Научно-популярный журнал, издается с 1926 года

Альфа, бета, Гамов

Альфа, бета, Гамов
Георгий Антонович Гамов

Геннадий Горелик

Когда разглядываешь науку и жизнь (завершившуюся ровно полвека назад) Георгия Гамова, невольно заражаешься легкомыслием, которым отличался этот советско-американский физик-теоретик. По той же причине, вероятно, судьба не пожалела для него невероятных приключений.

При этом, как водится в приключенческом жанре, начало его пути в науке выглядело малообещающе. Проучившись два года в Одесском университете, он в 1922 году приехал доучиваться в Петроград. Из одесских лекций по физике он запомнил более всего их «мелодраматический» характер — мелом и драматическим голосом лектор заменял приборы для демонстрации опытов.

В Петрограде, лишь недавно переставшем быть столицей страны, учебно-научные возможности были богаче, но к разрухе только что законченной гражданской войны, к голоду и холоду добавлялась многолетняя изоляция от мировой науки. Особенно чувствительной эта изоляция была в физике. Во-первых, потому что российская физика и так отставала от мировой, — гораздо сильнее, чем математика и химия с великими русскими именами Лобачевского и Менделеева. А во-вторых, потому что в те годы в мировой физике шла подлинная мировая революция.

Физика от альфы до Омеги

Одно из главных мировых достижений Гамова называется «теория Большого Взрыва» — точнее сказать, «Самого Большого Взрыва», поскольку то был Взрыв Вселенной. Это теория Гамова была бы немыслима, если бы Вселенная не расширялась. А об этой возможности студент Гамов узнал от профессора Фридмана, преподававшего в Петроградском университете. Но в 1920‑е годы, при всем уважении к профессору, студент Гамов интересовался другими вещами. То есть он, конечно, интересовался всей физикой — от альфы до омеги, от микрофизики самых малых физических объектов, из которых состоит всякое вещество, до Ωмегафизики самого большого физического объекта — Вселенной как целого. Но интереснее была альфа. Ведь Вселенная всего одна, и с ней особенно не поэкспериментируешь. А загадок мельчайших составляющих ее частиц было хоть отбавляй. Перед теоретиками стояли увлекательные задачи объяснить странные результаты опытов, предсказать новые и получить — в результате новых опытов — либо радость разгадки, либо честное поражение. И то и другое разжигает азарт исследователя. А в свете истории науки ясно, что для продвижения в области мегафизики Гамову необходима была гораздо более зрелая микрофизика, чем была в наличии в 20‑е годы. И в этом созревании деятельное участие принял он сам.

В 1928 году теоретики пребывали в оцепенении перед океаном микрофизики, поскольку были убеждены — и не без оснований — что для дальних путешествий в этом океане необходимо построить какой-то совершенно новый, невиданный корабль, а то и подводную лодку. Речь идет именно о теоретиках. С экспериментальной ядерной физики — с открытия радиоактивности — начался двадцатый век и, заодно, новый век в истории физики. Одним из первых следствий новой физики стало массовое освоение первых трех букв греческого алфавита — α, β  и γ. Три вида радиоактивности, α-, β- и γ-лучи, при всей непонятности своего происхождения стали могущественным инструментом в физике микромира. С помощью этого инструмента в 1911 году Резерфорд понял, как устроен атом, — что устроен он в основном… из пустоты, отделяющей крошечное ядро, размер которого в сотни тысяч раз меньше атома, от движущихся вокруг ядра электронов. Сразу стало ясно, что устройство атома не подчиняется известным законам физики. И спустя два года Нильс Бор открыл первые законы новой — атомной — физики.

Коллеги Резерфорда и Бора уже установили, что α-частицы — это ядра гелия, β — электроны, а γ  — порции света. Но что такое ядро, оставалось полной загадкой. Почему из некоторых ядер иногда вылетают α-, β- или γ-частицы, а из других ничего никогда не вылетает? Это был только один из безответных вопросов. Еще хуже было то, что новооткрытые законы атомной физики считались неприменимыми к ядру.

Считалось, что ядра должны были содержать электроны, — раз они оттуда иногда вылетали, но согласно квантовым законам удержать электрон в ядре труднее, чем утаить шило в мешке. Скорость внутриядерных электронов в очень малом ядре должна была быть очень большой, близкой к скорости света. А для таких скоростей одной квантовой механики было недостаточно. Нужно было еще учитывать и теорию относительности. Но учитывать обе эти теории сразу физики не умели. Поэтому ждали нового Эйнштейна-Бора, в одном лице, который, совершив еще один переворот в микрофизике, открыл бы подлинные законы микромира.

