НАСТОЯЩИЙ МАТЕРИАЛ ПРОИЗВЕДЕН, РАСПРОСТРАНЕН И НАПРАВЛЕН ИНОСТРАННЫМ АГЕНТОМ T-INVARIANT, ЛИБО КАСАЕТСЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИНОСТРАННОГО АГЕНТА T-INVARIANT. 18+
Пятнадцатый очерк из серии «Создатели» посвящен Георгию Антоновичу Гамову, выдающемуся физику и космологу, профессору Университета Джорджа Вашингтона и Университета Колорадо в Боулдере, внесшему огромный вклад в физику ядра, космологию и теоретическую биологию. Совместно с RASA (Russian-American Science Association) T-invariant продолжает публикацию серии биографических очерков «Создатели».
Одесса
Георгий Антонович Гамов родился 4 марта 1904 года в Одессе, в Российской империи. Его родители были учителями. Антон Михайлович преподавал русскую литературу в реальном училище, учрежденном В. А. Жуковским, мать — Александра Арсеньевна, урожденная Лебединцева, преподавала историю и географию в женской гимназии С. И. Видинской. Ни братьев, ни сестер у Гамова не было.
.
И Гамовы и Лебединцевы были хорошо известны в городе. Гамовы — военные, Лебединцевы — священники. Все три брата Антона Михайловича стали офицерами, как отец — полковник Михаил Андреевич Гамов, комендант Кишинева.
Георгий Гамов в 1907 году, в возрасте 3 лет. Источник: «Моя мировая линия»
Гамов вспоминает «В возрасте семи лет я читал Жюля Верна (или, точнее, моя мать читала его мне) и мечтал о путешествии на Луну — детская мечта, от которой я теперь совершенно излечился. Уже в то время мною было сделано некоторое исследование по физике: я пытался сконструировать электрический звонок, присоединяя обычный маленький звонок (подобный позвякивающим колокольчикам на северном олене Санта Клауса) к электрической батарейке»(1).
Мать Гамова умерла, когда ему было девять лет. Воспитанием его занимался отец, который поощрял увлечение сына наукой.
Гамов пишет: «Однажды отец купил мне маленький микроскоп, и я решил провести важный эксперимент по проверке церковной догмы. В русском православии считается, что во время причастия красное вино и хлеб, опущенный в него, превращаются в кровь и плоть нашего спасителя, Иисуса Христа. Как-то раз священник дал мне чуточку превращенного вина и крошку хлеба на позолоченной ложке, я сохранил кусочек хлебной крошки за щекой, быстро прибежал домой и положил ее под микроскоп. Для сравнения я заранее приготовил маленькую хлебную крошку, вымоченную в красном вине. Смотря в микроскоп, я не мог увидеть разницы между двумя образцами. Микроструктура двух кусочков хлеба была совершенно одинаковой и совсем не походила на микроструктуру тонких кусочков моей кожи, которую я предварительно срезал с пальца острым ножом. Цвет образца, который я принес из церкви, был красноватым, но мой микроскоп был недостаточно сильным, чтобы увидеть в него отдельные эритроциты. Поэтому это было только полудоказательство, но я думаю, это был эксперимент, который сделал меня ученым».
Можно даже сказать, что в момент постановки эксперимента Гамов ученым уже был. Эксперимент был тщательно продуман, вплоть до того, что была проведена довольно болезненная операция — срезание кусочков кожи. Были проведены два обязательных сравнения: во-первых, хлеб, размоченный в вине, и хлеб, взятый во время причастия, во-вторых, причастный хлеб и человеческая плоть. Результат получился довольно убедительный, по крайней мере, для самого исследователя: вероятность, того, что при причастии хлеб превращается в плоть достаточно мала. Но, чтобы утверждать это с большим основанием, «нужно провести дополнительные исследования» с более совершенным микроскопом.
Но самое интересное — это выбор темы исследования. Причастие это ведь не просто одно из таинств, в христианстве это таинство — главное. Даже монахи-пустынники, жившие практически все время в одиночестве и никаких служб не посещавшие, все равно несколько раз в год приходили к причастию. Гамов, происходивший из семьи священников (по материнской линии), прекрасно понимал, что он проверяет. Если причастие не работает, и хлеб не обращается в плоть, значит… Значит надо менять аксиоматику, чтобы построенная на ней теория не противоречила эксперименту. Гамов был ученым и атеистом (вообще говоря, из первого не обязательно следует второе).
Ряд Маклорена
Гамов учился в Одесском реальном училище, учрежденном В.А. Жуковским (там же преподавал его отец, который специально перешел туда работать, чтобы быть ближе к сыну).
В 1914 году началась Первая мировая война, перетекшая в революцию и Гражданскую войну. И ее волны катились и катились через Одессу. Гамов пишет: «…помню день, когда я читал книгу по евклидовой геометрии около окна в нашей квартире, и оконное стекло вдруг разбилось вдребезги от ударной волны от артиллерийского снаряда, разорвавшегося на соседней улице».
В 1921 году Гамов после окончания училища поступил Одесский институт народного образования на математическом факультет.
Не было хлеба, не хватало воды. Гамов рассказывает такую историю. Она любопытна и с точки зрения жизни Одессы во время революции и с точки зрения отношений Гамова с математикой.
Игорь Тамм, будущий нобелевский лауреат по физике (1958 год) в 1921 году преподавал в одном из одесских институтов. Поскольку есть было нечего, Тамм, как и многие жители города, отправился в недалекое село, чтобы выменять «полдюжину серебряных ложек» на продукты. Пока он выменивал серебро на сало, в село нагрянула очередная банда, которых много бродило в окрестностях города. Тамма, одетого по городскому, схватили и привели к атаману.
Гамов пишет, что атаман был настроен крайне решительно:
« — Ах, сволочь, коммунистический агитатор, разрушающий нашу родную Украину! Да тебя расстрелять мало!
— Да нет же, — возразил Тамм, — я профессор Одесского университета и пришел сюда, чтобы раздобыть немного продуктов.
— Ерунда! — возразил атаман. — Какой ты профессор по специальности?
— Я преподаю математику.
