ядерная реакция происходит между двумя заряженными частицами — дейтоном и протоном. Обычно такие реакции происходят с заметной вероятностью только в том случае, если энергия сталкивающихся частиц достаточно велика, чтобы преодолеть электростатическое («кулоновское») отталкивание положительно заряженных ядер («одноименно заряженные тела отталкиваются» выучили мы из школьного курса, в памяти сразу встают разошедшиеся листочки электроскопа). Одна из возможностей — термоядерная реакция (вот и произнесено слово, столь существенное в судьбе автора этой книги). При этом ядерная реакция происходит при такой температуре, когда энергия теплового движения достаточна для преодоления отталкивания ядер. В случае изотопов водорода (H — протон, D — дейтон, T — тритон) это — температура порядка нескольких килоэлектронвольт (Кэв) и больше, для многозарядных ядер всех остальных элементов — «порог» во много раз выше (поэтому, в частности, в термоядерном оружии используются только термоядерные реакции между изотопами водорода). 1 Кэв — один килоэлектронвольт — принятая в астрофизике и в теории ядерного оружия единица температуры — соответствует примерно 10 млн. градусов Кельвина. Температура в центре солнца приблизительно 1,5 Кэв, т. е. пятнадцать миллионов градусов.
При лабораторных исследованиях ядерных реакций заряженных ядер одна из сталкивающихся частиц ускоряется электрическим полем, вторая помещается в так называемой мишени (твердой или газообразной). Это — вторая возможность осуществления ядерной реакции между заряженными ядрами. Франк указал третью возможность. Молекулярный мезоион, состоящий из протона, дейтона и отрицательно заряженного мю- мезона, по своему строению аналогичен обычному молекулярному иону (протон + дейтон + электрон). Отрицательно заряженный мю-мезон или электрон скрепляют воедино систему трех тел, притягивая положительно заряженные ядра. Но так как мю-мезон имеет массу в 209 раз больше массы электрона, то размеры мезоиона в такое же число раз меньше (это соотношение подобия можно получить, приравнивая по порядку величины энергию электростатического взаимодействия и энергию нулевых квантовых колебаний). Большая часть пути ядер, на котором им приходится преодолевать взаимное отталкивание, оказывается таким образом уже пройденной; остаток пути легко преодолевается благодаря явлению квантового подбарьерного перехода. Подбарьерный переход — один из самых важных качественных эффектов в квантовой физике — был теоретически открыт и изучен Робертом Оппенгеймером в конце 20-х годов; он, в частности, лежит в основе альфа-распада, многих явлений твердого тела, спонтанного деления ядер урана и т. д.
Идея Франка была необычайно остроумной. Но оценки, произведенные им, показывали, что так ни в коем случае нельзя объяснить результаты опытов Пауэлла, Латтэса и Окиалини. Первичная частица — не мю-мезон, а нечто новое — пи-мезон. Меня, однако, работа Франка заинтересовала совсем с другой стороны. В предложенном Франком механизме мю-мезон выступает в качестве катализатора ядерных реакций, облегчая их протекание и не расходуясь, в полной аналогии с известными из химии каталитическими реакциями. Я поставил перед собой вопрос, нельзя ли создать такие условия, при которых каждый мю-мезон (скажем, «сделанный» на ускорителе) вовлекал бы в ядерную реакцию большое число дейтонов. Попросту говоря, что будет, если в большой сосуд с дейтерием впустить пучок мю- мезонов? Я придумал название для этого предприятия — «Мю-мезонный катализ», произвел некоторые оценки — не очень обнадеживающие и далеко не исчерпывающие сложные явления, происходящие в системе, и написал отчет. Отчет был засекречен (первый засекреченный в моей жизни, кажется по инициативе Вавилова), но с работой было ознакомлено довольно большое количество людей в ФИАНе и за его пределами. Она вызвала большой интерес, но какие-либо практические выводы сделаны не были. Расскажу о дальнейшем развитии этой тематики (в котором я принимал лишь очень слабое участие). В 1956 году замечательный американский экспериментатор Алварез, используя пучок мю- мезонов от ускорителя, обнаружил на опыте предсказанную Франком реакцию. Алварез наблюдал эту реакцию в смесях, содержащих разные, довольно малые количества дейтерия. Оказалось однако, что образующийся сначала протонный мезоатом с неожиданно большой вероятностью реагирует с дейтерием, дейтон «переманивает» к себе мю-мезон, образуется мезоатом из дейтона и мю-мезона. Реакция «переманивания» идет с выделением энергии, так как энергия связи мю-мезона с тяжелым дейтоном несколько больше энергии связи с протоном. Я обсуждал этот эксперимент с Я. Б. Зельдовичем, у него было много ценных идей, я со своей стороны дал грубую оценку эффекта переманивания, в результате появилась наша совместная работа; в ней была также ссылка на мой рассекреченный к тому времени отчет.[40]
При вычислении выхода каталитической реакции на один мю-мезон надо учитывать следующие факторы: мю-мезон — нестабильная частица, он распадается за относительно очень короткое время в две миллионных секунды. Образование молекулярного иона и последующая ядерная реакция протекают не мгновенно, а за конечное время. Имеет место отравление катализатора — термин из обычной химии, в данном случае это образование мезоиона с ядром гелия. Очевидно, если мы ожидаем заметного выхода ядерной реакции, время образования молекулярного иона и время ядерной реакции должны быть много меньше времени жизни мю-мезона, а отравление должно происходить достаточно редко.
Все эти факторы тщательно анализировались. Среди тех, кто вел эти исследования в СССР — С. Герштейн, Л. Пономарев и их сотрудники. Основной вывод:
1. В чистом дейтерии нет оснований надеяться на такой выход реакции, при котором можно было бы вернуть энергию, затраченную на производство мю-мезонов.
2. В смеси дейтерия с тритием ситуация более обнадеживающая.
(Добавление 1987 г. Существуют теоретические оценки и предварительные экспериментальные результаты, дающие возможность надеяться, что в принципе не исключено, что мю-мезонный катализ явится одним из решений проблемы термоядерного синтеза (в «бридерном» варианте, о котором я рассказываю ниже в связи с магнитно- термоядерным методом решения проблемы). Реакция должна осуществляться не в жидкой фазе, как я думал в 1948 году, а в большом объеме сжатого газа.)
Экспериментальный мю-мезонный катализ в СССР изучался В. П. Джелеповым с сотрудниками (в качестве источника мю-мезонов использовался фазотрон в Дубне). В целом мю-мезонный катализ — большая область исследований, в которой занято немало людей.
В начале 1948 года сотрудник ФИАНа оптик проф. С. Л. Мандельштам (сын Л. И. Мандельштама) попросил меня произвести расчеты каких-то неравновесных процессов в плазме газового разряда, деталей я не помню. Я выполнил эти расчеты (потом они были даже опубликованы).[41] Эта работа явилась поводом для поездки в Киев на спектроскопическую конференцию, что было очень приятно. Первый в жизни полет на самолете, прекрасный город с интереснейшей архитектурой и историей, какое-то отключение от всего того, что осталось в Москве. Я ходил на некоторые заседания конференции, больше из общего любопытства, чем по деловым причинам. На конференции произошла острая стычка между ее участниками — отголосок происходивших тогда дискуссий по поводу «идеалистической квантовой химии». Критики квантовой химии утверждали, в частности, что идеалистическим является используемое в этой науке представление о суперпозиции орбит — на самом деле, если отвлечься от некоторых применявшихся тогда упрощений и «химического» языка, это было просто перенесение в химию общепризнанного в физике фундаментального квантовомеханического принципа суперпозиции состояний. Интересно, что критики идеи суперпозиции могли сказать по поводу молекулы бензола, обладающей шестерной осью симметрии, между тем как в структурной формуле — ось