Физики на своих старых лодках плавали потихоньку в прибрежных водах, но не смели отправиться вдаль и вглубь микромирового океана. Головоломные парадоксы ядерной физики побудили Гамова сделать печатку «череп и кости», где роль костей исполняли две перекрещенные буквы β, чтобы этой печаткой, на полях своих рукописей, отмечать  все упоминания β-электронов. Пребывать в оцепенении на берегу океана нераскрытых истин было ему абсолютно не свойственно. А свойственно было… легкомыслие. Поэтому, расхаживая по берегу и смело щупая ногой воду, он обнаружил в океане микрофизики некую отмель, по которой можно — почти аки по суху — зайти довольно далеко. Эта отмель — альфа-распад ядер. И Гамов не упустил возможности, предоставленной природой и подкрепленной Наркомпросом, как называлось тогда Советское министерство образования, на деньги которого в июне 1928 года Гамов отправился на стажировку в Германию на полгода. Этого времени Гамову хватило, чтобы сделать работу, с которой началась теоретическая ядерная физика. Работа принесла ему мировую известность и заграничные стипендии, позволившие продлить стажировку на три года.

Гамов увидел в альфа-частице квантовый объект и смог выяснить важные закономерности альфа-распада. Тем самым, квантовые законы оказались применимы не только в мире атомов, но и внутри ядра. Это было замечательное достижение — первое проникновение теории вглубь ядра. Подобно Васко да Гама — первооткрывателю морского пути в Индию, Георгий Гамов открыл теоретикам путь в ядерные недра. Не удивительно, что это открытие понравилось первооткрывателю атомных законов Бору, который и выхлопотал первую несоветскую стипендию для молодого советского теоретика.

Из Европы — в крепкие объятия Родины

В августе 1931 года Гамов в очередной раз приехал на родину, в Ленинград. За его плечами — теория альфа-распада, принесшая ему мировую известность, и три года пребывания в центрах мировой физики.

Если к его послужному списку прибавить совсем другие обстоятельства — нехватку научных кадров в СССР и их небольшие оклады, станет не удивительным, что, помимо Физико-математического института, Гамов поступил на работу еще в Радиевый институт и ЛГУ.

Новый доцент ЛГУ, заполняя анкету, в графе «владение языками» написал, что «свободно владеет: немецким, английским и датским», а «читает и переводит со словарем: древнеегипетский». Без Европы за плечами вряд ли он позволил бы себе такую вольность в обращении с отделом кадров.

На родину Гамов приехал не с пустыми руками, а с приглашением на Первую международную конференцию по ядерной физике, в октябре в Риме, — сделать один из главных докладов «Квантовая теория строения ядра». В повестке конгресса уже значилось: «George Gamow (Soviet Union)». Большая честь для молодого физика и, казалось бы, для его родины. Но родина почему-то на эту конференцию Гамова не выпустила. Это было ужасно обидно, хотя можно было еще думать, что причина — неповоротливость советской бюрократии, не успели оформить нужные бумаги, что поделаешь…

Научная жизнь, конечно, не сводится к международным конференциям. Важнее повседневный круг общения. Особенно близко, со студенческих лет, Гамов общался с молодыми теоретиками из Физико-технического института — Львом Ландау и Матвеем Бронштейном. Все они уже были самостоятельными исследователями, не нуждались в научном руководстве и занимались физикой на мировом уровне. Творческое свободолюбие плюс молодость (самому старшему Гамову было 27) толкали к действиям, от которых маститые коллеги ёжились.

Европейский опыт, прежде всего в Институте теоретической физики Нильса Бора (основанном в 1921 году), подсказал идею создать подобный институт и в России, разделив Физико-математический институт Академии наук на Математический и Физический и «придавши Физическому институту роль всесоюзного теоретического центра, потребность какового резко ощущается в последнее время», как Гамов написал в своей докладной записке в конце 1931 года. Затрат это предложение не требовало, — теоретикам для работы достаточно бумаги и карандаша.

