Сэр Рудольф Эрнст Пайерлс , CBE FRS ( / ˈp aɪ . ər l z / ; нем. [ˈpaɪɐls] ; 5 июня 1907 — 19 сентября 1995) был британским физиком немецкого происхождения, сыгравшим важную роль в Tube Alloys , британской программе ядерного оружия, а также в последующем Манхэттенском проекте , объединенной союзнической программе ядерной бомбы. Его некролог 1996 года в Physics Today описал его как «главного игрока в драме прорыва ядерной физики в мировые дела». [1]
Пайерлс изучал физику в Берлинском университете , Мюнхенском университете у Арнольда Зоммерфельда , Лейпцигском университете у Вернера Гейзенберга и Швейцарской высшей технической школе Цюриха у Вольфганга Паули . Получив степень доктора философии в Лейпциге в 1929 году, он стал ассистентом Паули в Цюрихе. В 1932 году ему была присуждена стипендия Рокфеллера , которую он использовал для обучения в Риме у Энрико Ферми , а затем в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета у Ральфа Х. Фаулера . Из-за своего еврейского происхождения он решил не возвращаться домой после прихода Адольфа Гитлера к власти в 1933 году, а остаться в Великобритании, где он работал с Гансом Бете в Университете Виктории в Манчестере , затем в Лаборатории Монда в Кембридже. В 1937 году Марк Олифант , недавно назначенный австралийским профессором физики в Бирмингемском университете, пригласил его на новую кафедру прикладной математики.
В марте 1940 года Пайерлс стал соавтором меморандума Фриша-Пайерлса с Отто Робертом Фришем . Эта короткая статья была первой, в которой говорилось, что можно построить атомную бомбу из небольшого количества расщепляющегося урана-235 . До этого предполагалось, что для создания такой бомбы потребуется много тонн урана, и, следовательно, ее будет непрактично строить и использовать. Статья сыграла решающую роль в разжигании интереса сначала британских, а затем и американских властей к ядерному оружию. Он также был ответственным за вербовку своего соотечественника Клауса Фукса для работы над Tube Alloys, как назывался британский проект по созданию ядерного оружия, в результате чего Пайерлс попал под подозрение, когда Фукс был разоблачен как шпион в пользу Советского Союза в 1950 году.
После войны Пайерлс вернулся в Бирмингемский университет, где он работал до 1963 года, а затем был профессором физики в Уайкхеме и членом Нового колледжа в Оксфордском университете до выхода на пенсию в 1974 году. [2] В Бирмингеме он работал над ядерными силами , рассеянием , квантовыми теориями поля , коллективным движением в ядрах , теорией переноса и статистической механикой , а также был консультантом Исследовательского центра атомной энергии в Харвелле. Он получил множество наград, включая рыцарское звание в 1968 году, и написал несколько книг, включая Квантовую теорию твердых тел , Законы природы (1955), Сюрпризы в теоретической физике (1979), Еще сюрпризы в теоретической физике (1991) и автобиографию, Перелетная птица (1985). Обеспокоенный ядерным оружием, которое он помог создать, он работал над « Бюллетенем ученых-атомщиков» , был президентом Ассоциации ученых-атомщиков Великобритании и участвовал в Пагуошском движении .
