Время вспять - Анатоль Абрагам

На самом деле объяснение было известно и даже давно опубликовано, но не было замечено из-за необыкновенной слепоты всех тех, кто до сих пор занимался этим делом. Все рассуждения велись так, как будто радиоактивные атомы находятся в газе без взаимодействий. В твердом же теле, если энергия отдачи невелика по сравнению с энергией колебаний атомов в образце (что соответствует так называемой частоте Дебая), отдачу испытывает не атом, а весь образец, унося при этом энергию R′, которая пренебрежимо мала. Это верно и для поглотителя. Понижение температуры в эксперименте Мёссбауэра уменьшало вероятность испускания или поглощения фононов одновременно с отдачей ядра, что могло бы размазать необыкновенно узкое поглощение или испускание ядерного излучения.

Замечательно, что в 1939 году, за двадцать лет до открытия Мёссбауэра, Уиллис Лэмб (Willis Lamb) опубликовал полную теорию этого эффекта, правда для нейтронов, а не для гамма-квантов, но принцип там тот же. Что еще любопытней, это то, что Мун, тот, который метал гамма-кванты пращой, советовался с Пайерлсом в связи с этой проблемой и что тот рекомендовал ему почитать статью Лэмба. Что касается самого Лэмба, когда я однажды сказал ему в шутку: «Проморгали вы еще одну Нобелевскую» (первую он получил за несколько лет до того за открытие так называемого «лэмбовского сдвига», которое привело к возрождению квантовой электродинамики), он отозвался на эту дружескую шутку с горечью; очевидно, был не прочь получить вторую.

Два американских физика повторили эксперимент Мёссбауэра, подтвердили его результаты и опубликовали их в «Physical Review Letters», что, наконец, привлекло внимание всех к этому открытию, в том числе и мое. Замечательно, что вместо того, чтобы проделать опыт на каком-нибудь другом ядре, тем более, что на многих других эффект гораздо нагляднее, чем на 191Ir, они повторили опыт на том же ядре. Они просто не поверили результатам Мессбауэра и хотели показать их ошибочность.

Невероятная тонкость мёссбауэровских линий, как они теперь называются, привела к совершенно новому методу развертки. Хорошо известно, что из-за так называемого допплер-эффекта частота Ω источника, приближающегося к поглотителю со скоростью v, покажется поглотителю смещенной на Ω (v/с), где с — скорость света. Естественная ширина мёссбауэровской линии, скажем в 57Fe, 2Д и 10-9 эВ, и ее относительное значение, X = (2Δ/Ω), где Ω = 14,4 кэВ — энергия перехода, равно X ≈ 7 10-13! Из этого следует, что изменение относительной скорости источника и поглотителя, необходимое, чтобы пройти через линию, равно ν = сХ = 3 1010 7 10-13 ≈ 0,02 см • с-1. На самом деле несовершенство решетки, спин-спиновые взаимодействия внутри образца и конечная толщина источника и поглотителя несколько расширяют линию: значение ее относительной ширины в 57Fe будет ближе к 2 • 10-12, чем к 7 • 10-13. Я привожу все эти подробности потому, что они потребуются немного позже.

Приведенные выше данные явно переводят изучение эффекта Мессбауэра в область легкой и даже ультралегкой науки. Как только я услышал об этом эффекте, я стал о нем размышлять, потому что он мне страшно понравился чисто с эстетической точки зрения, и я посвятил ему тринадцать лекций в моем первом курсе в Коллеже. Я записал лекции на французском языке. Несмотря на это, один американский издатель выпустил их отдельной книжкой. Говорят, что в нее иногда заглядывают до сих пор. Физики-ядерщики, которые пришли в большом числе на первую лекцию, скоро убедились, что эффект Мессбауэра не для них, а для физиков твердого тела.

В моей лаборатории Соломон из подручных материалов и приборов, одолженных в соседних лабораториях, смастерил за несколько дней аппарат, с помощью которого он смог наблюдать спектры некоторых соединений железа. Мое знакомство с теорией сверхтонкой структуры помогло ему в объяснении результатов. Независимо от других он обнаружил так называемый изомерный сдвиг, который, как я показал, аналогичен изотопическому сдвигу в оптических спектрах и объясняется разницей радиусов ядра в основном и в возбужденном состояниях. Я также показал, что знак квадрупольного момента ядра железа 57Fe в первом возбужденном состоянии, приводившийся в литературе, ошибочен.

Эта область физики, где собралась куча народу, довольно скоро надоела нам с Соломоном. Моим главным вкладом в эффект Мессбауэра я считаю то, что уговорил заняться им молодого одаренного французского физика Пьера Эмбера (Pierre Imbert), искавшего в ту пору тему. Сегодня его лаборатория одна из лучших в мире.

В заключение я хочу рассказать историю наблюдения с помощью эффекта Мессбауэра явления, называемого «красным смещением». Это сдвиг частоты электромагнитного излучения в гравитационном поле; он был предсказан Эйнштейном, так же как и отклонение луча света под действием гравитационного поля, которое наблюдалось впервые Эддингтоном во время солнечного затмения в 1919 году. Необыкновенная узость мёссбауэровских линий создала в первый раз возможность наблюдать воздействие гравитации на электромагнитное излучение в лаборатории. Принцип эксперимента очень прост. Представим себе источник и поглотитель гамма-лучей в земном гравитационном поле с ускорением g, первый выше второго на расстояние h. Наивно, но в общем законно можно сказать, что гамма-фотон «падает» с источника на поглотитель, что при «падении» его энергия увеличивается и что относительное значение этого увеличения, т. е. относительное значение смещения его частоты, равняется (gh/c2). В данном случае это не красное, а синее смещение; чтобы сделать его красным, достаточно поменять местами источник и поглотитель. Для высоты в двадцать метров красное смещение 2 10-15, т. е. приблизительно одна тысячная относительной ширины мёссбауэровской линии в 57Fe.

Возникает вопрос: возможно ли наблюдать (и измерять) смещение линии, равное одной тысячной ее ширины? Роберт Паунд первый опубликовал подробное обсуждение возможности подобного эксперимента, который он намеревался осуществить в своей лаборатории. Ввиду интереса, который возбуждает в широкой публике все, связанное с теорией относительности, этим предложением заинтересовалась пресса, и «Нью-Йорк Таймс» взяла у Паунда интервью, которое появилось на первой странице газеты. В среде физиков поднялся гвалт: «Не он-де один придумал этот эксперимент, и неприлично выскакивать вперед, да еще на страницах газеты, с тем, что пока еще является лишь неосуществленным проектом». Паунда эти нападки очень огорчили, но, как увидим ниже, он взял блестящий реванш.