Артур Холли Комптон: Жизнь и открытия американского физика

Введение

Американский физик (1892–1962)

Артур Холли Комптон (10 сентября 1892 – 15 марта 1962) — американский физик, удостоенный Нобелевской премии по физике в 1927 году за открытие в 1923 году эффекта Комптона, продемонстрировавшего корпускулярную природу электромагнитного излучения. Это было сенсационное открытие для своего времени: волновая природа света была хорошо установлена, однако идея о том, что свет обладает одновременно волновыми и корпускулярными свойствами, не находила лёгкого признания. Он также известен своим руководством Металлургической лабораторией Чикагского университета в рамках Манхэттенского проекта и занимал должность канцлера Вашингтонского университета в Сент-Луисе с 1945 по 1953 год. В 1919 году Комптон был удостоен одной из первых двух стипендий Национального исследовательского совета, предоставлявших возможность обучения за рубежом. Он выбрал лабораторию Кавендиша в Кембриджском университете в Англии, где изучал рассеяние и поглощение гамма-лучей. Последующие исследования в этой области привели к открытию эффекта Комптона. Он использовал рентгеновские лучи для изучения ферромагнетизма, придя к выводу, что он обусловлен выравниванием спинов электронов, и исследовал космические лучи, установив, что они состоят преимущественно из положительно заряженных частиц. Во время Второй мировой войны Комптон был ключевой фигурой в Манхэттенском проекте, разрабатывавшем первое ядерное оружие. Его доклады сыграли важную роль в запуске проекта. В 1942 году он вошёл в состав исполнительного комитета, а затем возглавил проекты "X", курировавшие Металлургическую лабораторию, ответственную за создание ядерных реакторов для преобразования урана в плутоний, разработку методов разделения плутония и урана, а также конструирование атомной бомбы. Комптон руководил созданием Энрико Ферми Чикагского столба-1, первого ядерного реактора, достигшего критического состояния 2 декабря 1942 года. Металлургическая лаборатория также отвечала за проектирование и эксплуатацию графитового реактора X-10 в Оук-Ридже, штат Теннесси. Производство плутония на реакторах в Ханфорде началось в 1945 году. После войны Комптон стал канцлером Вашингтонского университета в Сент-Луисе. В период его пребывания в должности университет официально отменил сегрегацию в своих бакалаврских программах, назначил первую женщину на должность профессора и принял рекордное количество студентов после возвращения ветеранов войны в Соединенные Штаты.

Arthur Holly Compton (September 10, 1892 – March 15, 1962) was an American physicist who won the Nobel Prize in Physics in 1927 for his 1923 discovery of the Compton effect, which demonstrated the particle nature of electromagnetic radiation. It was a sensational discovery at the time: the wave nature of light had been well demonstrated, but the idea that light had both wave and particle properties was not easily accepted. He is also known for his leadership over the Metallurgical Laboratory at the University of Chicago during the Manhattan Project, and served as chancellor of Washington University in St. Louis from 1945 to 1953. In 1919, Compton was awarded one of the first two National Research Council Fellowships that allowed students to study abroad. He chose to go to the University of Cambridge's Cavendish Laboratory in England, where he studied the scattering and absorption of gamma rays. Further research along these lines led to the discovery of the Compton effect. He used X rays to investigate ferromagnetism, concluding that it was a result of the alignment of electron spins, and studied cosmic rays, discovering that they were made up principally of positively charged particles. During World War II, Compton was a key figure in the Manhattan Project that developed the first nuclear weapons. His reports were important in launching the project. In 1942, he became a member of the executive committee, and then head of the "X" projects overseeing the Metallurgical Laboratory, with responsibility for producing nuclear reactors to convert uranium into plutonium, finding ways to separate the plutonium from the uranium and to design an atomic bomb. Compton oversaw Enrico Fermi's creation of Chicago Pile 1, the first nuclear reactor, which went critical on December 2, 1942. The Metallurgical Laboratory was also responsible for the design and operation of the X 10 Graphite Reactor at Oak Ridge, Tennessee. Plutonium began being produced in the Hanford Site reactors in 1945. After the war, Compton became chancellor of Washington University in St. Louis. During his tenure, the university formally desegregated its undergraduate divisions, named its first female full professor, and enrolled a record number of students after wartime veterans returned to the United States.