Рудольф Эрнст Пайерлс родился в берлинском пригороде Обершёневайде , младший из трёх детей инженера-электрика Генриха Пайерлса из семьи еврейских торговцев. Его отец был управляющим директором кабельной фабрики Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (AEG), а его мать была первой женой его отца Элизабет ( урождённая Вайгерт). У Рудольфа был старший брат Альфред и старшая сестра Энни. [3] Его мать умерла от лимфомы Ходжкина в 1921 году, [4] а его отец женился на Эльзе Герман, свояченице драматурга Людвига Фульда . [5] Семья была еврейской, но ассимилированной , и Пайерлс и его братья и сестры были крещены как лютеране . [3] Когда он достиг совершеннолетия, Пайерлс покинул церковь. [6]
Пайерлс начал школу на год позже, потому что ему были нужны очки, и его родители не верили, что он не потеряет их или не сломает. После двух лет в местной подготовительной школе он поступил в местную гимназию , гимназию Гумбольдта , где провел следующие девять лет, сдав экзамены на аттестат зрелости в 1925 году. [7] Он хотел изучать инженерное дело, но его родители, сомневавшиеся в его практических способностях, предложили вместо этого физику. [5] Он поступил в Берлинский университет , где слушал лекции Макса Планка , Вальтера Боте и Вальтера Нернста . Среди его однокурсников были Курт Хирш и Кете Шперлинг . Лабораторные классы по физике были переполнены, поэтому студентам первого года обучения рекомендовали вместо этого изучать теоретические курсы физики. Пайерлс обнаружил, что ему нравится этот предмет. [8]
В 1926 году Пайерлс решил перевестись в Мюнхенский университет , чтобы учиться у Арнольда Зоммерфельда , который считался величайшим учителем теоретической физики. Среди его однокурсников были Ганс Бете , Герман Брюк и Уильям В. Хьюстон . [9] В то время теория Бора-Зоммерфельда была опровергнута новой квантовой механикой Вернера Гейзенберга и Поля Дирака . [10] В 1928 году Зоммерфельд отправился в кругосветное путешествие. По его совету Пайерлс перешел в Лейпцигский университет , где Гейзенберг был назначен на кафедру в 1927 году. [5] [11]
Гейзенберг поручил Пайерлсу исследовательский проект по ферромагнетизму . Было известно, что это было вызвано спином электронов в металле, выстраивающимся в ряд; но причина этого была неизвестна. Гейзенберг подозревал, что это было вызвано квантово-механическим эффектом, вызванным принципом исключения Паули . [12] Пайерлс не смог развить теорию, но работа над эффектом Холла была более продуктивной. Аномальный эффект Холла не мог быть объяснен классической теорией металлов, и Гейзенберг почувствовал возможность продемонстрировать, что квантовая механика может объяснить его. Пайерлс смог это сделать, что привело к его первой опубликованной статье. [13]
Гейзенберг уехал в 1929 году, чтобы читать лекции в Америке, Китае, Японии и Индии, [13] и по его рекомендации Пайерлс перешел в Швейцарскую высшую техническую школу Цюриха , где он учился у Вольфганга Паули . Паули поставил перед ним задачу исследования колебаний атомов в кристаллической решетке. Пайерлс исследовал — и дал ему название — явление рассеяния перебросом . Он представил эту работу в качестве своей докторской диссертации, Zur kinetischen Theorie der Wärmeleitung in Kristallen (Кинетическая теория теплопроводности в кристаллах), [14] которая была принята Лейпцигским университетом в 1929 году. [15] Его теория делала конкретные предсказания поведения металлов при очень низких температурах, но прошло еще двадцать лет, прежде чем были разработаны методы для их экспериментального подтверждения. [3]
Пайерлс принял предложение Паули стать его помощником вместо Феликса Блоха . В это время там был Лев Ландау , получавший стипендию от правительства Советского Союза , и Пайерлс и Ландау стали друзьями. Они сотрудничали в выводе ряда волновых уравнений, подобных уравнению Шредингера для фотонов . К сожалению, их уравнения, хотя и были сложными, были бессмысленными. [16] В 1930 году Пайерлс отправился в Нидерланды, чтобы встретиться с Гансом Крамерсом , и в Копенгаген , чтобы встретиться с Нильсом Бором . [17]
