Яков Гегузин - Капля
Творческая фантазия Плато более 100 лет назад родила идею наземного опыта с каплей в искусственно созданной невесомости. Быть может, он тогда думал и о космосе?
Воспоминание о лекции профессора Френкеля
Начну с банальной мысли о том, что впечатления юности запоминаются надолго — в звуках, в цвете, в незначащих деталях, которые тогда, в давно прошедшие годы, казались особенно важными.
Лекцию Якова Ильича Френкеля я слушал поздней весной 1939 года. Он тогда приезжал в Харьков и в маленькой университетской аудитории амфитеатром, которая еще с середины прошлого века торжественно называлась «большой физической», читал лекцию о капельной модели ядра. Теперь, спустя более трети века, когда во всех подробностях известны драматические события тех дней, когда закладывались основы ядерной энергетики, ясно, что с профессором Френкелем, который всего за несколько недель до приезда в Харьков предложил идею капельной модели ядра, в аудиторию вошла сама история. Тогда же мы, студенты-физики, шли слушать очередную лекцию «гостевого» профессора, одну из многочисленных лекций, которые в «большой физической» часто читали нам университетские гости.
Начал лекцию Френкель спокойно, размеренно, но постепенно академическая размеренность исчезла: он говорил так, как можно говорить лишь о самом сокровенном, о чем непрерывно думаешь и кажется, что открывшееся тебе прозрение и ясность абсолютно необходимо передать слушателям. Именно на этой лекции я понял смысл выражения «слушать затаив дыхание». Затаив, возможно, для того, чтобы не было лишних звуков, а возможно, чтобы не отвлекаться для дыхания.
Формул профессор почти не писал. Нарисовав мелом на доске водопроводный кран с набухающей каплей на конце, он начал рассказывать об аналогии между каплей воды и каплей ядерной жидкости — атомным ядром. До достижения некоторого размера капля на кончике крана устойчива, по крану можно щелкнуть, и капля не оборвется (он щелкнул по нарисованному крану). Когда же, набухая, капля достигнет определенного размера, она сама оборвется. И неожиданно заключил: периодическая система потому и оканчивается на уране, что тяжелая капля ядерной жидкости — ядро урана — велика и находится на пределе устойчивости, подобно той капле воды на кончике крана, которая вот-вот оторвется от него. Когда после этого как само собой разумеющееся он предсказал возможность спонтанного деления ядра урана, возникло ощущение провидения.
Теперь, когда мне на лекциях приходится рассказывать студентам о ядре, я ловлю себя на том, что невольно пытаюсь повторять фразы и рисовать картинки, которые отпечатались у меня в памяти после той далекой предвоенной лекции, слышанной в юности.
Термин «деление» применительно к ядру впервые использовала Лиза Майтнер — выдающийся немецкий физик. Она, однако, имела в виду аналогию не с каплей, а с амебой. Аналогия со сферической каплей, которая не деформируется тяжестью, оказалась значительно более глубокой и содержательной.
Естественно возникает вопрос, где основания для аналогии? Ведь недостаточно представить себе, что, подобно жидкой капле, ядро имеет форму шарика. Видимо, Френкель усмотрел в строении ядра более глубокие основания, чтобы уподобить его жидкой капле.
Поиски аналогий — потребность многих умов, пробивающихся сквозь сплетения идей и фактов, сквозь заросли отрывочных наблюдений. Удача в этих поисках, как известно, зависит не только и, быть может, не столько от эрудиции и способности мыслить формально строго — она зависит от умения из множества жизненных наблюдений, из хранящихся в тайниках мозга некогда подмеченных штрихов явлений и событий в нужный момент извлечь именно те, которые наиболее полно походят на осмысливаемое явление или образ. Это совершенно естественная попытка мозга — среди известного, понятного, ставшего «своим» отыскать нечто такое, чему незнаемое уподобится, а уподобившись, потеряет загадочность и тоже станет «своим».
Иной сочтет поверхностное сходство достаточным основанием для аналогии — такому путь к откровениям заказан. Поверхностная аналогия не ведет к знаниям, а хитро уводит от них. Какая же аналогия окажется глубокой? Как и чем измеряется ее глубина? Чем руководствоваться, чтобы не принять внешнее сходство за истинную аналогию? У одного из восточных народов в ходу мудрость: «С нетерпением ожидая возвращения дорогого друга из военного похода, не ошибись, не прими стук своего сердца за топот копыт его коня». Как же не ошибиться? А ведь очень часто интуиция — именно ей и принадлежит основная инициатива отбора в кладовых памяти всего подходящего к случаю — вместо истинной и глубокой аналогии предлагает нам, образно выражаясь, троянского коня. В словаре русского языка в качестве синонима слова «интуиция» называется слово «чутье». Так вот «чутьем» профессор Френкель был богато одарен. Он был богачом.
