Сто лет назад физика переживала революцию: наука, в которой все основные открытия, казалось, уже были сделаны к концу XIX века, благодаря работам Резерфорда, Планка и Эйнштейна выяснила, что на самом деле лишь подступила к порогу совершенно новых представлений об устройстве мира. Основными героями этих событий были ученые, работавшие в Западной Европе. Но на другом краю Старого света, в России, в это время начала формироваться российская школа физики, воспитанники которой навсегда вписали свои имена в историю науки XX века. Рассказываем, почему «отец русской физики» Абрам Иоффе увез Петра Капицу из Советского Союза в Великобританию и чем прославились Лев Ландау и Георгий Гамов в самом начале своей карьеры.
В 1921 году Абрам Иоффе оставил Петроград и отправился в Европу — восстанавливать отношения с западными учеными (на этом заканчивался наш предыдущий материал, «Философский пароход и фабрики интеллигентов»). В это турне вместе с ним поехал его бывший студент Петр Капица. Иоффе взял его с собой отчасти из-за того, что Капица — один из самых талантливых его учеников, отчасти же просто, чтобы тот развеялся. В 1919-м красные расстреляли его тестя — тот был членом центрального комитета партии кадетов, — а за год до этого, во время эпидемии испанского гриппа, Капица потерял отца, жену, сына и новорожденную дочь.
Одну из остановок физики сделали в Кембридже. Эрнест Резерфорд оказал им радушный прием, но когда Капица попросил его взять к себе аспирантом, особого энтузиазма не проявил, ответив, что свободных штатных ставок в его лаборатории нет. По легенде, Капица, в свою очередь, поинтересовался у Резерфорда, какую точность в своих экспериментах тот считает достаточной. Услышав, что погрешности в три процента ему обычно хватает, Капица заметил, что добавление одного сотрудника к 30 имеющимся скорее всего пройдет незамеченным, поскольку будет лежать в пределах экспериментальной погрешности. Резерфорд шутку оценил, принял Капицу в лабораторию — и не прогадал.
Петр Капица в лаборатории в Кембридже, начало 30-х
Сначала Резерфорд поручил Капице измерения импульса альфа-частиц (о том, как с их помощью он определил строение атома, мы рассказывали в материале «Не жизни разве ради»). Идея состояла в том, что траектория альфа-частицы, влетающей в магнитное поле, должна искривляться в зависимости от скорости частицы и силы поля.
Для этих экспериментов Капице требовались сильные магнитные поля. Их можно получить, пропуская электрический ток через катушку — это явление называется электромагнитной индукцией, на нем основан принцип действия электромагнита. Чем больше ток, тем сильнее поле, однако если ток слишком большой, то провод в катушке может попросту расплавиться. Это накладывает естественное ограничение на величину поля, которое можно получить таким способом.
Простейший электромагнит. N и S указывают северный и южный магнитные полюса; внутри катушки находится железный сердечник, усиливающий магнитное поле
Капица придумал пропускать через катушку очень сильный ток, но в течение очень короткого времени, так что она не успевала чересчур нагреться. Конечно, и магнитное поле возникало очень ненадолго, но для исследования чрезвычайно быстрого процесса, пролета альфа-частицы, этого оказалось вполне достаточно. В экспериментах Капицы магнитное поле поддерживалось примерно одну сотую долю секунды. Он шутил, что, вероятно, является самым высокооплачиваемым ученым в мире, так как получает полную зарплату за работу, которая в сумме занимает пару секунд в год.
Эксперименты Резерфорда, которые раскрыли устройство атома и стали основой квантовой механики, были сделаны удивительно простыми средствами — на оборудование Кавендишской лаборатории в начале 20-х годов тратилось около 400 фунтов стерлингов в год. Эксперименты Капицы, однако, потребовали уже более сложного и дорогого оборудования, и Резерфорд выбил у Департамента научных и индустриальных исследований грант на сумму 8000 фунтов. Фактически это стало началом новой эры в экспериментальной физике — для продвижения вперед уже было недостаточно приборов, смастеренных из подручных средств, и экспериментов, которые можно провести в одиночку. Продолжателем традиции сложных, дорогих, но при этом и прорывных экспериментов в Кавендише стал ученик Капицы, Джон Кокрофт, который вместе с Эрнестом Уолтоном провел первую в мире рукотворную ядерную реакцию (об этом мы рассказывали в материале «Не жизни разве ради»).