В августе 1930 года Паули и Пайерлс посетили физический конгресс в Одессе и познакомились с молодой выпускницей физического факультета Евгенией (Геней) Николаевной Каннегиссер, которая, как и Ландау, приехала из Ленинграда . Поскольку он не говорил по-русски, а она — по-немецки, они общались на английском языке. [16] Во время последующего визита Пайерлса с лекциями в Ленинград они поженились 15 марта 1931 года. [18] Однако ей пришлось ждать паспорта и выездной визы. В конце концов, тем летом они уехали в Цюрих. У них было четверо детей: Габи Эллен (р. 1933), Рональд Франк (р. 1935), Кэтрин (Китти; р. 1948) и Джоанна (р. 1949). [3]
Пайерлс помогал Эгону Оровану в понимании силы, необходимой для перемещения дислокации , которая была расширена Фрэнком Набарро и названа силой Пайерлса–Набарро . В 1929 году он изучал физику твердого тела в Цюрихе под руководством Гейзенберга и Паули. Его ранние работы по квантовой физике привели к теории положительных носителей для объяснения поведения тепло- и электропроводности полупроводников . Он был пионером концепции «дырок» в полупроводниках. [19] Он установил «зоны» до Леона Бриллюэна , несмотря на то, что имя Бриллюэна в настоящее время связано с этой идеей, и применил ее к фононам . Делая это, он открыл уравнения Больцмана для фононов и процесс переброса . [1] Он представил работу по этой теме для своей хабилитации , получив право преподавать в немецких университетах. [20] Physics Today отметил, что «Его многочисленные работы об электронах в металлах теперь настолько глубоко вошли в литературу , что трудно определить его вклад в проводимость в магнитных полях и в концепцию дырки в теории электронов в твердых телах ». [1]
В 1932 году Пайерлс получил стипендию Рокфеллера для обучения за границей, которую он использовал для обучения в Риме у Энрико Ферми , а затем в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в Англии у Ральфа Х. Фаулера . [21] В Риме Пайерлс завершил две работы по электронной зонной структуре , в которых он ввел замещение Пайерлса и вывел общее выражение для диамагнетизма в металлах при низких температурах. Это дало объяснение до сих пор загадочным свойствам висмута , в котором диамагнитные свойства были более выражены, чем в других металлах. [22] [23] [24]
Из-за прихода Адольфа Гитлера к власти в Германии, он решил не возвращаться домой в 1933 году, а остаться в Великобритании. Он отклонил предложение Отто Штерна о должности в Гамбургском университете . Получив разрешение остаться в Великобритании, он работал в Университете Виктории в Манчестере при финансовой поддержке Совета по академической помощи , который был создан для помощи академическим беженцам из Германии и других фашистских стран. [25] Большая часть его ближайших родственников также покинула Германию; его брат и его семья поселились в Великобритании, а его сестра и ее семья вместе с отцом и мачехой переехали в Соединенные Штаты, где жил его дядя Зигфрид. [26]
Пайерлс сотрудничал с Бете по фотораспаду и статистической механике сплавов , когда Джеймс Чедвик бросил ему вызов . Их результаты до сих пор служат основой для теорий среднего поля структурных фазовых изменений в полных сплавах . [22] Хотя большая часть его работы по-прежнему была посвящена электронной теории металлов, он также рассматривал теорию дырок Дирака , [27] и написал статью в соавторстве с Бете по нейтрино . [28] Университет Манчестера присвоил ему степень доктора наук . [29] Вернувшись в Кембридж, он работал с Дэвидом Шенбергом в Мондовской лаборатории по сверхпроводимости и жидкому гелию . [27] Чтобы позволить ему читать лекции, в соответствии со своими правилами, колледж Святого Иоанна в Кембридже присвоил ему степень магистра искусств ex officio . [30]
В 1936 году Марк Олифант был назначен профессором физики в Университете Бирмингема , и он обратился к Пайерлсу по поводу новой кафедры прикладной математики, которую он там создавал. (Прикладная математика — это то, что сегодня называется теоретической физикой.) Пайерлс получил работу, несмотря на конкуренцию со стороны Гарри Мэсси и Гарри Джонса . Это назначение наконец дало Пайерлсу надежную, постоянную должность. [31] Среди его учеников были Фред Хойл и П. Л. Капур, студент из Индии. [32] С Капуром он вывел дисперсионную формулу для ядерных реакций, первоначально данную в теории возмущений Грегори Брейтом и Юджином Вигнером , но теперь включавшую обобщающие условия. Теперь это известно как вывод Капура–Пайерлса. Он все еще используется, но в 1947 году Вигнер и Леонард Эйзенбуд разработали более широко используемый альтернативный метод. [32] [33] В 1938 году Пайерлс посетил Копенгаген, где он сотрудничал с Бором и Джорджем Плачеком над статьей о том, что сейчас известно как соотношение Бора-Пайерлса-Плачека . Вторая мировая война началась до того, как она была опубликована; но черновики были распространены для комментариев, и она стала одной из самых цитируемых неопубликованных статей всех времен. [34]