— Математику? — сказал тогда атаман. — Очень хорошо! Тогда дай мне оценку ошибки, которая получается при отсечении ряда Маклорена на n-м члене. Сделаешь это — будешь освобожден, не сделаешь — тебя расстреляют!
Тамм не мог поверить своим ушам, так как эта задача относится к очень специальной области высшей математики. Однако трясущимися руками, под дулом наставленной на
него винтовки он сумел найти решение и вручил его атаману.
— Правильно! — сказал тот. — Теперь я вижу, что ты действительно профессор. Можешь отправляться домой!».
Почему агитатор не может быть в свободное от основной работы время профессором математики, а математик может быть атаманом банды, Гамов не уточняет.
Здесь Гамов пишет об «Одесском университете», но такое учебное заведение было создано только в 1933 году. До 1920 года университет в Одессе — одно из крупнейших учебных заведений на юге Российской империи — носил другое название: «Императорский Новороссийский университет», но он был расформирован. Тамм в это время был профессором в Одесском политехническом институте.
Сама эта история, вероятно, апокриф (она многократно цитируется в связи с биографией Тамма, обычно это просто цитата или пересказ, взятый из книги Гамова), но вполне возможно, что и среди атаманов встречались и люди, знающие, что такое «ряд Маклорена». Вот только Гамов пишет, что «эта задача относится к очень специальной области высшей математики». Это не совсем так.
Оценка погрешности разложения функции в ряд Маклорена (или что тоже самое — в ряд Тейлора при x=0), обычно читается вместе с самим разложением в ряд. Тогда же выписывается и остаточный член. Сам ряд Тейлора никак нельзя отнести к каким математическим новинкам в 1920 году. Он был исследован в начале XVIII века Бруком Тейлором, его строгая теория была разработана Огюстеном-Луи Коши в 1820-х годах, а к концу XIX века эта теория уже читалась инженерам. Теория остаточного члена, приводится в том числе в классическом учебнике Г. М. Фихтенгольца (2).
Остаточный член и дает «оценку ошибки», про которую вдруг вспомнил атаман. Но это не «очень специальная область», а самое начало — первый семестр изучения математического анализа действительного переменного. Любой студент (даже не специализирующийся на физике или математике), прослушавший начальный курс дифференциального исчисления, должен это знать. Так что Тамму, успешно закончившему физико-математический факультет Московского университета, не надо было «искать решение», он просто не мог не знать ответ. А Гамов, получается, мог.
Но заметим, что обо всех своих «пробелах» в математическом образовании Гамов рассказывает сам. Может быть, это одна из фирменных гамовских шуток, и он таким образом просто поддразнивает физиков, слишком увлекающихся математическими трюками? Вот смотрите, я даже интегрировать толком не умею, но кое-чего достиг в науке.
Подтверждение этой гипотезы можно найти в биографии Гамова, написанной в 1994 году Виктором Френкелем — физиком и историком науки. Френкель пишет: «У Гамова сложились хорошие отношения и с университетскими математиками, в первую очередь с профессором B. Ф. Каганом…, читавшим курс лекций по многомерной геометрии, и профессором С. М. Шатуновским (высшая алгебра). Гамов отмечает, что под их руководством изучал и занимался сам вопросами теории множеств и основаниями геометрии. С явным удовольствием пересказывает он историю о том, как Шатуновский был уличен каким-то студентом в арифметической ошибке, возникшей при перемножении в уме двух двузначных чисел. Не отрицая своего промаха, Шатуновский возразил юному критику: ”Не дело математика производить правильные вычисления — это работа банковских клерков!” Комментируя это высказывание известного математика, Гамов пишет: «Я не стыжусь, когда при умножении 7 на 8 получаю 45». О своих неладах с математикой Гамов вспоминает не раз и не два. Это его утверждение находится в противоречии с высокой оценкой, данной его математическим способностям проф. Г. М. Фихтенгольцем, впоследствии автором одного из лучших отечественных курсов анализа».(3)
Тем самым Фихтенгольцем, которого мы только что вспоминали в связи с остаточным членом ряда Тейлора. Он принимал у Гамова вступительный экзамен в Петроградский университет и остался знаниями Гамова полностью удовлетворен.
Встреча с Фридманом
В 1922 году Гамов перебрался в Петроградский университет. Здесь в его жизни случилось много всего. Он нашел друзей. Он нашел и потерял учителя. Он понял, что эксперимент — это не его дело. Его дело — теория.
В университете Гамов встретил настоящих друзей, не только талантливых, но и веселых и дерзких. Это была дерзость и в самом прямом смысле — молодые физики могли наговорить резкостей почтенным физикам старшего поколения (не всегда незаслуженно объявляя их взгляды устаревшими) — и научная дерзость, которая выразилась в попытках решения самых трудных и самых общих проблем физики.
Например, Гамов сотоварищи построил систему классификации всех научных теорий, в которой удостоенная Нобелевской премии работа Нильса Бора по структуре атома была довольно пренебрежительно названа «вульгарной».
Так сделали «три мушкетера» (как они себя называли) — Георгий Гамов, Дмитрий Иваненко и Лев Ландау в своей статье «Мировые постоянные и предельный переход». Они прислали работу 20 октября 1927 года в «Журнал русского физико-химического общества при Ленинградском университете: часть физика». В момент подачи статьи Гамову — 23 года, Иваненко — 23, Ландау — 19.
Об этой статье академик Лев Окунь писал много лет спустя: «Статья была написана в качестве шутливого подарка студентке, за которой все трое молодых друзей ухаживали. Впоследствии пути авторов разошлись, но ни один из них ни разу не сослался на статью в своих последующих статьях. Она не была включена в двухтомник трудов Л. Д. Ландау. Единственный след в творчестве Гамова мировые константы с, G. h оставили в качестве инициалов мистера Томпкинса — героя ряда научно-популярных книг, опубликованных Гамовым. Но в статье, к которой сами авторы отнеслись как к пустяку, содержались весьма серьезные идеи, имевшие глубокие исторические корни, идеи, оказавшие серьезное влияние на дальнейшее развитие фундаментальной физики и продолжающие вызывать споры среди профессиональных физиков-теоретиков и в наши дни». Этот комментарий академик Окунь написал в 2002 году.