Ранние годы

Артур Комптон родился 10 сентября 1892 года в Вустере, штат Огайо, как сын Элиаса и Отелии Кэтрин (урождённой Аугсбургер) Комптон, которая в 1939 году была удостоена звания «Американская мать года» и происходила из семьи немецких меннонитов. Они были представителями академической семьи. Элиас был деканом Вустерского университета (позднее Вустерского колледжа), в котором также учился Артур. Старший брат Артура, Карл, также окончивший Вустер, получил степень доктора философии (PhD) по физике в Принстонском университете в 1912 году и занимал пост президента Массачусетского технологического института с 1930 по 1948 год. Его второй брат, Уилсон, также учился в Вустере, получил докторскую степень по экономике в Принстоне в 1916 году и был президентом Государственного колледжа Вашингтона, позднее Вашингтонского государственного университета, с 1944 по 1951 год. Все трое братьев были членами братства Альфа Тау Омега. Комптон изначально интересовался астрономией и в 1910 году сделал фотографию кометы Галлея. Около 1913 года он описал эксперимент, в котором изучение движения воды в круговой трубке продемонстрировало вращение Земли; это устройство теперь известно как генератор Комптона. В том же году он окончил Вустер со степенью бакалавра наук и поступил в Принстон, где в 1914 году получил степень магистра искусств. Когда Артур Комптон получил докторскую степень в 1916 году, он, Карл и Уилсон стали первой группой из трёх братьев, получивших докторскую степень PhD в Принстоне. Позже они стали первой такой троицей, одновременно возглавлявшей американские колледжи. Их сестра Мэри вышла замуж за миссионера К. Герберта Райса, который стал директором христианского колледжа Формана в Лахоре. В июне 1916 года Комптон женился на Бетти Чэрити МакКлоски, однокласснице и сокурснице по Вустерскому колледжу. У них родились два сына: Артур Алан Комптон и Джон Джозеф Комптон. Комптон провёл год в качестве преподавателя физики в Университете Миннесоты в 1916–1917 годах, затем два года работал инженером-исследователем в компании Westinghouse Lamp Company в Питтсбурге, где занимался разработкой натриевых ламп. Во время Первой мировой войны он разрабатывал приборы для авиации для Корпуса связи. В 1919 году Комптон был удостоен одной из первых двух стипендий Национального исследовательского совета, позволявших студентам учиться за границей. Он выбрал лабораторию Кавендиша Кембриджского университета в Англии. Работая с Джорджем Пейджетом Томсоном, сыном Дж. Дж. Томсона, Комптон изучал рассеяние и поглощение гамма-лучей. Он заметил, что рассеянные лучи поглощались легче, чем исходный источник. Комптон был глубоко впечатлён учёными Кавендиша, особенно Эрнестом Резерфордом, Чарльзом Гальтоном Дарвином и Артуром Эддингтоном, и впоследствии назвал своего второго сына в честь Дж. Дж. Томсона. С 1926 по 1927 год он преподавал в отделе химии Университета Пенджаба, будучи стипендиатом Гуггенхайма. В течение некоторого времени Комптон был дьяконом в баптистской церкви. «Наука не может противоречить религии, которая постулирует Бога, для которого люди – Его дети», – говорил он.