После начала Второй мировой войны в сентябре 1939 года Пайерлс начал работать над исследованиями ядерного оружия с Отто Робертом Фришем , таким же беженцем из Германии. По иронии судьбы, их исключили из работы над радаром в Университете Бирмингема, потому что это считалось слишком секретным для ученых, которые были вражескими иностранцами . [35] Пайерлс был натурализован как британский подданный 27 марта 1940 года. [36] Он стремился участвовать в борьбе с фашизмом и милитаризмом, но единственной организацией, которая приняла его, была Вспомогательная пожарная служба . [37] Он принял предложение Университета Торонто отправить своих двух детей жить с семьей в Канаду. [38]
В феврале и марте 1940 года Пайерлс и Фриш стали соавторами меморандума Фриша–Пайерлса , который Пайерлс напечатал. Эта короткая статья была первой, в которой было установлено, что атомная бомба может быть создана из небольшого количества расщепляющегося урана-235 . На основе имеющейся информации они подсчитали, что потребуется менее 1 кг. Истинная цифра для критической массы примерно в четыре раза больше; но до тех пор предполагалось, что такая бомба потребует много тонн урана, и, следовательно, будет непрактичной для создания и использования. Они продолжили оценивать размер взрыва и его физические, военные и политические последствия. [39] [40]
Меморандум Фриша-Пайерлса сыграл решающую роль в разжигании интереса сначала британских, а затем и американских властей к атомному оружию. В 1941 году его выводы попали в Соединенные Штаты через отчет Комитета MAUD , что стало важным толчком к созданию Манхэттенского проекта и последующей разработке атомной бомбы. С меморандумом Фриша-Пайерлса и отчетом Комитета MAUD британские и американские ученые смогли начать думать о том, как создать бомбу, а не о том, возможно ли это. [41]
Как враждебные иностранцы, Фриш и Пайерлс были первоначально исключены из Комитета MAUD, но абсурдность этого вскоре была признана, и они были сделаны членами его Технического подкомитета. [42] Это не означало, что они были допущены к работе с радаром. Когда Олифант предоставил услуги своего секретаря для набора документов Пайерла и Фриша для Комитета MAUD в сентябре 1940 года, им не разрешили войти в здание Наффилда, где она работала, поэтому Пайерлс представил их для набора на диктофоне на восковых цилиндрах. Фриш и Пайерлс сначала думали, что обогащение урана лучше всего достигается путем термической диффузии , но когда трудности с этим подходом стали более очевидными, они перешли на газовую диффузию , пригласив другого беженца из Германии, Франца Симона , в качестве эксперта по этому вопросу. [43] Пайерлс также нанял еще одного беженца из Германии, Клауса Фукса , в качестве своего помощника в мае 1941 года . [44]
В результате выводов Комитета MAUD был создан новый директорат, известный как Tube Alloys, для координации усилий по разработке ядерного оружия. Сэр Джон Андерсон , лорд-президент Совета , стал ответственным министром, а Уоллес Эйкерс из Imperial Chemical Industries (ICI) был назначен директором Tube Alloys. Пайерлс, Чедвик и Саймон были назначены в его Технический комитет, который возглавил Эйкерс. На его первом заседании в ноябре 1941 года [45] присутствовали два американских гостя, Гарольд Юри и Джордж Б. Пеграм [46] . Позже в том же году Пайерлс вылетел в Соединенные Штаты, где он посетил Юри и Ферми в Нью-Йорке, Артура Х. Комптона в Чикаго, Роберта Оппенгеймера в Беркли и Джесси Бимса в Шарлоттсвилле, Вирджиния . [47] Когда Джордж Кистяковски утверждал, что ядерное оружие не нанесет большого ущерба, поскольку большая часть энергии будет потрачена на нагревание воздуха, Пайерлс, Фукс, Джеффри Тейлор и Дж. Г. Кинч разработали гидродинамику , чтобы опровергнуть это. [48]