Работа со сверхсильными магнитными полями впечатлила поначалу сомневавшегося в русском физике Резерфорда. Капица быстро написал и защитил диссертацию по данным своих экспериментов с пролетом альфа-частиц через магнитные поля, а через два года уже стал заместителем директора Кавендишской лаборатории по магнитным явлениям. Кроме блестящей работы в лаборатории, Капица читал лекции студентам, а также организовал неформальный научный семинар с чаем, на котором обсуждались последние новости физики, развивавшейся в 20–30-е годы особенно стремительно.
Чаепитие физиков у Капицы. В центре Петр Капица, справа Эрнест Резефорд.
Клуб Капицы — прямой наследник семинаров Иоффе, который начал проводить такие неформальные сборища в Политехническом институте еще в 1916 году (а те, в свою очередь, наверняка были инспирированы еженедельными встречами физиков в доме Пауля Эренфеста в Петрограде, о которых мы рассказывали в материале «Философский пароход и фабрики интеллигентов»).Резерфорда и Капицу в дальнейшем связывали очень теплые отношения. Русскому физику позволялось гораздо больше, чем другим молодым сотрудникам, и вскоре он совершенно освоился. Капица дал Резерфорду прозвище — Крокодил. Возможно, за этим стояла аллюзия на Питера Пэна и крокодила, проглотившего тикающий будильник, — намек на грузную походку Резерфорда, заранее предупреждавшую о его появлении; возможно — опасение, что Резерфорд откусит Капице голову за его шуточки, но прозвище в Кавендише прижилось.
В 1933 году Капица получил грант на строительство собственной лаборатории в Кембридже. На стене недалеко от входа он заказал выгравировать крокодила
Абрам Иоффе, перепоручив Капицу Резерфорду в 1921-м, вернулся домой с научной литературой и оборудованием и с головой погрузился в организацию Физико-технического института и вообще физики в СССР. Через пять лет, когда лучший ученик Иоффе уже прочно обосновался Кавендише, в аспирантуру к «отцу русской физики» пришел 18-летний теоретик Лев Ландау.
Новые звезды
Ландау родился в 1908 году в Баку в семье инженера-нефтяника и врача. Уже в 14 лет он поступил в Бакинский университет, причем сразу на два факультета — физико-математический и химический. Через два года, решив, что уровень местного университета недостаточно высок, Ландау перевелся в Ленинград. Там он подружился с другими студентами-теоретиками — Георгием Гамовым и Дмитрием Иваненко. Талантливую троицу окрестили «тремя мушкетерами», и вместе Дау, Джонни (Гамов), Димус (Иваненко) и присоединившийся к ним чуть позже Аббат (Матвей Бронштейн) сформировали ядро «джаз-бэнда» — веселой студенческой компании одаренных физиков, будущей элиты советской науки.
1929 год. Семинар главы теоретического отдела ФТИ Якова Ильича Френкеля (в центре) в Ленинградском университете. Второй справа — Дмитрий Иваненко, четвертый справа — Георгий Гамов, второй слева — Лев Ландау.
Путь в науку первого поколения советских теоретиков был непростым. Родившийся в Одессе Гамов вспоминал, что во время Гражданской войны уроки в гимназии часто срывались — на улице шли бои. А университетские занятия проходили без света из-за перебоев с топливом. Профессор, читавший лекции по многомерной геометрии, считал, что в этом нет ничего страшного, поскольку многомерные фигуры все равно нельзя изобразить на двумерной доске — а вот преподаватель физики отказался читать «мелодраматические» лекции в темноте, без демонстраций физических опытов.