Arthur Compton was born on September 10, 1892, in Wooster, Ohio, the son of Elias and Otelia Catherine (née Augspurger) Compton, who was named American Mother of the Year in 1939 and was of German Mennonite descent. They were an academic family. Elias was dean of the University of Wooster (later the College of Wooster), which Arthur also attended. Arthur's eldest brother, Karl, who also attended Wooster, earned a Doctor of Philosophy (PhD) degree in physics from Princeton University in 1912, and was president of the Massachusetts Institute of Technology from 1930 to 1948. His second brother Wilson likewise attended Wooster, earned his PhD in economics from Princeton in 1916 and was president of the State College of Washington, later Washington State University from 1944 to 1951. All three brothers were members of the Alpha Tau Omega fraternity. Compton was initially interested in astronomy, and took a photograph of Halley's Comet in 1910. Around 1913, he described an experiment where an examination of the motion of water in a circular tube demonstrated the rotation of the earth, a device now known as the Compton generator. That year, he graduated from Wooster with a Bachelor of Science degree and entered Princeton, where he received his Master of Arts degree in 1914. When Arthur Compton earned his PhD in 1916, he, Karl and Wilson became the first group of three brothers to earn Ph. D. s from Princeton. Later, they would become the first such trio to simultaneously head American colleges. Their sister Mary married a missionary, C. Herbert Rice, who became the principal of Forman Christian College in Lahore. In June 1916, Compton married Betty Charity McCloskey, a Wooster classmate and fellow graduate. They had two sons, Arthur Alan Compton and John Joseph Compton. Compton spent a year as a physics instructor at the University of Minnesota in 1916–17, then two years as a research engineer with the Westinghouse Lamp Company in Pittsburgh, where he worked on the development of the sodium vapor lamp. During World War I he developed aircraft instrumentation for the Signal Corps. In 1919, Compton was awarded one of the first two National Research Council Fellowships that allowed students to study abroad. He chose to go to the University of Cambridge's Cavendish Laboratory in England. Working with George Paget Thomson, the son of J. J. Thomson, Compton studied the scattering and absorption of gamma rays. He observed that the scattered rays were more easily absorbed than the original source. Compton was greatly impressed by the Cavendish scientists, especially Ernest Rutherford, Charles Galton Darwin and Arthur Eddington, and he ultimately named his second son after J. J. Thomson. From 1926 to 1927, he taught at the department of chemistry of the University of the Punjab where he was a Guggenheim Fellow. For a time Compton was a deacon at a Baptist church. "Science can have no quarrel", he said, "with a religion which postulates a God to whom men are as His children."

Космические лучи

К началу 1930-х годов Комптон заинтересовался космическими лучами. В то время их существование было известно, но их происхождение и природа оставались предметом спекуляций. Их присутствие можно было обнаружить с помощью сферической "бомбы", заполненной сжатым воздухом или аргоном, измеряя её электрическую проводимость. Поездки в Европу, Индию, Мексику, Перу и Австралию предоставили Комптону возможность измерять космические лучи на разных высотах и широтах. Вместе с другими исследовательскими группами, проводившими наблюдения по всему миру, они обнаружили, что интенсивность космических лучей на полюсах на 15% выше, чем на экваторе. Комптон связал это с тем, что космические лучи состоят преимущественно из заряженных частиц, а не из фотонов, как предполагал Роберт Милликан, а зависимость от широты объясняется магнитным полем Земли.

Манхэттенский проект

В апреле 1941 года Ванневар Буш, глава военного Комитета по исследованиям национальной обороны (NDRC), создал специальный комитет во главе с Комптоном для подготовки отчета о программе NDRC по урану. В отчете Комптона, представленном в мае 1941 года, рассматривались перспективы разработки радиологического оружия, ядерной двигательной установки для кораблей и ядерного оружия на основе урана-235 или недавно открытого плутония. В октябре он подготовил еще один отчет о возможности создания атомной бомбы. Для этого отчета он работал с Энрико Ферми над расчетами критической массы урана-235, консервативно оценивая ее в пределах от 1 до 5 м. Он также обсуждал с Гарольдом Юри перспективы обогащения урана, с Юджином Вигнером – способы получения плутония в ядерном реакторе, а с Робертом Сербером – методы отделения плутония, полученного в реакторе, от урана. В его отчете, представленном в ноябре, утверждалось, что создание бомбы осуществимо, хотя он был более сдержан в оценке ее разрушительной силы, чем Марк Олифант и его британские коллеги. В окончательном варианте ноябрьского отчета Комптона не упоминалось использование плутония, но после обсуждения последних исследований с Эрнестом Лоуренсом Комптон убедился в возможности создания и плутониевой бомбы. В декабре Комптону было поручено возглавить проект по плутонию. Он надеялся добиться управляемой цепной реакции к январю 1943 года и создать бомбу к январю 1945 года. Для решения этой задачи он объединил исследовательские группы, работавшие над плутонием и проектированием ядерных реакторов в Колумбийском, Принстонском университетах и Калифорнийском университете в Беркли, в Металлургическую лабораторию в Чикаго. Ее задачами были создание реакторов для переработки урана в плутоний, разработка методов химического отделения плутония от урана, а также проектирование и создание атомной бомбы. В июне 1942 года Корпус инженеров армии США взял на себя контроль над программой ядерного оружия, и Металлургическая лаборатория Комптона стала частью Манхэттенского проекта. В том же месяце Комптон возложил ответственность за разработку бомбы на Роберта Оппенгеймера. Комптону предстояло решить, какие из различных типов реакторных конструкций, разработанных учеными Металлургической лаборатории, следует реализовать, хотя успешный реактор еще не был построен. Когда трудовые споры задержали строительство нового здания Металлургической лаборатории в заповеднике Аргоннского леса, Комптон решил построить Чикагский кувш-1, первый ядерный реактор, под трибунами стадиона Стагг Филд. Под руководством Ферми он достиг критического состояния 2 декабря 1942 года. Комптон договорился с компанией Mallinckrodt о проведении очистки урановой руды, а с DuPont – о строительстве полузавода по производству плутония в Оук-Ридже, штат Теннесси. Серьезный кризис для плутониевой программы возник в июле 1943 года, когда группа Эмилио Сегре подтвердила, что плутоний, произведенный в графитовом реакторе X-10 в Оук-Ридже, содержит высокий уровень плутония-240. Его спонтанное деление исключало возможность использования плутония в ядерном оружии пушечного типа. Лаборатория Оппенгеймера в Лос-Аламосе решила эту проблему, разработав и построив ядерное оружие имплозионного типа. В сентябре 1944 года Комптон находился на объекте в Ханфорде, наблюдая за запуском первого реактора. Первая партия урановых цилиндров была загружена в реактор B в Ханфорде в ноябре 1944 года, а поставки плутония в Лос-Аламос начались в феврале 1945 года. На протяжении всей войны Комптон оставался видным научным советником и администратором. В 1945 году он, вместе с Лоуренсом, Оппенгеймером и Ферми, вошел в состав Научной комиссии, рекомендовавшей военное применение атомной бомбы против Японии. Он был награжден Медалью за заслуги за вклад в Манхэттенский проект.