Подписание Квебекского соглашения 19 августа 1943 года объединило Tube Alloys с Манхэттенским проектом. [49] Эйкерс уже телеграфировал в Лондон с инструкциями, что Чедвик, Пайерлс, Олифант и Саймон должны немедленно отправиться в Северную Америку, чтобы присоединиться к британской миссии в Манхэттенском проекте , и они прибыли в день подписания соглашения. [50] Саймон и Пайерлс были прикреплены к корпорации Kellex , которая занималась проектом K-25 , проектируя и строя американский газодиффузионный завод. [51] В то время как Kellex располагался в здании Вулворта , Пайерлс, Саймон и Николас Курти имели свои офисы в британской миссии по снабжению на Уолл-стрит . [52] К ним присоединились Тони Скирм и Фрэнк Киртон , которые прибыли в марте 1944 года. Курти вернулся в Англию в апреле 1944 года, а Киртон в сентябре. [51] Пайерлс перешел в Лос-Аламосскую лабораторию в феврале 1944 года; Скирм последовал за ним в июле, а Фукс — в августе. [53]
В Лос-Аламосе британская миссия была полностью интегрирована в лабораторию, и британские ученые работали в большинстве ее подразделений, за исключением химии плутония и металлургии. [54] Когда Оппенгеймер назначил Бете главой престижного Теоретического (Т) отдела лаборатории, он оскорбил Эдварда Теллера , которому была предоставлена собственная группа, которой было поручено исследовать «супер» бомбу Теллера . Затем Оппенгеймер написал директору Манхэттенского проекта, бригадному генералу Лесли Р. Гровсу-младшему , с просьбой направить Пайерлса на место Теллера в отделе Т. [55] Пайерлс прибыл из Нью-Йорка 8 февраля 1944 года [53] и впоследствии сменил Чедвика на посту главы британской миссии в Лос-Аламосе. [56]
Пайерлс также стал лидером группы T-1 (Implosion) [57] [58] и поэтому отвечал за разработку взрывных линз, используемых в ядерном оружии имплозивного типа для фокусировки взрыва на сферической форме. [59] Он регулярно отправлял отчеты Чедвику, главе британской миссии в Манхэттенском проекте в Вашингтоне, округ Колумбия. Когда Гроувс узнал об этом, он попросил Пайерлса отправлять ему отчеты тоже. [60] Пайерлс был одним из тех, кто присутствовал на ядерном испытании Trinity 16 июля 1945 года. [61] Он вернулся в Англию в январе 1946 года. [62] За свои заслуги в проекте ядерного оружия он был назначен Командором Ордена Британской империи в новогодних почестях 1946 года [63] и был награжден Медалью Свободы США с Серебряной пальмовой ветвью в 1946 году. [64]
Пайерлс был ответственен за вербовку Фукса в британский проект, действие, которое должно было привести к тому, что Пайерлс попал под подозрение, когда Фукс был разоблачен как советский шпион в 1950 году. В 1999 году The Spectator вызвал возмущение семьи Пайерлса, когда опубликовал статью журналиста Николаса Фаррелла, в которой утверждалось, что Пайерлс был шпионом Советского Союза. [65] [66] Статья была основана на информации, предоставленной историком разведки Найджелом Уэстом , который идентифицировал Пайерлса как шпиона под кодовым именем «Фогель», а затем «Перс» в перехватах «Веноны» , а его жену Женю как шпиона под кодовым именем «Тина». [67] Однако ассоциация Тины с Дженией не соответствовала тому, что было известно о Тине, и в 1999 году было окончательно раскрыто, что она была Мелитой Норвуд. Пайерлс также не соответствовал Персу, поскольку последний работал в инженерном заводе Клинтона , тогда как Пайерлс там не работал. [68]
У послевоенных разведывательных агентств были веские причины подозревать Пайерлса. Он не только завербовал Фукса и был его «спонсором» по вопросам вербовки и безопасности, [67] но и надавил на власти, чтобы Фукс получил полный допуск к секретной информации, без которого он не мог помогать Пайерлсу в его работе. Фукс некоторое время жил с семьей Пайерлса. [69] У Пайерлса была русская жена, как и у его брата, и он поддерживал тесные контакты с коллегами в Советском Союзе до и после Второй мировой войны. [70]
