К квантовой теории абсолютного нуля температуры
Д. Бак, Г. Бете, В. Рицлер
(Кембридж)
"К квантовой теории абсолютного нуля температуры" и заметки, переводы которых помещены ниже:
К квантовой теории абсолютного нуля температуры
Движение нижней челюсти у крупного рогатого скота...
Физическая нумерология
Земля как управляемый космический корабль
Послеобеденные замечания о природе нейтрона
Анализ современной музыки с использованием волновых функций...
написаны известными физиками и опубликованы в таких серьезных журналах, как "Naturwissenschaften" и "Nature". Редакторы журналов "попались на удочку громких имен" и, не вдаваясь в существо написанного, направили материал в набор, не разглядев в нем шутки.
В данной работе нами был рассмотрен кристалл с гексагональной решеткой. Как известно, при абсолютном нуле температуры в системе происходит вымораживание всех степеней свободы, то есть прекращаются полностью все внутренние колебания. Однако для электрона, движущегося по боровской орбите, это обстоятельство не имеет места. Каждый такой электрон, согласно Эддингтону, обладает 1/a степенями свободы, где a – введенная Зоммерфельдом постоянная тонкой структуры. Поскольку рассматриваемый нами кристалл состоит также из протонов, которые по теории Дирака можно рассматривать как дырки в электронном газе, то к 1/a степеням свободы электрона следует добавить столько же степеней свободы протона. Таким образом, чтобы достичь абсолютного нуля температуры, мы должны отнять у нашей нейтральной системы (кристалл должен быть электрически нейтральным), состоящей из одного электрона и протона (в расчете на один нейтрон), – (2/a – 1) степеней свободы (Freiheitsgrade). Единицу мы вычли, чтобы не учитывать вращательного движения.
Следовательно, для температуры абсолютного нуля находим
Т0 = – (2/a – 1) градусов (Grade). Подставив сюда T0 = –273, находим, что a = 1/137. Это значение в пределах ошибок эксперимента находится в замечательном согласии с ранее известным значением. Легко показать, что этот результат не зависит от выбора структуры кристаллической решетки.
Напечатано в журнале "Naturwissenschaften", 19, №2 (1931).
Д. Бак – физик-теоретик, профессор Бразильского физического института в Рио-де-Жанейро.
Г. Вете – американский физик-теоретик, проф. Корнеллского университета, лауреат премии Энрико Ферми и медали Макса Планка. Автор многих книг по теории ядра, хорошо известных советскому читателю.
В. Рицлер – немецкий физик, директор Института ядерной физики Боннского университета.
Движение нижней челюсти у крупного рогатого скота в процессе пережевывания пищи
П. Иордан и Р. де Крониг
Среди биологических явлений, в которых проявляется выделенность одного из двух возможных направлений вращения (к ним относятся, например, спиральный рост ползучих растений и строение раковин улиток), существует еще одно, которое до сих пор, по-видимому, не изучалось и на которое мы хотим обратить здесь внимание. Речь идет о жевательных движениях крупного рогатого скота. Детальное исследование показывает, что движение нижней челюсти относительно верхней не является ни чисто горизонтальным, ни чисто вертикальным, а представляет собой суперпозицию этих периодических движений с таким сдвигом фаз, что в результате получается чистое вращение. Теоретически, конечно, вращение в двух направлениях вполне допустимо, и наблюдение показывает, что в природе осуществляются обе возможности. Принимая направление движения пищи за положительное, мы будем называть право- и левовращающими коровами тех особей, у которых жевательное движение происходит (если смотреть спереди) по и против часовой стрелки соответственно.
Подобная классификация, разумеется, молчаливо предполагает, что у заданной коровы направление вращения сохраняется. Однако количество экспериментальных наблюдений, которые мы можем привести в подтверждение этого заключения, ограничено, и мы отдаем себе отчет в том, что для окончательного доказательства этого положения необходимы более полные данные, полученные за большой промежуток времени. Выборочное обследование коров провинции Шеланд в Дании привело нас к заключению, что 55% их полного числа являются правовращающими, а остальные – левовращающими. Таким образом, отношение близко к единице. Числа проведенных наблюдений, однако, вряд ли достаточно для того, чтобы решить окончательно, является ли замеченное отклонение от единицы реально существующим фактом. Тем более невозможно пока обобщить эту закономерность на коров других стран.