Директор ФМИ, академик-математик А. Н. Крылов, поддержал идею Гамова. Но руководители крупнейших физических институтов, академики Иоффе и Рождественский, возражали. Оба, преданные науке экспериментаторы, принадлежали к предыдущему поколению. Главный их довод «теорию нельзя отрывать от эксперимента» звучит убедительно, но совершенно не применим к Гамову и его друзьям-теоретикам, которые всегда помнили, что физика — наука экспериментальная, как и Нильс Бор, и как А. Н. Крылов, всю жизнь применявший математику к механике и к инженерному делу. Однако мнение больших научных начальников возобладало: ударное строительство сталинской вертикали способствовало централизации советской науки.

Не помогло даже то, что в разгар обсуждений самого Гамова избрали в Академию наук. Выборы в Академию считал своим делом отечественный «старикан», 69‑летний директор Радиевого института В. И. Вернадский, который весной 1932 года писал:

«Сейчас идет интенсивная работа в области выяснения строения ядра атомов. Это проблема, на решение которой сейчас направляется мысль физиков всего мира. В составе Радиевого института есть сейчас талантливые научные силы, в частности, молодой физик Г. Гамов, теоретические искания которого сейчас находятся в центре внимания мировой научной мысли. Гамов не один, но таких и не много. Наш Союз столько потерял талантливой, богато одаренной для научной работы молодежи, что необходимо вообще принять срочные меры для уменьшения этого несчастья и для предоставления настоящих условий работы оставшимся и нарастающим. Таких людей всегда немного и создавать их мы не умеем. Одаренная для научной работы молодежь есть величайшая сила и драгоценное достояние человеческого общества, в котором она живет, требующая охраны и облегчения ее проявления. Надо учитывать это в каждом частном случае. Имея таких людей в Радиевом институте для такой важнейшей научной проблемы, надо дать свободный простор их работе».

Именно Вернадский выдвинул кандидатуру 27‑летнего Гамова в Академию наук. И в феврале 1932 года Гамова избрали членкором Академии наук СССР.

Тогда же разделили ФМИ, но директором Физического института назначили академика С. И. Вавилова и отвергли идею «теоретического центра». Сотрудником ФИАНа оставался и Гамов. К неудаче с Институтом теоретической физики добавилось то, что Гамову не дали воспользоваться приглашением на конференцию в Институте Бора и еще несколькими приглашениями. Началась новая эпоха. Гамов почувствовал это интуитивно — ощутил себя в клетке и даже не в золотой. А вольная птица в неволе не поет, даже если ей присвоить почетное звание. На счастье, в 1933 году дверца клетки приоткрылась. Гамова командировали на Сольвеевский конгресс «Структура и свойства атомного ядра». Обратно он уже не вернулся, стал «невозвращенцем», что по тогдашним советским законам было преступлением, каравшемся смертной казнью. Дверью он не хлопал, писал заявления о про­длении командировки, и еще целый год ему это удавалось.

Как отнесся Вернадский к решению Гамова? Несомненно, с горечью, но вряд ли с безоговорочным осуждением. Ведь он сам писал, что «ученый по существу интернационален — для него на первом месте, раньше всего, стоит его научное творчество, и оно лишь частично зависит от места, где оно происходит. Если родная страна не даст ему возможности его проявить, он морально обязан искать этой возможности в другом месте».

Найдя эту возможность за границей, Гамов своими руками и головой вплетал российскую науку в мировую.  Хотя в автобиографии он не вспомнил российского геохимика и мирового мыслителя Вернадского, второй мировой результат Гамова корнями восходит к тому, что он слышал в Радиевом институте. Одна из проблем, занимавших геохимика Вернадского, — распространенность химических элементов на нашей планете. Эта проблема связана с историей самой планеты Земля и, стало быть, с историей, или космогонией, Солнечной системы.

Как Гамов разгорячил Вселенную

Именно распространенность химических элементов во Вселенной стала для Гамова отмелью в бездонном и почти безжизненном тогда океане космологии. В 1930—40‑е годы многим астрономам мертвой казалась и сама космология Эйнштейна-Фридмана. Дело в том, что расширение Вселенной, как наблюдательный астрономический факт, впервые обнаружил в 1927 году Жорж Леметр. Но измерение скорости расширения, основанное на многоступенчатой шкале межгалактических расстояний, давало возраст Вселенной всего в два миллиарда лет. А это было слишком мало. Некоторые звезды старше, и даже Земля, согласно геохронологии, оказывалась старше Вселенной, что абсурдно. Лишь в 1950‑е годы, после уточнения-удлинения шкалы расстояний, эта неувязка исчезла.