Хотя Пайерлс и не был коммунистом , как Фукс, он был известен своими левыми политическими взглядами [71] и имел коллег с похожими взглядами. [72] Ему было отказано в визе для посещения Соединенных Штатов для участия в конференции по ядерной физике в Чикаго в 1951 году. Похожая просьба на следующий год была удовлетворена [73] , но в 1957 году американцы выразили обеспокоенность по его поводу, указав, что они не желают делиться информацией с Исследовательским центром атомной энергии в Харвелле, пока он остается консультантом. [3]
Физики были востребованы после войны, и Пайерлс получил предложения от нескольких университетов. [74] Он серьезно рассматривал предложение о должности в Кембридже от Уильяма Лоуренса Брэгга , но решил вернуться в Бирмингем. [75] Он работал над ядерными силами , рассеянием , квантовыми теориями поля , коллективным движением в ядрах , теорией переноса и статистической механикой . [1] Пайерлс в значительной степени оставил физику твердого тела позади, когда в 1953 году он начал собирать свои лекционные заметки по этому предмету в книгу. Пересматривая способ расположения атомов в металлических кристаллах, он отметил нестабильность. Это стало известно как переход Пайерлса . [76]
Пайерлс создал физический факультет в Бирмингеме, привлекая высококлассных исследователей. Среди них были Джеральд Э. Браун , Макс Крук , Тони Скирм , Дик Далитц , Фримен Дайсон , Луиджи Ариальдо Радикати ди Брозоло , Стюарт Батлер , Уолтер Маршал , Стэнли Мандельстам и Эллиотт Х. Либ . [77] Была создана бакалавриат математической физики. Пайерлс читал лекции по квантовой механике, предмету, который не преподавался в Бирмингеме до войны. [78]
В 1946 году Пайерлс стал консультантом Исследовательского центра атомной энергии в Харвелле . После того, как Фукс был уволен с должности главы Отдела теоретической физики в 1950 году, Морис Прайс исполнял обязанности на неполной ставке, но когда он уехал в Америку на год в академический отпуск, Пайерлс занял его место. В конце концов, должность была окончательно занята Брайаном Флауэрсом . [79] Пайерлс ушел из Харвелла в 1957 году из-за того, что он считал отсутствием открытости в проверке безопасности по просьбе американцев, что, по его мнению, указывало на отсутствие доверия к нему со стороны старшего персонала; но его пригласили вернуться в 1960 году, и он сделал это в 1963 году, оставаясь консультантом еще 30 лет. [80]
Пайерлс стал профессором физики в Уайкхеме в Оксфордском университете в 1963 году. Он оставался там до выхода на пенсию в 1974 году. [3] Он написал несколько книг, включая «Квантовую теорию твердых тел» (1955), «Законы природы» (1955), «Сюрпризы в теоретической физике» (1979), «Больше сюрпризов в теоретической физике» (1991) и автобиографию « Перелетная птица» (1985). Обеспокоенный ядерным оружием, которое он помог выпустить на свободу, он работал над « Бюллетенем ученых-атомщиков », был президентом Ассоциации ученых-атомщиков в Великобритании и участвовал в движении Пагуош [1] и движении FREEZE, теперь известном как Saferworld [81 ]
Джениа умерла 26 октября 1986 года. Пайерлс оставался активным, хотя его зрение ухудшилось. В 1994 году он страдал от сочетания проблем со здоровьем, включая проблемы с сердцем, почками и легкими, и переехал в Оукенхолт, дом престарелых недалеко от Фармура , Оксфордшир . Он любил читать научные статьи увеличенным шрифтом на экране компьютера. В 1995 году его здоровье продолжало ухудшаться, [82] и ему требовались регулярные сеансы диализа почек в больнице Черчилля , где он и умер 19 сентября 1995 года. [3]
Пайерлс был посвящен в рыцари в честь Дня рождения в 1968 году . [83] Он был награжден Мемориальной медалью Резерфорда в 1952 году, [84] Королевской медалью в 1959 году, [85] медалью Лоренца в 1962 году, [86] медалью Макса Планка в 1963 году, [87] медалью и премией Гатри в 1968 году, [3] медалью Маттеуччи в 1982 году, [88] и премией Энрико Ферми от правительства Соединенных Штатов за исключительный вклад в науку об атомной энергии в 1980 году. [89]
В 1986 году он был награжден медалью Копли и прочитал лекцию памяти Резерфорда [90] , а в 1991 году он был награжден медалью и премией Дирака [3] . 2 октября 2004 года здание, в котором размещался факультет теоретической физики Оксфордского университета, было официально названо Центром теоретической физики имени сэра Рудольфа Пайерлса [91] .
опубликовано как Los Alamos Report LAMS-2532