То обстоятельство, что реализуются оба направления вращения, влечет за собой необходимость выяснить вопрос о том, существует ли простой механизм передачи по наследству того отличительного признака, который мы сейчас обсуждаем. Известно, например, что для упомянутых выше улиток законы генетики применимы в их наиболее простой форме. В большинстве же других случаев существование только одного направления делает подобные исследования невозможными. Представляет интерес выяснить, какая из модификаций для коров является доминирующей. Мы, к сожалению, не можем решить этот важный вопрос, но надеемся, что ответ на него легко смогут найти люди, имеющие непосредственное отношение к разведению крупного рогатого скота.
Напечатано в журнале "Nature", 120, 807 (1927).
П. Иордан, Р. де Крониг – известные физики, сотрудники Института теоретической физики, Копенгаген.
Физическая нумерология
И.Дж. Гуд
Нумерология описывает деятельность по отысканию простых численных выражений для фундаментальных физических констант. В истории науки известно несколько примеров, когда нумерология опережала теорию.
В 1857 году Кирхгоф заметил совпадение между значением скорости света и величиной отношения электрических единиц измерения. В 1858 году Риман представил статью в Геттингенскую академию, в которой высказывал предположение о конечности скорости распространения взаимодействия и пришел к заключению, что она должна равняться отношению единиц, т.е. скорости света.
В 1885 году Бальмер дал формулу для частот спектральных линий водорода. В 1913 году она была объяснена Бором и в 1926 году с большей точностью – Дираком и Паули на основе квантовой теории. Осталось лишь объяснить саму квантовую теорию.
В 1747 году Дж. Боде предложил простую формулу, которая хорошо описывала расстояние от Солнца до всех шести известных к тому времени планет. Открытый позднее Уран и астероиды также описывались этим выражением, за исключением Нептуна и Плутона. Общепринятого объяснения этому факту до сих пор нет.
Большое число примеров из области физической нумерологии относится к попыткам связать между собой массы "элементарных" частиц. Вот один из многочисленных примеров рассуждений такого рода. Массы элементарных частиц должны быть собственными значениями простых операторов или корнями простых функций. Если an– куб n-го положительного корня функции Бесселя In, то
an= In+ n,
что с пятью знаками совпадает с массами нейтрона и гиперона по отношению к электронной массе.
Напечатано в книге: "The Scientists Speculates".
Земля как управляемый космический корабль
Д. Фроман
Речь на банкете, состоявшемся после конференции по физике плазмы, организованной Американским физическим, обществом в ноябре 1961 года в Колорадо-Спрингс.
Поскольку я не очень хорошо разбираюсь в физике плазмы и термоядерном синтезе, я буду говорить не о самих этих явлениях, а об одном их практическом применении в ближайшем будущем.
Представим себе, что нам удалось изобрести космический корабль, который движется за счет того, что выбрасывает продукты реакций D– D и D– Т. На таком корабле можно стартовать в космос, поймать там несколько астероидов и отбуксировать их на Землю. (Идея, правда, не нова.) Если не очень перегружать ракету, то можно было бы доставить на Землю 1000 тонн астероидов, затратив всего около тонны дейтерия. Я, честно говоря, не знаю, из какого вещества состоят астероиды. Однако вполне может оказаться, что наполовину они состоят из никеля. Известно, что 1 фунт никеля стоит 50 центов, а 1 фунт дейтерия – около 100 долларов. Таким образом, на 1 миллион долларов мы могли бы купить 5 тонн дейтерия и, израсходовав их, доставить на Землю 2500 тонн никеля стоимостью в 2,5 миллиона долларов. Неплохо, правда? Я уже было подумывал, а не организовать ли мне Американскую Компанию по Добыче и Доставке Астероидов (АКДДА)? Оборудование такой компании будет исключительно простым. При достаточной субсидии со стороны дяди Сэма можно было бы основать весьма доходное дело. Если кто-либо из присутствующих с крупным счетом в банке пожелает войти в число учредителей, пусть подойдет ко мне после банкета.
А теперь давайте заглянем в более отдаленное будущее. Лично я вообще не могу понять, почему астронавты мечтают попасть в межзвездное пространство. В ракете ведь будет страшная теснота. Да и в питании им придется себя сильно урезать. Но это еще полбеды. Главная неприятность – что астронавт в ракете будет находиться в том же положении, что и человек, помещенный против пучка быстрых протонов из мощного ускорителя (посмотрите рисунок). Очень мне жаль бедного астронавта; о его печальной участи я даже сочинил балладу:
Баллада об астронавте*
(вольный перевод с английского В. Турчина)
От бета-инвертора
И гамма-конвертора
Осталась обшивка одна.
А ионная пушка,
Как пустая хлопушка,
Торчит, ни на что не годна.
Все распались мезоны,
Все распались нейтроны,
Излучился весь видимый свет.