Эта веселая компания почти наверняка догадывалась о ценности того, что же они написали, но они еще и понимали, что совершенно не готовы довести наброски своих идей до реальной теории. Но на эту статью косвенно ссылался Матвей Бронштейн (1906 — 1938) — их общий друг. Ленинградский университет по концентрации талантливых молодых физиков действительно был поразительным местом в 20-е годы XX века, а физических талантов в мире в это время было много.
Судьба этих юных гениев сложись по-разному. Но у всех тяжело или трагически. Ландау — самый титулованный из «мушкетеров» (Нобелевская премия 1962 года) арестован в 1938 году и год провел в тюрьме. Иваненко — в 1935 году арестован, выслан в Томск. Матвей Бронштейн — арестован в 1937 году, в 1938 — расстрелян. Гамов в 1933 году — эмигрировал. Это самый мягкий вариант, но Гамов ведь не хотел уезжать.
Когда Гамов закончил университет, он еще до аспирантуры начал работать над задачей, которую ему поставил директор Государственного оптического института Дмитрий Рождественский.
Гамов пишет, что задача «относилась к физической оптике — изучение аномальных изменений коэффициента преломления газов вблизи линий поглощения с использованием так называемого метода крюков, который Рождественский применил за несколько лет до этого».
Но работа у Гамова не получалась: «Однако мои спектроскопические исследования почему-то продвигались не слишком хорошо. Фотографии спектров, как правило, получались не в фокусе и недопроявленными, причем последний дефект происходил оттого, что я пользовался временем проявления из книги, где оно было дано для
комнатной температуры (20 градусов), в то время как из-за недостатка топлива температура в комнате обычно была ниже 10 градусов. Конечно, любой хороший экспериментатор учел бы это, зная что скорость большинства химических реакций меняется вдвое при изменении температуры на 10 градусов, но, даже зная об этом, я почему-то это не учитывал. Все эти неудачи в моей экспериментальной работе в конце концов убедили меня, что недостаточно просто желания иметь собственную комнату в институте, чтобы стать физиком-экспериментатором, и я также понял тщетность моего плана быть наполовину экспериментатором и наполовину теоретиком».
Это не было ленью или небрежностью. Когда дело касалось того, что Гамова действительно интересовало, он был и усидчив, и сосредоточен. Он много и упорно занимался, быстро осваивая и усваивая только что появившиеся статьи по квантовой механике или теории относительности.
Главной причиной неудачи в работе с Рождественским, видимо, было даже не отсутствие интереса к эксперименту, а своего рода самоограничение и сосредоточенность, но сосредоточенность на другом. Ставить опыты, наблюдать результаты, выпытывать у природы ее тайны Гамов так и не научился, даже, пожалуй, не захотел учиться. Но если это проделали другие (например, Резерфорд), Гамов был готов объяснить почему жизнь такова, какова она есть, и почему не надо спешить и объявлять странный результат измерений ошибкой эксперимента. И делал это так, что собеседнику оставалось только воскликнуть: «Как просто!».
Гамов пишет: «1925 и 1926 г. принесли много волнений в области теоретической физики. Знаменитая квантово-орбитальная модель атома, сформулированная в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором и приведшая в течение одного десятилетия к огромному прогрессу в нашем понимании структуры атома, столкнулась с огромными трудностями, и стало очевидным, что необходимы новые радикальные идеи для дальнейшего продвижения вперед».
Молодые ленинградские физики можно сказать «запоем» читали последние статьи, и на их глазах рождалась квантовая механика. И матричная механика Гейзенберга, и волновая механика де Бройля и Шредингера. Но стоит сказать, что все эти статьи совсем не «Три мушкетера» Александра Дюма и не ряд Тейлора. Эти работы основаны как раз на «очень специальной области» математики (операторном исчислении в комплексном гильбертовом пространстве) отнюдь не XVIII века. Гамов мог встретить самого создателя математического аппарата, который использует квантовая механика — Давида Гильберта, когда позднее приехал в Геттинген.
Гамов пишет: «Новый прорыв в теорию атомной и молекулярной структуры привел к появлению сотен статей, и в нашей теоретической группе в Ленинградском университете мы проводили много времени, следя за новыми публикациями, стараясь понять их. Все мы трое (Дау, Димус и я) пытались применить новую квантовую теорию для усовершенствования статистической физики, но у нас ничего пока не получалось». (Дау — это Ландау, Димус — это Иваненко).
Но Гамов отличался даже от своих талантливых друзей. Очень немного можно назвать в XX веке физиков, которые работали в квантовой механике (физике микромира) и были увлечены теорией относительности и даже космологией, то есть физикой Вселенной как целого. Гамова интересовали и микромир, и весь универсум. И он в результате достиг выдающихся успехов и обеих областях науки. И все это началось там же, в Ленинградском университете.
Гамов пишет: «Предмет, который больше всего привлекал меня с ранних студенческих лет, была специальная и общая теория относительности Эйнштейна; и у меня была уйма до некоторой степени неупорядоченных знаний в этой области. Случилось так, что профессор Александр Александрович Фридман из математического отдела объявил в то время курс лекций, озаглавленный «Математические основания теории относительности», и, естественно, я занял место в аудитории уже на первой его лекции».
Александр Фридман. «Моя мировая линия».
Фридман был также увлечен проблемами релятивистской космологии и стал основателем теории расширяющейся Вселенной. Он понял, что модель стационарной Вселенной, которую предложил Эйнштейн, не работает. И Фридман открыл новый мир зависящих от времени вселенных: расширяющихся, коллапсирующих и пульсирующих.
Гамов пишет: «Много позже, когда я обсуждал космологические проблемы с Эйнштейном, он заметил, что введение космологического члена было самым большим промахом, который он когда-либо сделал в своей жизни. Но этот промах, отвергнутый Эйнштейном, все еще иногда используется космологами даже сегодня, и космологическая постоянная, обозначаемая греческой буквой лямбда, поднимает свою гадкую голову все снова и снова».
Здесь можно отметить, эта «гадкая голова лямбды» сегодня стала одним из параметров модели ускоренно расширяющейся Вселенной (ΛCDM — Lambda Cold Dark Matter или Стандартная космологическая модель). Этого ни Эйнштейн, ни Гамов предвидеть не смогли.
