Почему цепную ядерную реакцию так трудно держать под контролем? Деление ядер урана вызывается нейтронами, и в результате деления каждого ядра образуются 2–3 новых нейтрона – их называют следующим поколением. Ход реакции определяется коэффициентом размножения нейтронов k, который показывает, во сколько раз изменяется число нейтронов в каждом следующем поколении. Если k меньше единицы, реакция затухает, k больше единицы – идет по нарастающей; при работе в стационарном режиме этот коэффициент должен в точности равняться единице. В реакторе помещают специальные регулирующие стержни, способные поглощать нейтроны и таким образом регулировать их коэффициент размножения. Сложность в том, что поколения нейтронов сменяются за миллионную долю секунды; человек не в состоянии отслеживать такие быстрые процессы – только автоматика. И точность регулировки требуется чрезвычайно высокая: увеличение k хотя бы на одну сотую приводит к взрывному ходу реакции. Именно это произошло на Чернобыльском реакторе при попытке изменения режима его работы (см. также 5 мая).
27 апреля
Тучи на горизонте классической физики
27 апреля 1900 года лорд Кельвин прочел знаменитую лекцию в Королевском институте, в которой он точно указал две основные проблемы классической физики на рубеже веков.
К концу XIX века классическая физика была практически завершена. Были созданы полная теория электромагнитных явлений и оптика, термодинамика, не говоря уже о механике. Однако 76-летний лорд Кельвин, «король» классической физики (см. 26 июня), с удивительной проницательностью указал на две «тучи», омрачающие красоту и ясность науки, одним из создателей которой он сам являлся. Первая «туча»: «как может Земля двигаться сквозь упругую среду, какой по существу является светоносный эфир?». Вторая – невозможность термодинамически обосновать спектры теплового излучения тел. Подводя итог бесплодным поискам путей преодоления противоречий, лорд Кельвин пессимистично заключает, что простейший путь состоит в том, чтобы не обращать внимания на существование этих «туч».
Но уже через несколько месяцев, в последние дни XIX века, Планк опубликовал свое решение проблемы теплового излучения, введя понятие о квантовом характере излучения и поглощения света, а через пять лет Эйнштейн сформулировал частную теорию относительности, отрицающую существование эфира. Таким образом, за двумя тучками на небе физики скрывались теория относительности и квантовая механика – фундаментальные основы сегодняшней физики.
В 75 лет лорд Кельвин ушел в отставку с должности профессора, но в соответствии со своим неугомонным характером тут же записался в университет в качестве студента-исследователя.
28 апреля
Пропавшие потери
28 апреля 1911 года голландский физик Камерлинг-Оннес на заседании Королевской академии наук в Амстердаме сообщил об открытии явления сверхпроводимости.
Сверхпроводимость – одно из самых необычных явлений физики. Открытие его было неожиданным, но тот факт, что первооткрывателем стал Камерлинг-Оннес (см. 21 сентября), не случаен. Дело в том, что именно ему удалось решить труднейшую научную и техническую задачу того времени: получить жидкий гелий (для этого потребовалось охладить его до температуры минус 269 °C, или 4 градуса Кельвина), что позволило ученым заглянуть в неведомый мир низких температур. Оказалось, что при охлаждении веществ жидким гелием они начинают проявлять удивительные свойства. Камерлинг-Оннес поместил в жидкий гелий ртуть, и ее электрическое сопротивление полностью исчезло! Он назвал это явление сверхпроводимостью. Вскоре он обнаружил сверхпроводимость не только в ртути, но и в целом ряде других металлов.
По сверхпроводящей замкнутой цепи ток может сколь угодно долго циркулировать, не затухая. Самое длительное существование незатухающего тока – около двух лет – было зафиксировано впоследствии в Англии (этот ток тек бы и поныне, если бы не перерыв в снабжении лаборатории жидким гелием, вызванный забастовкой транспортных рабочих). Точность современных измерений в 10 миллиардов раз выше, чем была у Камерлинг-Онесса, но отличие от нуля сопротивления сверхпроводника обнаружить не удается.
Чтобы понять природу этого удивительного явления, потребовалось почти полвека.
Сверхпроводимость – когда без напряжения преодолеваешь сопротивление.
29 апреля
Отцы и дети
29 апреля 1897 года на заседании Королевского института в Лондоне Джозеф Джон Томсон сделал первое сообщение об открытии электрона.
Отец Дж. Дж. Томсона, книготорговец, хотел, чтобы мальчик стал инженером. Он купил сыну микроскоп, что, возможно, направило Джозефа на путь научных исследований. По окончании колледжа он направился в Кембридж, где остался до конца жизни. Томсон начал работать в знаменитой Кавендишской лаборатории (см. 16 июня) под руководством профессора Рэлея, после ухода которого стал ее руководителем (ему было тогда всего 28 лет). Для истории физики Дж. Дж. Томсон – это тот, кто открыл электрон. Он доказал, что переносчиками заряда в катодно-лучевой трубке являются легкие отрицательно заряженные частицы, и измерил для них отношение заряда к массе. Так был открыт первый из элементарных «кирпичиков» материи. В 1906 году Томсон получил за эту работу Нобелевскую премию. Он же предложил первую модель атома, которую физики остроумно прозвали «кекс с изюмом». Томсон представлял себе атом в виде положительно заряженного шарика – «кекса», в который погружены изюминки-электроны. Из какой материи вылеплен этот «кекс», оставалось загадкой. Впоследствии эта модель была опровергнута Резерфордом (см. 7 марта).
Сын Томсона Джордж тоже стал физиком и Нобелевским лауреатом. Ровно через 30 лет после открытия электрона-частицы он доказал, что электрон обладает волновыми свойствами (см. 6 января). Так электрон «обеспечил» Нобелевские премии и отцу, и сыну.
Из тех, кто работал в Кавендише под руководством Дж. Дж. Томсона, семеро стали Нобелевскими лауреатами.
30 апреля
Единые единицы
30 апреля 1917 года метрическая система введена как обязательная в Российской империи.
Всего лишь 200 лет назад единицы измерения не были стандартизованы. В разных странах применяли разные единицы, что затрудняло научное общение. Первым международным стандартом стало принятие в 1795 году метрической системы, основанной на использовании метра и грамма (см. 7 апреля).
В любой системе единиц различают основные единицы, которые задаются эталонами, и производные единицы, которые можно выразить через основные. Минимальное число основных единиц равно семи. Выбрать эту семерку основных можно по-разному. Сейчас наиболее распространена Международная система единиц, которая называется СИ (система интернациональная). Она была принята в 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам. В этой системе основными единицами являются: метр (длина), секунда (время), килограмм (масса), ампер (сила тока), кельвин (температура), моль (количество вещества), кандела (сила света). Международные эталоны основных единиц хранило Международное бюро мер и весов в Париже.