По закону Кулона
Разбежались протоны,
На лептоны ж надежды нет.
Поврежденный реактор
Тарахтит, словно трактор,
В биокамере – гниль и прель.
Вот сопло уж забилось,
Да и дно прохудилось,
И вакуум хлещет в щель...
Он летел к Ориону,
Но поток гравитонов
Пересек неожиданно путь.
Отклонившись от курса
И спустив все ресурсы,
Он сумел и от них ускользнуть.
Сделав крюк здоровенный,
Облетел пол-Вселенной
И теперь на пустом корабле
По последней прямой
Возвращался домой,
Приближаясь к планете Земле.
Но борясь с тяготеньем
Сверх-сверх-сверхускореньем,
Он замедлил стрелки часов.
И стрелки застыли,
На Земле ж проходили
Тысячи тысяч веков.
Вот родные планеты...
Боже! Солнце ли это? –
Темно-красный, чуть теплый шар...
Над Землею дымится,
Над Землею клубится
Водородный, холодный пар.
Что же это такое?
Где же племя людское? –
В неизвестных, далеких мирах.
Вырастают их дети
Уж на новой планете,
А Земля вся в космических льдах.
Чертыхаясь и плача
От такой неудачи,
Астронавт повернул рычаг.
И раздалось Б,
И раздалось А,
И раздалось Х –
БАX!
Но мне жаль и тех, кто останется на Земле. Ведь наше Солнце не вечно. Оно когда-нибудь потухнет, погрузив все окружающее в космический мрак и холод. Как мне рассказывал Фред (Фред Хойл то есть) (), через пару миллиардов лет на Земле будет так холодно, что не то что о комфорте, о самой жизни на этой планете не может быть и речи. А следовательно, имеет явный смысл куда-нибудь податься. Мне кажется, что для большинства из нас самым удобным космическим кораблем все же была бы сама Земля. Поэтому если нам не нравится, что наше светило постепенно гаснет и вообще если все в Солнечной системе нам надоело, зачем здесь оставаться? Давайте полетим куда-нибудь прямо на нашей Земле. При этом все трудности, связанные с космическим полетом, отпадут сами собой. Ведь проблемы защиты от радиации не существует, на Земле есть атмосфера, да и скорость движения будет невелика. Безопасность и приятность такого путешествия очевидны.
Однако хватит ли нам энергии? Прежде всего понадобятся тепло и свет: ведь в течение долгого времени мы будем удалены от Солнца или какой-либо другой звезды. Дейтерий, содержащийся в океанской воде, может дать нам 1038 эрг, следовательно, если использовать его только для отопления и освещения, то этого хватит на три миллиона лет – срок вполне достаточный. Правда, здесь имеется небольшая загвоздка. При нашей скорости мы будем потреблять 3·1010 фунтов дейтерия в год, а стоимость его 100 долларов за фунт, следовательно, потребляемый дейтерий в 100 раз превысит годовой бюджет современных воздушных сил. Но, быть может, удастся получить дейтерий по оптовым ценам?
Однако нам понадобится еще энергия для того, чтобы оторваться от Солнца. Расчет показывает, что на это пойдет 2,4·1040 эрг, то есть гораздо больше, чем может дать весь океанский дейтерий. Поэтому необходимо будет изыскать другие источники энергии. Я полагаю, что для решения этой проблемы нам придется обратиться к синтезу альфа-частицы из четырех протонов. При использовании этой реакции все протоны мирового океана дадут нам энергию 1042 эрг, то есть в сорок раз больше того, что нужно, чтобы оторваться от Солнца.
В качестве рабочего тела можно использовать песок. Выбрасывая 1000 молекул SiO2 на каждую синтезированную альфа-частицу, мы для отрыва от Солнца должны будем истратить всего 4% массы Земли. Мне кажется, что мы можем себе это позволить. Тем более для такой цели не жалко будет израсходовать Луну: ведь вдали от Солнца от нее все равно нет никакого проку. Покинув Солнечную систему и скитаясь в космическом пространстве, мы, вероятно, сможем время от времени еще пополнять наши запасы массы и энергии, заправляясь на лету за счет встречающихся по дороге планет. На пути осуществления этих планов пока стоит одно принципиальное препятствие: мы не умеем осуществлять цепную реакцию 4p - He4. Теперь вы видите, какая это важная проблема. Нам нужно удвоить свои усилия для ее решения. Время не терпит: Земля провела у Солнца уже две трети отпущенного ей срока.
Уверяю вас: в космосе нам будет отлично. Возможно, нам так понравится, что мы даже не захотим прилепиться к новой звезде.