Гамов очень хотел работать с Фридманом. И Фридман стал его научным руководителем, но не надолго. В 1925 году Фридман умер. Подробности его смерти Гамову остались неизвестны. Видимо, это говорит о том, что они не были особенно близки. Гамов пишет: «Во время одного из полетов на свободном метеорологическом аэростате Фридман серьезно простудился, что привело к пневмонии и смерти. Это разрушило мои планы продолжить работу над релятивистской космологией».
Виктор Френкель в подробном очерке о Фридмане пишет иначе: «2 сентября <1925 года> он понял, что болен серьезно… Врачи поставили диагноз — брюшной тиф. К началу сентября прошло примерно 2 недели со времени возвращения Фридмана из Крыма, что как раз и соответствует продолжительности инкубационного периода этой болезни. Александр Александрович вспомнил, что по дороге в Ленинград купил на одной из станций аппетитные груши и, по легкомыслию, не помыл их. Нелепая небрежность, обернувшаяся роковым исходом. 16 сентября, уже в больнице, А. А. Фридман скончался».(4)
И Гамов занялся «старой квантовой механикой» под руководством замечательного теоретика Юрия Круткова. Задачу Гамов решил, статью подготовил, но как-то «безо всякого аппетита». Его интересы лежали в другой плоскости.
Туннельный эффект
В 1928 году Гамов наконец получил долгожданную командировку в Геттинген — центр квантовой механики. Там работал семинар Макса Борна, где чуть ли не каждый день случались открытия, и куда Гамов очень хотел попасть.
Вот чего у Гамова никогда не было, так это «языкового барьера». Французский и немецкий от освоил еще в училище. По-английски заговорил в университете. Но это не все. Физик Отто Фриш вспоминал: «Один из первых докладов, на который я пришел в Копенгагене, был сделан Гамовым. Я осторожно спросил, на каком языке собирается его прочесть знаменитый русский физик, и получил ответ: «На датском, но не беспокойтесь, вы его поймете”. Как мог я его понять, если провел в Дании всего несколько дней? Я даже не начал еще брать уроки датского. Однако, несмотря на это, я понял Гамова; он «приперчивал» свой датский английскими и немецкими словами, жестикулировал, иллюстрировал его забавными рисунками. Он и в самом деле знал, как находить язык с аудиторией.»(5)
В Геттингене Гамов решил найти свою тему. Он отправился в библиотеку и прочитал статью Резерфорда об альфа-распаде.
Гамов пишет: «Как может случиться, что бомбардирующие частицы большой энергии не могут перейти барьер снаружи, в то время как внутренние частицы, которые имеют только половину такой энергии, ухитряются просочиться наружу, пусть даже иногда очень медленно? …прежде чем я закрыл журнал, я уже знал, что в действительности происходит в таком случае. Это было типичное явление, которое было бы невозможно в классической ньютоновской механике, но фактически ожидалось в новой волновой механике… Движение материальных частиц управляется так называемыми волновыми пакетами, впервые предложенными Луи де Бройлем. Эти волны, распространяющиеся свободно в пространстве, где материальные частицы также могут двигаться без особого труда, медленно «просачиваются» через области, в которые, согласно ньютоновской механике, эти частицы вовсе не могут проникнуть. И если волна де Бройля проходит, даже и с некоторым трудом, она всегда протащит с собой частицу».
Дальше последовала интенсивная работа, во время которой Гамов нашел нужное решение уравнения Шредингера для потенциального барьера и обосновал туннельный эффект. Он сделал доклад на семинаре Борна. Это был триумф.
Гамов упоминает Нобелевскую премию в своих воспоминаниях один раз и именно в связи с работой о туннельном эффекте. Он пишет о работе американских физиков Рональда Герни и Эдварда Кондона, которые практически одновременно с Гамовым опубликовали работу по туннельному эффекту с очень близкими идеями: «Такие совпадения важных открытий привели к постепенному обесцениванию ежегодных Нобелевских премий (ни Герни и Кондон, ни я не получили ее или ее долю), и в ближайшем будущем какой-нибудь удачливый ученый сможет сказать: «Я получил три семнадцатых Нобелевской премии за 19- — год»».
Возможно, Гамов не знал (или делал вид, что не знает), что согласно довольно подробному завещанию Альфреда Нобеля более чем трое ученых не могут стать лауреатами одной Нобелевской премии в один год (за исключением Нобелевской премии мира). Так что получить «три семнадцатых» никому не удастся.
Но вероятно, именно в тот момент, когда 24-летний Гамов прочитал статью Резерфорда о новых экспериментах с альфа-частицами и за несколько часов «все понял», он был ближе всего к получению премии или вместе с Герни и Кондоном, или даже персонально. Настолько его работа затмила работу коллег.
В определенном смысле работа Гамова по туннельному эффекту — это идеальная нобелевская работа. Нобель не любил чистых теоретиков, и, надо сказать, что Нобелевский комитет вот уже больше ста лет придерживается этой же точки зрения. Теория может рассчитывать на премию, только в том случае, когда она подтверждена экспериментально. Но работа Гамова была подтверждена экспериментально задолго до того, как она была сделана. Гамов объяснил и обосновал эмпирический закон Гейгера-Нэттола, связывающий период полураспада и энергию альфа-частиц, который был сформулирован еще в 1911 году. «Объясняющих» теоретических работ такого уровня не очень много в истории науки. Одна из них — это работа Нильса Бора о строении атома.
Бор предложил теорию, которая позволила теоретически вычислить постоянную Ридберга и объяснить спектры водорода, которые уже давно были измерены. Это выглядело как чудо.
Можно привести такой пример. Законы Кеплера описали движение планет, но не объяснили. Хотя они свели в три короткие формулы горы измерений, сделанных Тихо Браге. Но это скорее напоминает как раз закон Гейгера-Нэттола. Работа Гамова по своей объяснительной силе ближе к ньютоновскому закону всемирного тяготения, который объяснил сами законы Кеплера, исходя из единого принципа.
