите.

Фаулър е член на Националната академия на науките на САЩ, почетен член е на Кралското дружество по изкуствата в Лондон и член-кореспондент на Кралското астрономично дружество. Президент е на Американското физично дружество, работи в Националния научен съвет и в Съвета по космически науки. Сред наградите, които получава, са наградата в чест на успешното стартиране на кораба „Аполо“ от организацията НАСА (1969 г.), наградата Том Бонър на Американското физично дружество (1970 г.), националния медал „За научни достижения“ на Националния научен фонд (1974 г.), медала Едингтън на Кралското астрономично дружество (1978 г.) и златния медал на Тихоокеанското астрономично дружество. Има почетни степени от Чикагския и Лиежкия университет, от университета в щата Охайо и от университета „Денисън“, както и от Парижката обсерватория.

Превод от руски: Павел Б. Николов