Ганс Бете

Фотографія Ганс Бете (photo Hans Bete)

Hans Bete

  • День народження: 02.07.1906 року
  • Вік: 98 років
  • Місце народження: Страсбург, Німеччина
  • Дата смерті: 06.03.2005 року
  • Громадянство: США

Біографія

Німецько-американський фізик Ханс Альбрехт Бете народився в Страсбурзі, Ельзас-Лотарингія (тоді входила до Німеччини), і був єдиною дитиною у Альбрехта Теодора Юліуса Бете, видною фізіолога і професора медицини, і Ганни (в дівоцтві Кюн) Бете з сім’ї професора. З 1915 по 1924 р. Б. навчався в гімназії Гете у Франкфурті-на-Майні, після чого два роки був студентом Франкфуртського університету. Провчившись ще два з половиною роки в аспірантурі Мюнхенського університету під керівництвом Арнольда Зоммерфельда, який вніс великий внесок у сучасну фізику, він отримав докторський ступінь з теоретичної фізики в 1928 р.

Ще аспірантом Б. виявив інтерес до квантової механіки, її математичної теорії, що описує взаємодію між матерією і випромінюванням. Сформульована в середині 20-х роках Вернером Гейзенбергом, Ервіном Шредінгер і П. А. М. Діраком, вона стала результатом попередніх досліджень у галузі квантової теорії: Макс Планк виявив, що випромінювання не є безперервним, а складається з дискретних порцій енергії, згодом названих квантами; Альберт Ейнштейн показав, що фотони, кванти світла (електромагнітного випромінювання), при фотоелектричному ефекті діють подібно часткам; Нільс Бор застосував квантову теорію до опису атомних енергетичних рівнів, що відповідають за характеристичні спектри випускається випромінювання; нарешті, Луї де Бройль висунув сміливе припущення, якщо випромінювання (світло) може вести себе подібно частці, то і частинка може поводити себе подібно хвилі. Ідея де Бройля була експериментально підтверджена Клінтоном Дж. Дэвиссоном, який виявив хвильовий поведінку електронів. У 1927 р. Б. написав наукову статтю, присвячену дифракції електронів на кристалах, в якій для пояснення спостережень Дэвиссона використовував квантову механіку, ще не зрозуміла в той час більшістю фізиків. Б. був одним з перших учених, переконливо продемонстрували застосування нової теорії.

Отримавши докторський ступінь, Б. працював у 1928…1929 рр. викладачем фізики в університетах Франкфурта і Штутгарта. Він був призначений лектором Мюнхенського університету 1929 р., проте велику частину часу протягом наступних трьох років провів у Кембриджі (Англія), де зустрічався з Ернестом Резерфордом, і в Римі, де працював з Енріко Фермі. Він також налагодив контакт з Нільсом Бором. Протягом цією часу Б. розробив застосування математичного методу, відомого як теорія груп, для з’ясування квантово-механічної поведінки кристалів. Зробивши значний внесок у теорію будови атома, Б. на початку 30-х рр. почав теоретичне вивчення процесу швидкої втрати енергії частинок, що проходять крізь речовину; до цього питання він періодично повертався протягом усієї своєї наукової діяльності.

Призначений асистент-професором в Тюбінгенському університеті в 1932 р., Б., мати якого була єврейкою, втратив цю посаду’ в наступному році, після видання Гітлером, який став канцлером Німеччини, антисемітського указу. Б. залишив Німеччину у 1933 р., рік читав лекції в Манчестерському університеті в Англії, а згодом у 1934…1935 рр. став членом вченої ради Брістольського університету. У 1935 р. він став асистент-професором в університеті корнелл в Ітаці (штат Нью-Йорк), а потім і повним професором в 1937 р.

Тут Б. повернувся до вивчення ядерної фізики. У 1936 р. у співдружності з американськими фізиками Робертом Ф. Бэчером і М. С. Лівінгстоном Б. написав кілька ґрунтовних робіт, де підсумовувалися відомі до того часу результати у цій, тоді ще знаходилася у дитячому стані, області. Три випуски журналу з цими статтями тут же стали класикою і понад 20 років широко використовувалися в якості основного навчального посібника з ядерної фізики.

В 1938 р. на конференції з теоретичної фізики у Вашингтоні (округ Колумбія) увагу Б. привернув один невирішене питання про природу отримання енергії Сонцем та іншими зірками. Астрономи накопичили чимало інформації про вкрай високих температурах і інших зоряних характеристиках і прийшли до висновку, що джерело енергії повинен мати термоядерну природу. Однак вони не могли визначити реакції, які дали б кількісні характеристики, які узгоджуються з піднаглядним випромінюванням, розміром, віком та іншими властивостями зірок. Швидко освоївшись з астрономічними даними і застосувавши свої енциклопедичні знання в галузі ядерної фізики, Б. вирішив цю задачу за шість тижнів.

Вперше німецьким астрономом Карлом Фрідріхом фон Вайцзеккером був запропонований для пояснення даного питання синтез двох протонів (ядер водню, у великій кількості знаходяться всередині Сонця), при якому утворюється дейтерій (званий також важким воднем, ядро якого містить протон і нейтрон) і виділяється енергія у вигляді позитрона (позитивного електрона) і нейтрино (незарядженої частинки). Протони позитивно заряджені, а число протонів в ядрі визначає елемент (ядро водню містить один протон, але може містити і нейтрони, чия маса приблизно дорівнює масі протона, але вони не несуть заряду). При синтезі двох протонів випускається позитивна частка (позитрон), в результаті чого один з протонів перетворюється в нейтрон. Б. розглянув такі сонячні характеристики, як температура, щільність, склад, а також очікувані швидкості реакції, і підрахував, що реакція синтезу йде якраз при такій швидкості, яка забезпечує спостерігається виділення енергії Сонцем. Проте його розрахунки показували, що для зірок більш масивних, ніж Сонце, в реакції повинні брати участь більш важкі ядра.