Теория Гамова была методологически более чистой, чем работа Бора. Гамов использовал уже хорошо разработанный механизм уравнения Шредингера и не делал таких предположений, как Бор, который, можно сказать, «нарушил» законы природы, описанные Максвеллом. Предположение Бора, что в некоторых случаях ускоренный электрон может не излучать, выглядело немного как гипотеза ad hoc. Из-за этого «три мушкетера» и назвали теорию Бора «вульгарной».
Когда теория не просто предлагает новый механизм, а показывает, как этот механизм объясняет уже известную эмпирическую закономерность, это создает сильное впечатление «попадания в точку». Это похоже на решение головоломки, когда все части, которые казались случайными и разрозненными, вдруг встают на свои места.
В работе Гамова случилось именно это: она не просто предложила механизм альфа-распада через туннелирование, но показала, как этот механизм естественным образом приводит к эмпирическому закону, который до этого казался просто удачно подобранной формулой (как у Кеплера или Ридберга). Это создало своего рода «вау-эффект»: внезапно стало понятно, почему закон Гейгера-Нэттола имеет именно такую форму.
Работа Герни и Кондона описывала тот же физический механизм и была вполне корректной, но в ней отсутствовала явная связь с существующими экспериментальными данными, и она выглядела менее убедительной для научного сообщества. Но она была сделана независимо и одновременно. И она была. Наверно, она не получила того внимания, которое заслуживала, и Гамов собрал большую часть всех лавров, но часть блеска она все-таки забрала.
Можно назвать много причин, из-за которых Гамов не получил за туннельный эффект свою Нобелевскую премию. Это и его молодость — ему ведь было всего 24 года. И то, что рядом с ним было столько блестящих физиков, что их трудно перечислить (и очень многие из них получили свои Нобелевские премии). И то, что туннельный эффект очень скоро стал казаться общим местом (почти одновременно с работой Гамова появилась работа Ральфа Фаулера по автоэлектронной эмиссии, где описывалось туннелирование электронов из металла, и на этой идее позднее был построен сканирующий туннельный микроскоп). И то, что Гамов скоро оказался в очень шатком положении после своего побега из Советского Союза и вынужден был уехать в Америку — на периферию физической науки. (Об этом мы еще поговорим). Все это так. Но работа Гамова в результате осталась не отмеченной самой высокой научной наградой, хотя по всем параметрам этого заслуживала.
Из Геттингена Гамов поехал к Бору в Копенгаген (вряд ли он объяснял Бору, что его теория «вульгарна», их отношения сложились прекрасно). В Институте Бора Гамов провел целый год, получив там Карлсбергскую стипендию от Королевской Датской академии наук, конечно, по просьбе Бора. Уже из Копенгагена Гамов поехал к Резерфорду в Кавендишскую лабораторию (с рекомендательным письмом Бора) и был встречен Резерфордом очень тепло.
Л. Ландау и Г. Гамов во дворе института Нильса Бора. Копенгаген, 1929. В центре — сын Нильса Бора — Оге Бор (Нобелевская премия, 1975)
Применение туннельного эффекта для радиоактивного распада естественным образом привело к другой — симметричной — задаче: так значит не нужна такая огромная энергия и для расщепления ядра? Значит и снаружи можно «просочиться» сквозь барьер? Гамов вплотную этой задачей занялся. Когда Резерфорд спросил у него: какая нужна энергия для расщепления? Гамов дал оценку буквально на пальцах. «»Так просто, — удивился Резерфорд. — А я думал, что Вам нужно исписать горы бумаги проклятыми формулами». «Не в этом случае», — ответил я», — пишет Гамов.
Может быть, это и был главный талант Гамова — умение объяснять: и себе самому — и тогда происходили удивительные открытия, и коллегам-физикам, и обычным людям (так родился мистер C.G. H. Tompkins, за удивительными приключениями которого следили и продолжают следить сотни тысяч людей, для которых физика не профессия, но которым почему-то важно, как же все-таки устроена Вселенная).
Ленинградский университет. Семинар Я.И. Френкеля. Слева направо: И.И. Гуревич, Л.Д. Ландау, Л.В. Розенкевич, А.Н. Арсеньева, Я.И. Френкель, Г.А. Гамов, М.В. Мачинский, Д.Д. Иваненко, Г.А. Мандель. 1929 г
https://kapitza.ras.ru/museum/landau/biography.htm
Гамов вернулся в Советский Союз в конце 1929 года, и снова уехал, получив Рокфеллеровскую стипендию. Но эта вольница подходила к концу.
Побег
Весной 1931 года Гамов приехал в Советский Союз. Он думал, что приехал ненадолго и планировал уже осенью поехать в Рим на конгресс по исследованию ядра, где должен был собраться весь цвет мировой физики. Гамова там ждали, он собирался сделать доклад, который обещал стать одним из центральных событий конгресса. Но…
Ему вдруг отказали в праве на выезд. Он никак не мог понять, что происходит. А между тем происходили очень глубокие перемены. Советских ученых перестали выпускать из страны. Сколько Гамов не пытался, разрешения на поездку в Рим на конгресс он не получил.
Он был глубоко разочарован. Несмотря на то, что он много и плодотворно работал в СССР (в частности, написал серию статей для «Успехов физических наук» об исследовании ядра), несмотря на то, что он был избран членом-корреспондентом Академии наук в 27 лет (42 голоса «за», один — «против»), Гамов не хотел такой жизни. Но и окончательно и безвозвратно уезжать и рвать все отношения с родной страной, Гамов тоже не хотел. Он хотел «жить как Капица», работать там, где удобно, приезжать и уезжать, когда и куда необходимо. На самом деле это ведь не так много. В Декларации прав человека — это одно из базовых прав: право не передвижение. Вот только почему-то оно никак не реализуется вполне.
В 1931 году Гамов женился. Его супругой стала Любовь Николаевна Вохминцева. Она закончила Физико-математический факультет МГУ по специальности теоретическая физика; была практически того же возраста, что и Георгий Антонович (на год его моложе).
Получив множество отказов в оформлении загранпаспорта Гамов при полной поддержке супруги решил перейти границу нелегально. Люди не частицы, и «просочиться» сквозь «потенциальный барьер» у них получается не всегда. Но Гамов решил попробовать.