In April 1941, Vannevar Bush, head of the wartime National Defense Research Committee (NDRC), created a special committee headed by Compton to report on the NDRC uranium program. Compton's report, which was submitted in May 1941, foresaw the prospects of developing radiological weapons, nuclear propulsion for ships, and nuclear weapons using uranium 235 or the recently discovered plutonium. In October he wrote another report on the practicality of an atomic bomb. For this report, he worked with Enrico Fermi on calculations of the critical mass of uranium 235, conservatively estimating it to be between and He also discussed the prospects for uranium enrichment with Harold Urey, spoke with Eugene Wigner about how plutonium might be produced in a nuclear reactor, and with Robert Serber about how the plutonium produced in a reactor might be separated from uranium. His report, submitted in November, stated that a bomb was feasible, although he was more conservative about its destructive power than Mark Oliphant and his British colleagues. The final draft of Compton's November report made no mention of using plutonium, but after discussing the latest research with Ernest Lawrence, Compton became convinced that a plutonium bomb was also feasible. In December, Compton was placed in charge of the plutonium project. He hoped to achieve a controlled chain reaction by January 1943, and to have a bomb by January 1945. To tackle the problem, he had the research groups working on plutonium and nuclear reactor design at Columbia University, Princeton University and the University of California, Berkeley, concentrated together as the Metallurgical Laboratory in Chicago. Its objectives were to produce reactors to convert uranium to plutonium, to find ways to chemically separate the plutonium from the uranium, and to design and build an atomic bomb. In June 1942, the United States Army Corps of Engineers assumed control of the nuclear weapons program and Compton's Metallurgical Laboratory became part of the Manhattan Project. That month, Compton gave Robert Oppenheimer responsibility for bomb design. It fell to Compton to decide which of the different types of reactor designs that the Metallurgical Laboratory scientists had devised should be pursued, even though a successful reactor had not yet been built. When labor disputes delayed construction of the Metallurgical Laboratory's new home in the Argonne Forest preserve, Compton decided to build Chicago Pile 1, the first nuclear reactor, under the stands at Stagg Field. Under Fermi's direction, it went critical on December 2, 1942. Compton arranged for Mallinckrodt to undertake the purification of uranium ore, and with DuPont to build the plutonium semi works at Oak Ridge, Tennessee. A major crisis for the plutonium program occurred in July 1943, when Emilio Segrè's group confirmed that plutonium created in the X 10 Graphite Reactor at Oak Ridge contained high levels of plutonium 240. Its spontaneous fission ruled out the use of plutonium in a gun type nuclear weapon. Oppenheimer's Los Alamos Laboratory met the challenge by designing and building an implosion type nuclear weapon. Compton was at the Hanford site in September 1944 to watch the first reactor being brought online. The first batch of uranium slugs was fed into Reactor B at Hanford in November 1944, and shipments of plutonium to Los Alamos began in February 1945. Throughout the war, Compton would remain a prominent scientific adviser and administrator. In 1945, he served, along with Lawrence, Oppenheimer, and Fermi, on the Scientific Panel that recommended military use of the atomic bomb against Japan. He was awarded the Medal for Merit for his services to the Manhattan Project.