Напечатано в журнале "Physics Today", 15, №7 (1962).
Д. Фроман – до 1962 г. занимал должность технического директора Лосаламосской лаборатории.
Послеобеденные замечания о природе нейтрона
Ж. Вервье
Речь при закрытии Антверпенской конференции 1965 г.
В ходе настоящей конференции мы слышали много интересных суждений об объекте, называемом "Нейтрон", от различных ученых из самых разных стран. Мы должны, однако, признать, что эта категория странных личностей не единственная из числа тех, кто может что-то существенное сказать об этой "не странной" частице. Давайте постараемся представить, что бы сказали представители различных типов людей о предмете нашей конференции – о нейтроне. Я ограничу себя, как это должен делать каждый хороший докладчик, лишь теми категориями людей, которых я знаю лично. У меня нет времени, чтобы рассматривать другие группы лиц. Между прочим, вы могли заметить во время настоящей конференции что наиболее интересные задачи, по крайней мере с точки зрения докладчиков, это те, на обсуждение которых не остается времени. Итак, начнем.
Человек на улице: "Нейтрон, э-э... это что-то, должно быть, очень сложное!"
Физик – специалист в области элементарных частиц: "Нейтрон? О, это очень просто. Он является частью фундаментального октета SU6 х SU6 х SU6 х SU12 со спином 1/2, изотопическим спином 1/2 барионным числом 1, лептонным числом 0, гиперзарядом 0 и странностью 0. В общем, возьмите несколько разных кварков, и вот он перед вами!"
Социолог: "Нейтрон дает нам прекрасный пример истинно общественного явления. Ему нравится жить в обществе, он просто не может существовать вне коллектива. Доказательство: как только нейтрон покидает ядерную толкучку, он тут же распадается".
Член общества защиты, животных: "Бедный нейтрон. Как только он оставляет свою ядерную нору, он захватывается, диффундирует, рассеивается (неупруго), а если ему и удается избежать всего этого, то он, бедняжка, распадается!.. Мы предлагаем почтить минутным молчанием его несчастную долю".
Когда эта минута заканчивается, выступает член Женского комитета: "Нейтрон являет собой прекрасный пример стойкого борца за права женщин. В своем браке с протоном он имеет точно такие же права, что и его партнер, ввиду зарядовой независимости ядерных сил".
Можно было бы развить много интересных соображений о психологии невесты – нейтрона и жениха – протона в их весьма странном браке. Католик сделал бы ряд оговорок по поводу морали нейтрона, поскольку хорошо известно, что дейтрон представляет собой не очень крепко связанную пару. С другой стороны, борец за установление контроля над рождаемостьюочень обрадовался бы тому, что дейтрон не имеет продуктов распада. Нам хотелось бы прямо распространить на человеческие отношения выводы из того факта, что трехнуклонные системы [ядро изотопа гелия 3(Не3) и тритон (Н3)] очень похожи и почти столь же стабильны, как и дейтрон.
И, наконец, имеется еще одна категория людей, которым вы можете задать очень ясный вопрос: Что такое нейтрон? На что они недоуменно отвечают. Простите, не могли бы вы повторить свой вопрос? Я тут, кажется, вздремнул...
Напечатано в: "Proceedings of the International Conference on the Study of Nuclear Structure with Neutrons", Antwerp., 1966.
Ж. Вервье – редактор этого издания.
Анализ современной музыки с использованием волновых функций гармонического осциллятора
Г.Дж. Липкин
Значение гармонических колебаний в музыке было прекрасно известно даже до открытия Стальминским гармонического осциллятора [1]. Данные об оболочечной структуре были впервые приведены Гайдном, который открыл магическое число "четыре" и доказал, что система из четырех музыкантов обладает необычной стабильностью [2]. Понятие магического числа было расширено Моцартом в его работе "Волшебная флейта". Система из четырех волшебных (магических) флейт является, таким образом, дважды магической. Такая система, по-видимому, столь устойчива, что ни с чем не взаимодействует и, следовательно, является ненаблюдаемой.
Существенный шаг вперед в применении спектроскопической техники в музыке был сделан Ракахманиновым [3] и Шарпом [4], а также Вигнером, Вагнером и Вигнером [5]. Релятивистские эффекты были учтены в работе Баха, Фешбаха и Оффенбаха [6], которые использовали метод Эйнштейна, Инфельда и Гоффмана.
До сих пор все попытки применить гармонический осциллятор к анализу современной музыки терпели неудачу. Причина этого, т.е. именно тот факт, что современная музыка в большинстве своем негармонична, была отмечена Вигнером и Вагнером [7].