Сначала он оценил высоту «потенциального барьера». Трудность перехода границы он посчитал равной произведению двух величин: «природных условий» и «строгости охраны». По его оценке трудность перехода была равна произведению этих величин: «трудность перехода» = «природные условия» X «строгость охраны». Оценив известные ему данные, Гамов пришел к выводу, что «трудность перехода» примерно равна константе вдоль всей границы: там, где граница не так строго охраняется, например, с Китаем, «природные условия» очень трудные, а там, где «природные условия» приемлемые, граница охраняется хорошо. Получалось, что все равно, где переходить границу — всюду это одинаково трудно.
Гамов вырос в Одессе, и Черное море — это его родное море. Он видел его разным, и тихим, и штормовым. Гамов еще и имел определенную морскую подготовку. Лисневский в комментарии к русскому изданию «Моей мировой линии» пишет: «Летом 1921 г. Гамов занимался морским спортом в Военно-морской школе при Одесском яхт-клубе и даже принимал участие в морских гонках воспитанников этой школы».
Выбор Гамова пал на Крым. Расстояние от Южного берега до Турции, Гамов оценил в 280 километров. Не так и много. Ориентироваться можно по компасу: направление — строго на юг. Почти до середины пути будет видна Ай-Петри, а потом уже скоро появится и «берег турецкий», такой желанный. Причем, переходить (переплывать) границу Гамов решил без документов, в расчете на то, что в Турции ему дадут возможность позвонить Бору, а Бор (всеобщая палочка-выручалочка) — дальше все устроит.
Оставалось только переплыть Черное море. Тут Гамову повезло. В Советском Союзе начали производить байдарки, и Гамов решил, что это как раз то, что надо. Надо взять байдарку, привезти ее в Крым, а дальше до Турции уже рукой подать. Байдарку он раздобыл, кое-как собрал продуктовый запас (напомним, что это голодный 1932-й год), и они с супругой погрузились в поезд до Крыма.
На снимке не очень хорошо видно лица, но видно судно, на котором Гамов и его жена планировали пересечь Черное море. «Моя мировая линия».
После того, как они отплыли, какое-то время был штиль, и мореплаватели, шлепая веслами, удалились от берега, видимо, на несколько десятков километров. Но потом подул восточный ветер, и байдарку стало захлестывать. Хотя на ней был фартук, он не очень помогал. Лодку заливало. Греб только Гамов, жена вычерпывала воду. При волнении следует повернуться носом к волне, но ведь наш путь лежит прямо на юг, значит — вперед.
Потом ветер переменился, стал дуть с юга и просто пригнал героев обратно к Крыму. Их выбросило на берег в Балаклаве, примерно в пятидесяти километрах западнее Алупки, откуда они стартовали.
Но Гамов все-таки уехал. И уехал вместе с женой, что в 1933 году представляется почти настолько же невероятным, как и шанс переплыть Черное море на байдарке. И вытащил его в результате все тот же Бор.
Сольвеевский конгресс
Неожиданно Гамов получил письмо из Наркомпроса с сообщением, что он делегируется Советским правительством на международный Сольвеевский конгресс по ядерной физике, который должен был состояться в Брюсселе в октябре 1933 года. Это был бы шанс, если бы Гамов был один. Получить паспорт еще и для жены, вот это выглядело совершенно нереалистично. Но Гамов все-таки попробовал. Он был знаком с Бухариным. Некогда один из влиятельнейших людей в СССР был уже в опале. Бухарин пришел на лекцию Гамову и был впечатлен.
Гамов попробовал исхлопотать паспорт для жены через Бухарина, но тот честно ему признался, что максимум, что он может сделать, — устроить ему встречу с Молотовым. Гамов с Молотовым встретился. И тот как-то совсем легко согласился посодействовать в получении паспорта для жены. Но когда Гамова пригласили получать паспорта — паспорт оказался один — только для него. Гамов отказался и потом два дня ждал, что его арестуют. Но после нескольких отказов Гамова ехать в Брюссель без жены, неожиданно нашелся и второй паспорт.
И они поехали. Вдвоем в Брюссель. Конгресс прошел вполне нормально, но после него Гамов заявил своим друзьям и покровителям, что возвращаться в СССР он отказывается. Тогда ему позвонил Бор и сказал, что Ланжевен пригласил Гамова на конгресс по просьбе Бора, и Бор дал ему гарантию, что Гамов вернется в Россию. Гамов оказался крайне трудной ситуации. Конечно, под конвоем его бы Бор в Россию не повез, но ссора с Бором да и с Ланжевеном в планы Гамова никак не входила. Она означала своего рода остракизм из всего физического сообщества.
Сольвеевский конгресс. 1933. Гамов стоит в самом углу. Он самый высокий. «Моя мировая линия»
Положение Гамова спасла Мария Кюри. Она поговорила с Ланжевеном и убедила его оставить Гамова в покое и на его возвращении не настаивать. Гамов пишет, как он ждал, чем закончится разговор Кюри с Ланжевеном, и места себе не находил. Она его, можно сказать, спасла. Если Бор вытащил Гамова из Советского Союза, то Кюри спасла от изгнания из той страны, в которой Гамов только и мог жить — это страна называется Физика.
Но репутация Гамова все-таки пострадала. И в Европе он остаться не смог. Ему нашлись временные короткие позиции и в Институте Кюри, и в Институте Бора, и в Кавендишской лаборатории у Резерфорда, но на постоянную позицию его никто не пригласил.
Гамов получил приглашение от Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне. Он не входил в топ американских университетов, но Гамов принял приглашение и остался в Вашингтоне более чем на 20 лет — до 1956 года.