Возвращение в Вашингтонский университет

После окончания войны Комптон оставил должность профессора физики имени Чарльза Х. Свифта в Чикагском университете и вернулся в Вашингтонский университет в Сент-Луисе, где в 1946 году был утвержден в должности девятого канцлера университета. Во время пребывания Комптона на посту канцлера университет официально отменил сегрегацию в своих бакалаврских подразделениях в 1952 году, назначил первую женщину на должность штатного профессора и принял рекордное число студентов, вернувшихся в Соединенные Штаты ветеранов войны. Его репутация и связи в национальных научных кругах позволили ему привлечь в университет многих известных научных исследователей. Несмотря на достижения Комптона, он подвергался критике как современниками, так и историками за слишком медленные темпы полной расовой интеграции, из-за чего Вашингтонский университет стал последним крупным высшим учебным заведением в Сент-Луисе, открывшим свои двери для афроамериканцев. Комптон ушел с поста канцлера в 1954 году, но оставался на факультете в качестве заслуженного профессора естественной философии до выхода на пенсию в 1961 году. На пенсии он написал книгу "Атомный квест" – личный рассказ о своей роли в Манхэттенском проекте, опубликованную в 1956 году.

Философия

Комптон был одним из немногих ученых и философов, предложивших двухэтапную модель свободной воли. Среди них – Уильям Джеймс, Анри Пуанкаре, Карл Поппер, Генри Маргенау и Даниэль Деннетт. В 1931 году Комптон отстаивал идею человеческой свободы, основанную на квантовой неопределенности, и выдвинул концепцию усиления микроскопических квантовых событий для привнесения случайности в макроскопический мир. В своем весьма необычном механизме он представил динамитные шашки, прикрепленные к его усилителю, предвосхитив парадокс кота Шрёдингера, опубликованный в 1935 году. В ответ на критику, утверждавшую, что его идеи делают случайность прямой причиной человеческих действий, Комптон уточнил двухэтапный характер своей концепции в статье для журнала Atlantic Monthly в 1955 году. Сначала существует спектр случайных возможных событий, а затем в момент выбора добавляется определяющий фактор.

Религиозные взгляды

Комптон был пресвитерианином. Его отец, Элиас, был рукоположенным пресвитерианским пастором. С 1948 по 1962 год Комптон был старейшиной Второй пресвитерианской церкви в Сент-Луисе. За свою жизнь Комптон получил множество наград, включая Нобелевскую премию по физике в 1927 году, Золотую медаль Маттеуччи в 1930 году, медаль Хьюза Королевского общества и медаль Франклина Института Франклина в 1940 году. Он был избран в Американское философское общество в 1925 году, Национальную академию наук США в 1927 году и Американскую академию искусств и наук в 1928 году. Память о нём увековечена различными способами. Кратер Комптона на Луне назван в честь Комптона и его брата Карла. Здание физического исследовательского корпуса Вашингтонского университета в Сент-Луисе названо в его честь, как и главная стипендия университета для студентов, изучающих математику, физику или планетарные науки. Комптон изобрел более плавную, удлиненную и пологий вариант искусственной неровности, называемый «холм Холли», многие из которых расположены на дорогах кампуса Вашингтонского университета. Чикагский университет почтил память Комптона и его достижений, посвятив в его честь Дом Артура Х. Комптона, который в настоящее время является Национальным историческим памятником. У Комптона также есть звезда на Аллее славы Сент-Луиса. Гамма-обсерватория NASA имени Комптона была названа в его честь. Эффект Комптона играет центральную роль в приборах для обнаружения гамма-лучей, установленных на борту обсерватории.