В 20-е годы стипендии распределялись в основном среди рабфаковцев, общежития не поспевали расширяться за ростом числа студентов, и поэтому многим, особенно иногородним, приходилось подрабатывать, чтобы платить за съемное жилье. Бакинец Ландау и полтавчанин Иваненко поселились в Ленинграде у родственников, а одесситу Гамову пришлось устроиться преподавателем физики в Артиллерийскую школу Красной армии. Ему, помимо жалования, за это полагалась также военная форма — Гамов ей страшно гордился.
Участники «джаз-бэнда» не только обсуждали физику, но и читали друг другу стихи, устраивали вечеринки (на которых Ландау принципиально не пил) и постоянно разыгрывали друг друга и окружающих. Кроме того, они издавали рукописный сатирический журнал Physikalishe Dummheiten («Физические глупости») и насмехались над профессорами, не поспевающими за развитием науки.
«Джаз-бэнд». Гамов — вверху слева, Иваненко — вверху второй справа, Ландау — внизу, второй справа
Причем после выпуска из университета их задор никуда не пропал. В 1931 году — все они уже работали в ФТИ, а Ландау и Бронштейн еще и преподавали в Ленинградском политехническом институте, где Иоффе организовал физико-механический факультет, — их привлекла статья «Эфир» в только что опубликованном томе Большой советской энциклопедии (БСЭ).
Ее написал директор Физического института и декан физфака МГУ Борис Михайловичем Гессен. Он был довольно крупным историком науки (его доклад о Ньютоне в Лондоне на Международном конгрессе по истории науки в 1931 году был принят чрезвычайно хорошо) и философом, который пытался осмыслить революцию в физике с марксистских позиций. Интересно, что Гессен был сыном директора банка из Елисаветграда, но, как и его друг и земляк Игорь Тамм, довольно рано вступил в социал-демократическую партию, а во время революции даже реквизировал отцовский банк.
Гессен искренне интересовался современной физикой и много сделал для возрождения физфака МГУ после массового увольнения из университета профессоров в 1911 году (об этом мы рассказывали в материале «Русское поле экспериментов»). Это, однако, не помешало ему написать в статье для энциклопедии такие строки: «Проблема эфира в современной физике является одной из самых трудных проблем физики <…> и еще только поставлена, но отнюдь не решена — даже в общем виде». Однако с проблемой (и самим существованием) эфира Эйнштейн расправился еще в 1905 году, и движимые праведным гневом теоретики «джаз-бэнда» отправили Гессену издевательскую фототелеграмму с изображением помойки и ночного горшка с надписью «эфир».
Фототелеграмма Гессену. «Прочитав Ваше изложение в 65-м томе, с энтузиазмом приступаем изучению эфира. С нетерпением ждем статей теплороде и флогистоне. Бронштейн, Гамов, Иваненко, Измайлов, Ландау, Чумбадзе. Ленинград, Сосновка, 2. Физ.-тех. институт. Теоретич. Кабинет»
В 1927 году вышла единственная совместная статья Дау, Димуса и Джонни. Они закончили ее за два часа, во время обеда, в качестве подарка на день рождения их общей подруги. Несмотря на несерьезные обстоятельства ее возникновения, статья содержала довольно глубокую идею — на нее потом опирался четвертый «мушкетер», Аббат, когда работал над квантованием гравитации. Вскоре после выхода статьи Ландау и Иваненко поссорились (возможно, из-за девушки) и перестали общаться, и на совместную публикацию Ландау никогда не ссылался.
Свой первый значительный вклад в теоретическую физику Ландау сделал в 19 лет — молодой ученый ввел в науку понятие матрицы плотности, которая позволяет описывать сложные квантовые системы и, в частности, учитывать их взаимодействие со внешней средой. Но по-настоящему громкого международного успеха первым добился Гамов.
После того как Иоффе восстановил научные связи России с остальным миром физики, советские ученые, прежде всего талантливая молодежь, получили возможность стажироваться в Европе при поддержке советского правительства. Летом 1928 года Гамов поехал в Геттинген, один из двух (наряду с Копенгагеном) мировых центров теоретической физики, где Макс Борн и Вернер Гейзенберг создавали квантовую механику (мы рассказывали об этом в материале «Германия, конечно, юбер аллес»).