Астрофизик и космолог Артур Чернин пишет, что Гамов согласился на приглашение Университета Джорджа Вашингтона, но оговорил свои условия: «Toгдашний президент этoгo универcитета Марвин хoтел, чтoбы в универcитете развивалаcь нoвейшая физика; нo как oбъяcнил ему автoритетный физик-экcпериментатoр Мерл Tьюв из Инcтитута Kарнеги в Bашингтoне, oбoрудoвание хoрoшей физичеcкoй лабoратoрии пoтребует уже на первых пoрах никак не меньше 100 тыc. дoлларoв. И этo тoлькo началo, за кoтoрым дoлжны пocледoвать куда бoлее cерьезные раcхoды, еcли пoдхoдить к делу ocнoвательнo. А вoт развивать физичеcкую теoрию мoжнo c гoраздo бoлее cкрoмными cредcтвами: теoретику требуетcя карандаш, бумага, ну и еще, кoнечнo, раcхoды на учаcтие в кoнференциях, чтo неизбежнo в любoм cлучае. Марвин cпрocил, ктo мoг бы пoднять физику в Bашингтoне дo мирoвoгo урoвня. И Tьюв cказал:”Гамoв”».(6)
Условия Гамова были такими: он должен иметь возможность проводить в Вашингтоне ежегодные конференции по теоретической физике с участием ведущих физиков мира — по примеру Копенгагенских конференций, которые проводил Бор, и университет пригласит еще одного теоретика по выбору Гамова, «чтобы было с кем поговорить о теоретической физике». Университет условия Гамова принял.
Первая Вашингтонская конференция состоялась уже в 1935 году. До начала Второй мировой войны удалось провести всего пять конференций, в которых участвовали Бор, Ферmи, Бете, Чандрасекар, Дельбрюк и многие другие знаменитые теоретики.
А для «разговоров» по выбору Гамов (профессором с той же, что и у него зарплатой, в 6 тыс. долларов в год) был приглашен Эдвард Теллер. Много лет спустя Гамов говорил, что его главным вкладом в военную мощь Америки стало как раз приглашение Теллера, который в 1941 году включился в Манхэттенский проект по разработке атомной бомбу, а потом возглавил программу создания термоядерной бомбы (и привлек в этот проект Гамова).
У Гамова все получилось. Он обрел твердую почву под ногами и получил возможность активно заниматься теоретической физикой. А 1934 году родился его сын — Игорь Гамов, будущий известный биофизик. Америка из научной провинции, которой она была еще в 1920-ые годы, очень быстро — буквально за 10-15 лет стала одним из основных центров мировой физики, и Гамов сыграл в этот процессе важную роль.
Многолетние собеседники Георгия Гамова: Нильс Бор и Альберт Эйнштейн. «Моя мировая линия»
Ядро Вселенной
Обычно, когда говорят о Нобелевских премиях, которые не получил Гамов, открытие туннельного эффекта для альфа-распада как раз упоминают нечасто. Гораздо чаще говорят об «открытии генетического кода» и «микроволнового фона». И то, и другое, безусловно, выдающиеся работы.
Гамов приводит слова Френсиса Крика, одного из первооткрывателей структуры ДНК, сказанные об открытии Гамовым генетического кода: «Идее кодирования сильно помогло знание структуры ДНК, опубликованной в 1953 г. Ее простота поразила многих, включая космолога Джорджа Гамова. Сокращенное сообщение о работе Гамова впервые появилось в кратком письме в Nature в 1954 г. и за ним последовал более обстоятельный отчет в Proceedings of the Royal Danish Academy. Я горжусь тем, что являюсь обладателем одного из первых набросков этой статьи, тогда озаглавленной «Синтез протеина молекулами ДНК», авторами которой были Дж. Гамов и С. Дж. Х. Томпкинс! (Гамов как-то рассказал мне, что он направил эту статью в Proceeding of the National Асаdemy, но издатели, конечно, отказали м-ру Томпкинсу как мнимому автору и по этой причине статья была в конечном счете опубликована Датской Королевской академией, хотя только с Гамовым как единственным автором.)… Важность работы Гамова состояла в том, что это была действительно абстрактная теория кодирования, которая не была перегружена массой необязательных химических деталей, хотя ее основная идея о том, что вдвое скрученная ДНК служит шаблоном для протеинового синтеза, была, конечно, совсем неправильна. Он ясно понял, что перекрывающийся код накладывает ограничения на аминокислотные последовательности и что следует, возможно, доказать или, по крайней мере, опровергнуть разные перекрещивающиеся коды изучением известных аминокислотных последовательностей».
Гамов не удержался и здесь пошутил, и взял в соавторы мистера Томпкинса — героя своих научно-популярных книг. Он не «строил» науку упорно и хмуро, он в нее играл, и это, конечно, на фоне других «серьезных» ученых, выглядело несколько легкомысленно. Можно привести и другие примеры такой гамовской игры (например, историю с «альфа-бета-гамма статьей»), но если эта игра кому-то и повредила, то, наверно, самому Гамову.
В отличие, например, от Ричарда Фейнмана, который достаточно строго разделял игру на бонго или взламывание сейфов и настоящие исследования, Гамов вводил игру в сами научные работы. И этот несколько легкомысленный элемент, вероятно, и Нобелевскому комитету несколько помешал. Можно себе представить, что Гамову удалось опубликовать работу по генетическому коду под двумя фамилиями. И Нобелевский комитет присуждает премию двум авторам. И что же происходит? Конечно, такой вариант крайне маловероятен, но ведь не невозможен.
Но видимо, больше всего вопросов к Нобелевскому комитету возникает по поводу работы Гамова о микроволновом фоне. К 40-м годам Гамов все меньше занимался микромиром, его больше интересовали звезды и Вселенная. Гамов вернулся к своей юношеской любви — Фридмановской модели Вселенной. Но теперь он был несравнимо лучше вооружен и наблюдениями астрономов и исследованиями микромира. И, наверно, можно так сказать, что в его голове произошло своего рода «короткое замыкание» — ядра атома и всей Вселенной. Сработала мощнейшая гамовская интуиция.
Анализируя процессы горения звезд, образования сверхновых и белых карликов, Гамов с коллегами пришел к выводу, что в самом начале мира должен быть момент, когда происходит рекомбинация, образуются атомы водорода, и фотоны вырываются на свободу. Если они вырываются, значит мы должны их видеть. Где они? И Гамов предположил, что они существуют в виде микроволнового излучения и (вот это главное) вычислил температуру этого излучения — 3 градуса по Кельвину. И его открытие подтвердилось.