Для масивних зірок Б. запропонував шестиступінчастий вуглецево-азотний цикл. На першому кроці вуглець з атомним вагою 12 (найбільш поширена і стійка форма вуглецю з 6 протонами і 6 нейтронами в ядрі) захоплює протон, перетворюючись в азот-13 (7 протонів, 6 нейтронів) і випромінюючи енергію у вигляді гамма-променів. Нестабільний азот-13 розпадається, випускаючи позитрон (який перетворює протон в нейтрон) і нейтрино і перетворюючись при цьому в вуглець-13 (6 протонів, 7 нейтронів). Вуглець-13 далі захоплює один з завжди наявних протонів і перетворюється в азот-14 (7 протонів, 7 нейтронів), знову випускаючи гамма-промені. Азот-14 в свою чергу захоплює протон і стає киснем-15 (8 протонів, 7 нейтронів), знову випускаючи гамма-промені. Нестабільний кисень-15 випромінює позитрон (замінюючи протон нейтроном) і нейтрино, перетворюючись в азот-15 (7 протонів, 8 нейтронів). На останньому кроці азот-15 захоплює протон, але в результаті виходить не більш важке ядро, що містить 8 протонів і 8 нейтронів, що дало б кисень-16. Замість цього утворюється два ядра: вуглець-12 і гелій-4 (2 протони, 2 нейтрона). Вуглець-12 може тепер повторити цикл, а гелій-4 поповнює зоряний запас цього газу. На кожному кроці циклу вивільняється енергія у вигляді різного роду випромінювань, які і надають зірці її яскравість. Розрахунки Б. дозволили глибше зрозуміти поведінку і еволюцію зірок.

В кінці 30 — рр. Б. продовжував свої теоретичні дослідження атомних ядер. Серед його численних досягнень було перше математичне обґрунтування того, що знову відкритий мезон міг бути пов’язаним з силою, утримує від розпаду ядра. Він також досліджував дуже складні ударні хвилі, які утворюються при вибуху, що виявилося корисним для його подальшої роботи над Манхеттенським проектом при створенні атомної бомби.

У 1941 р., незадовго до того, як США вступили в другу світову війну, Б. став американським громадянином. Протягом недовгого часу він працював над мікрохвилями і їх додатками до радіолокації в радіаційній лабораторії Массачусетського технологічного інституту, а потім в 1943 р. приєднався до Манхеттенського проекту в Лос-Аламосі (штат Нью-Мексико). Там, будучи директором відділу теоретичної фізики, він відповідав за розрахунки можливої поведінки атомної бомби. Його глибокі знання в області ядерної фізики, ударних хвиль і електромагнітної теорії зіграли істотну роль в успіху програми.

Повернувшись в Корнеллский університет у 1946 р., Б. продовжив дослідження в багатьох цікавили його областях – наприклад, зробив важливий внесок у сучасну квантову електродинаміку. Він також чимало зробив – разом з іншими вченими – для з’ясування громадською думкою тієї небезпеки, яку несе людству ядерну зброю. Він завжди був прихильником контролю над озброєннями, підтримуючи в той же час ідею використання ядерної енергії в мирних цілях. З 1956 по 1959 р. Б. служив у Президентському науково-консультативному комітеті.

У 1967 р. Б. був нагороджений Нобелівською премією з фізики «за внесок у теорію ядерних реакцій, особливо за відкриття, що стосуються джерел енергії зірок». При презентації лауреата Оскар Клейн, член Шведської королівської академії наук, зазначив широту знань Б. і сказав, що деякі з його відкриттів в області фізики, кожне окремо, заслуговували самостійної Нобелівської премії. Робота Б. над джерелами енергії зірок, сказав Клейн, «являє собою одне з найбільш важливих додатків фундаментальної фізики в наш час і веде до поглиблення наших знань про Всесвіт».

Надалі Б. вивчав розподіл матерії в нейтронних зірках, а також колапс гігантських зірок. Його дослідження по високошвидкісному входу в земну атмосферу допомогли при розробці як військових, так і цивільних космічних апаратів. Згадуючи про свою роботу в Лос-Аламосі як про «жахливо захоплююча», він виступав проти поддерживавшейся урядом програми розгортання антиракетного щита, розглядаючи її як практично нездійсненну.

У 1939 р. Б. одружився на Розі Евальд, дочки відомого німецького фізика, також покинув нацистську Німеччину. У них двоє дітей. Скромний і уважний до інших, Б. колись захоплювався лижами і гірськими сходженнями, а пізніше, як кажуть, став цікавитися економікою. Його колеги дуже поважають його за світлий розум і ретельно розробляються наукові методи.

Крім Нобелівської премії, Б. отримав урядову нагороду США – медаль «За заслуги» (1946), медаль Генрі Дрейпера американської Національної академії наук (1947), медаль Макса Планка Німецького фізичного товариства (1955), медаль Енріко Фермі Комісії з атомної енергії США (1961), медаль Еддінгтона Лондонського королівського астрономічного товариства (1963) і премію Вэнневара Буша американської Національної академії наук (1985). Він є членом Американського філософського товариства, американської Національної академії наук, Американського фізичного товариства, Американського астрономічного товариства, а також іноземним членом Лондонського королівського товариства. Він отримав почесні вчені ступені від університетів Бірмінгема і Манчестера.