Об аналогии между атомным ядром и каплей жидкости, вернее, о том, в чем он усматривает основания для аналогии, Френкель говорил так просто и естественно, будто она не была угадана его чутьем, а заведомо очевидна любому студенту. Говорил доверительно, не низводя слушателя до положения школяра, которого известный ученый одаривает крупицами своих необозримых знаний, вынуждая себя при этом опуститься до школярского уровня. Он очень умело создавал иллюзию разговора «на равных» со слушателем, который чувствует себя вправе перебить лектора, усомниться в его правоте, выразить одобрение.
Силы притяжения, говорил он, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре, велики и могут противостоять силам электрического отталкивания, действующим между протонами в ядре. И это несмотря на то, что расстояния между протонами ничтожно малы — около 10-13— 10-12 см. Сравнив энергии различных ядер и их геометрические размеры, можно убедиться, что силы, удерживающие нейтроны и протоны в ядре, в одном существенном отношении сходны с обычными силами межмолекулярного взаимодействия в жидкостях, а именно в том, что эти силы «короткодействующие». Они обладают значительной величиной лишь на расстояниях, сравнимых с размерами частиц— протонов и нейтронов в ядре и молекул в обычной жидкости. Различия между ядерными силами и силами взаимодействия между молекулами в жидкости заключаются в том, что радиус действия у первых в сто тысяч раз меньше, чем у вторых, а энергия связи — в миллион раз меньше. Различие, разумеется, огромное, но только количественное, а не качественное, и аналогии оно не помеха.
Френкель обратил внимание на то, что объемы различных ядер оказываются пропорциональными их массе, т. е. атомному весу соответствующих элементов. А это означает, что ядерное вещество, как и обычная жидкость, имеет постоянную плотность, которая от размеров ядра не зависит. Вот теперь есть основания говорить о ядерной жидкости, о ядре — капле. Плотность этой жидкости, говорил лектор, можно вычислить, и она оказывается в биллионы раз больше плотности обычных жидкостей, поверхностное натяжение — в 1018 раз больше поверхностного натяжения воды.
Не многим дано увидеть черты сходства между веществами, характеристики которых различаются в такое число раз, а профессор Френкель увидел, и его интуиция не отступила перед числом с восемнадцатью нулями.
Аналогия — это значит не тождество, а аналогия, и где-то ей положен предел. И ядерная жидкость не тождественна обычной. Ядра, капли ядерной жидкости, в отличие от капель жидкости обыкновенной, имеют электри ческий заряд, связанный с входящими в их состав протонами. Вот это уже отличие принципиальное, а не количественное, и оно определяет одно своеобразное свойство ядер- капель, которым не обладают обычные капли, дождинки или росинки. Именно это отличие и кладет предел аналогии.
Представим себе в невесомости две капли: одну из обычной жидкости, вторую — из ядерной. Невесомость нам нужна только для того, чтобы силы тяжести не искажали их форму. Будем мысленно увеличивать объем этих капель. С первой из них, «обычной», это можно делать без всяких ограничений — ее форма будет оставаться сферической. Жидкость в капле будет подвержена лишь давлению всестороннего сжатия, которое обусловлено кривизной ее поверхности. А вот со второй каплей, ядерной, дело обстоит сложнее. Ее вещество электрически заряжено. Это значит, что полусферы, на которые капля может быть условно разделена, взаимно отталкиваются, подчиняясь закону Кулона, согласно которому силы отталкивания прямо пропорциональны произведению взаимодействующих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними. Так как величина заряда каждой из ядерных полусфер пропорциональна их объему, т. е. кубу радиуса, а расстояние между ними — радиусу, то, очевидно, с увеличением объема капли силы отталкивания, которые пытаются исказить сферическую форму капли и в конечном счете разорвать ее, будут расти. Препятствует этому лапласовское давление, которое стремится придать капле сферическую форму. Это давление, однако, с увеличением капли убывает. Сколь бы малым оно ни было, в условиях невесомости его всегда будет достаточно для того, чтобы капля обычной жидкости оставалась сферической, а в случае заряженной капли с лапласовским давлением вступает в борьбу иное давление, электростатическое, искажающее сферическую форму капли. Итак, два давления. Одно с увеличением размера капли падает, а другое растет. И, следовательно, это другое в конце концов окажется победителем: под его влиянием капля деформируется и разорвется на две разлетающиеся маленькие капли.