Гамов пишет: «Приятной неожиданностью стало то, что в 1965 г. А. А. Пензиас и Р. У. Уилсон из Лабораторий Bell Telephone, наблюдая что-то совсем другое, заметили изотропное излучение с длиной волны 7,2 см, которое могло соответствовать тепловому излучению при температуре примерно 3 градуса по абсолютной шкале. Услышав о таком открытии, Р. Г. Дикке, П. Дж. Пиблс, П. С. Ролл, и Д. Т. Вилкерсон из Принстонского университета интерпретировали наблюдаемое излучение как остатки изначального тепла во много миллиардов градусов, которое существовало в первые дни Вселенной и остывало до нескольких жалких градусов в результате постепенного ее расширения на протяжении нескольких десятков миллиардов лет. Наблюдения упомянутых выше авторов, так же, как многих других, установили вне всякого сомнения, что здесь действительно впервые столкнулись с охладившимся первичным излучением, которое должно было существовать в «дни творения»».
Георгий Гамов. 1960-ые. Denver post
И здесь, кажется, было все что надо для Нобелевского комитета: теория, которая сработала, как предсказание, и получила экспериментальное подтверждение. Но, видимо, предсказание это не так убедительно для современников, как объяснение. Предсказание — это ведь всегда мостки в будущее — в пустоту. И если оно чему-то в будущем вдруг соответствует и что-то объясняет, к этому еще надо привыкнуть. Так надо было привыкнуть к тому, что космология — это не игра в Создателя, а серьезная наука, которой можно заниматься не только спекулятивно — выписывая формулы и предаваясь математическим фантазиям, но нормально, как, например, физикой ядра: проводить наблюдения, строить модели, делать ошибки, считать погрешности… Но, чтобы Нобелевский комитет и обобщенное «научное сообщество» привыкли к космологии, после экспериментального открытия микроволнового излучения понадобилось еще 13 лет. Для науки это немного, но для человека, особенно для уже немолодого и тяжело больного, иногда слишком долго. Может быть, проживи Гамов еще 10 лет, он бы и присоединился к Пензиасу и Уилсону. Но это только слабое предположение, порожденное простым человеческим желанием, чтобы мир был справедливым и заслуги вознаграждались. А так бывает далеко не всегда.
Нобелевская премия за генетический код была присуждена в 1968 году, а за микроволновой фон — в 1978. Обе уже после смерти Гамова.
Гамова трижды номинировали на Нобелевскую премию — в 1943, 1946 и в 1967. Все три раза безуспешно.
В 1956 году Гамов стал профессором Колорадского университета в Боулдере. Эдвард Кондон стал профессором того же университета в 1963. Они жили в одном кампусе в нескольких сотнях метров друг от друга. Наверно, встречались. Раскланивались. Профессор этого университета Альберт Аллен Бартлетт попытался восстановить справедливость. Он номинировал в 1967 году на Нобелевскую премию Гамова и Кондона. (Герни умер в 1953 году.) Но и у Бартлетта ничего не вышло.
Гамов умер 19 августа 1968 года.
Вера Рубин писала о своем учителе: «Он не сразу сказал бы вам, cкoлькo будет 7×8. Но его ум способен был понять Вселенную».(7) Первая часть этого высказывания принадлежит самому Гамову, Рубин просто процитировала «Мою мировую линию». А вторая — прекрасному астроному, много думавшему о Вселенной как о целом. В определенном смысле, чтобы «понять Вселенную», надо выйти за ее пределы. Вероятно, поэтому Макс Дельбрюк (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1969) многолетний друг Гамова назвал свою статью о нем «Out of this world», буквально «Вне этого мира».(8) А сам Гамов отправил своего героя мистера Томпкинса в путешествие вокруг Вселенной. В определенном смысле Гамов вышел за пределы Вселенной и обошел ее кругом в полном согласии с ОТО, двигаясь только вперед, и рассказал, что он увидел.
Мы выпускаем серию «Создатели», в которую входит и очерк о Георгии Гамове совместно с Российско-Американской ассоциацией ученых (RASA — Russian-American Science Association). RASA ежегодно присуждает премию «в память о выдающемся русско-американском физике, профессоре Георгии Антоновиче Гамове (1904-1968), а также в целях поощрения членов русскоязычной научной диаспоры за выдающиеся достижения, признанные широким научным сообществом». Последнее награждение прошло совсем недавно, и о лауреатах мы рассказывали.
Автор текста Владимир Губайловский
Примечания
(1) Воспоминания Гамова, и факты биографии без дополнительных ссылок всюду цитируются по изданию: Гамов Дж. Моя мировая линия: Неформальная автобиография: Перевод с английского. М.: «Наука». Перевод, комментарии и дополнительные материалы Ю.И. Лисневского. Онлайн.
(2) Эта теория излагается сразу после производных высших порядков см. Г. М. Фихтенгольц. Курс дифференциального и интегрального исчисления Т. 1, главка 126. «Другие формы дополнительного члена», любое издание.).
(3) В.Я. Френкель. Георгий Гамов: Линия жизни 1904–1933 (K 90-летию со дня рождения Г. А. Гамова). Успехи физических наук, Август, 1994. Серия «Из истории физики». https://ufn.ru/ufn94/ufn94_8/Russian/r948c.pdf)
(4) В.Я. Френкель. Александр Александрович Фридман (Биографический очерк). Успехи физических наук. 1988 г. Июль 53(092) Том 155, вып. 3. (Из истории физики) https://ufn.ru/ru/articles/1988/7/d/
(5) Цит. по В.Я. Френкель. Георгий Гамов… https://ufn.ru/ufn94/ufn94_8/Russian/r948c.pdf
(6) А.Д. Чернин. Гaмoв в Aмepикe: 1934–1968. Успехи физических наук. 1994, Август. https://ufn.ru/ufn94/ufn94_8/Russian/r948d.pdf.
(7) Rubin V. In Gamow Cosmology (Eds. F Mеlhiorri and R. Ruffini) (Dordrеcht: North-Holland, 198б). Цит. по А.Д. Чернин. Гaмoв в Aмepикe: 1934–1968.
(8) Cosmology, Fusion & Other. Matters. George Gamow memorial volume. Edited by. Frederick Reines. University Press, Boulder Colorado, 1972. https://tilde.ini.uzh.ch/~tobi/fun/max/OutOfThisWorldDelbruckGamow.pdf
Владимир Губайловский 12.12.2024