Лев Ландау, Оге Бор (сын Нильса Бора) и Георгий Гамов во дворе института Нильса Бора в Копенгагене
У Гамова был только один семестр, поэтому юноше надо было очень быстро сориентироваться в том, чем ему следует заняться. Справедливо рассудив, что над применением квантовой механики к атомам и молекулам работает уже довольно много народа и быстрого яркого результата там не получить, он решил заняться атомным ядром.
Несмотря на то, что радиоактивный распад был открыт больше 30 лет назад, в 1896 году (мы писали об этом в материале «Но к нам идет жестокая пора»), объяснения этому явлению у теоретиков не было. Альфа-распад (напомним, что в этом случае ядро испускает альфа-частицу) поставил перед учеными два вопроса:
- как положительно заряженная альфа-частица может вообще находиться внутри положительно заряженного ядра, если одноименные заряды отталкиваются?
- если уж какие-то неведомые силы удерживают альфа-частицу внутри, то почему она все же иногда вылетает из радиоактивных ядер?
В первый же месяц геттингенской стажировки Гамов дал элегантный и убедительный ответ на второй вопрос.
Слева: движение классического мячика в желобе. Справа: квантовая частица может туннелировать через стенку
Чтобы объяснить идею Гамова, представим сначала картинку из классической физики — мячик, катающийся по дну желоба. Он будет подниматься на определенную высоту (в зависимости от начальной скорости или энергии), останавливаться и двигаться назад. Классический мячик никогда не покинет желоб.
Однако квантовая частица, в отличие от классической, не движется по траектории. В некотором смысле, ее положение в пространстве размыто, поскольку его можно предсказать лишь с определенной вероятностью. Это приводит к тому, что частица имеет ненулевой шанс оказаться снаружи желоба, то есть покинуть его, фактически пройдя сквозь стенку.
Этот эффект, позже названный квантовым туннелированием, предсказали советские теоретики из МГУ Леонид Мандельштам и Михаил Леонтович, проанализировав уравнение Шредингера. Как это часто бывает, подобные сценарии в немного другом контексте примерно тогда же обсуждали и другие ученые, включая Роберта Оппенгеймера. Гамов, вероятно, был знаком с работой Мандельштама и Леонтовича — и применил эту идею к физике ядра.
Рисунок из статьи Гамова в журнале Zeitschrift für Physik. Альфа-частица находится в «яме» слева, образованной ядерными и электрическими силами, и туннелирует сквозь стенку. Вероятность туннелирования определяется шириной и высотой стенки, а также энергией частицы. Например, в случае урана-235 вероятность альфа-распада достигает значения ½ за 4,5 миллиарда лет (это значит, что из всех атомов половина распадается за 4,5 миллиарда лет), тогда как для радия-223 всего за 11,4 дня, что делает возможным медицинское применение этого изотопа для радиотерапии
Теория Гамова элегантно и удивительно точно описывала результаты экспериментов и мгновенно получила признание. Мировые центры физики были рады принять его у себя — после Геттингена он провел полгода у Бора в Копенгагене, затем заехал в Кембридж к Резерфорду.
Возвращение в СССР было триумфальным — главная советская газета «Правда» напечатала стихотворение поэта Демьяна Бедного «До атомов добрались», начинавшееся словами:
СССР зовут страной убийц и хамов.
Недаром. Вот пример: советский парень Гамов,
— Чего хотите вы от этаких людей?! —
Уже до атомов добрался, лиходей!
Стихотворение предварялось редакционной заметкой: «Двадцатичетырехлетний аспирант ленинградского университета Г.А. Гамов сделал открытие, произведшее огромное впечатление в международной физике. Молодой ученый разрешил проблему атомного ядра».
Можно спорить с тем, правомерно ли называть Гамова «советским парнем», — по отцу он был потомственным дворянином, а предки матери принадлежали к высокопоставленному духовенству. Еще сомнительнее утверждение, что он разрешил проблему атомного ядра — скорее, сделал первый шаг в этом направлении. Тем не менее, это был первый по-настоящему громкий успех советской физики. В 1932 году 28-летний Гамов был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, став самым молодым физиком, избранным в академию за всю ее историю.
Евгений Гельфер