В первой статье Гамова по космологии 1946 года есть ссылка на книгу по геохимии, откуда он взял данные о распространенности элементов. Он надеялся теоретически объяснить эти данные — объяснить происхождение химических элементов во Вселенной. В то время считалось, что нынешняя пропорция элементов зафиксировалась в некий ранний момент расширения Вселенной, когда — из-за уменьшения плотности и охлаждения — активные ядерные реакции прекратились. А до того момента, как считалось, имелось ядерно-тепловое равновесие между разными ядрами. Однако равновесные расчеты давали ничтожную долю тяжелых элементов, вопреки данным геохимии.

Гамов предположил иной — неравновесный — сценарий: в быстро расширяющейся Горячей Вселенной из первичного чисто нейтронного вещества при уменьшении плотности начинают образовываться протоны, к которым последовательно прилипают нейтроны, образуя все более тяжелые ядра, пока расширение Вселенной не остановит этот процесс. Он задал содержательный физический вопрос по поводу происхождения Вселенной: каковы были условия в начале расширения, во время Большого Взрыва, что его «осколками» стали разные химические элементы в наблюдаемой пропорции? Ответ на этот вопрос Гамов предложил искать в горячем котле взрывающейся Вселенной, в котором варились элементы. Он понял, что вариться они должны были очень быстро, поскольку «Вселенский котел» очень быстро расширялся и — соответственно — остывал. С космологическим варевом разобраться оказалось непросто, но независимо от результатов варки, от того горячего времечка, как сообразил Гамов, должно было остаться тепло, распределенное по всему вселенскому пространству, и он предсказал температуру того теплового излучения.

Идея Гамова оказалась очень плодотворной, хоть и… ошибочной. Ошибочной, потому что последовательное добавление нейтронов во вселенском котле обрывается очень рано — не существует устойчивых ядер с массой 5, и перепрыгнуть через этот барьер не удавалось. А плодотворной стала сама возможность неравновесной физики.

Теоретики предполагали равновесие, в сущности, по той же причине, по которой потерянные ключи ищут под фонарем — там легче искать. Лучше все же сообразить, где примерно ключи могли выпасть, и искать там, хоть и ощупью. Так и условия ранней Вселенной лучше не постулировать «для простоты», а извлечь из них следствия, которые после сравнения с наблюдениями скажут нечто о процессах в начале космологического расширения. Так впоследствии получили соотношение легких элементов космологического происхождения — водорода и гелия, подтвердив предположение Гамова о том, что ранняя Вселенная была горячей.

Первыми же пользу из идеи неравновесности извлекли главные оппоненты Гамова — сторонники так называемой стационарной космологии, которая основывалась на неизвестной (пока) физике. Согласно же ей вещество, якобы, рождается в пустом пространстве из ничего и неизвестно (пока), почему. Но зато эти «нефизические» космологи могли надеяться лишь на то, что тяжелые элементы рождаются в котлах внутризвездных, по законам самой обычной физики. И им удалось создать теорию рождения тяжелых элементов во взрывах звезд. Ныне это — общепринятое представление о происхождении основного вещества планет, включая элементы, необходимые для жизни. Без того чтобы взрывы первого поколения звезд в юной Вселенной произвели эти элементы, известная нам форма жизни была бы невозможна.

Однако сама стационарная космология не выдержала другого следствия из идеи Горячей Вселенной — космического реликтового излучения. Гамов и его сотрудники несколько раз оценивали температуру этого излучения, хоть и не для того, чтобы озадачить астрономов своим предсказанием. Они хотели убедиться в разумности своего сценария: если получилась бы слишком большая температура, сценарий пришлось бы забраковать. Его забраковали, как уже сказано, по совсем другой причине, но фоновое космическое излучение с его малой температурой незаметно жило своей жизнью и дождалось случайного открытия в 1965 году!

И Гамов дождался триумфа правильного следствия из его ошибочной, но плодотворной, идеи. Эту удачу он заслужил, расширив возможности физического подхода к ранней Вселенной и не отступив от космологии Фридмана в трудное для нее время. Благодаря этому космология из философски-математической и астрономической науки превратилась в физическую. Гамов, можно сказать, проложил туннель от α до Ω, от микрофизики к мегафизике.

Дед водородной бомбы и не Герой Соцтруда

Титул «отец водородной бомбы» давно и широко используется в ненаучно-популярных сочинениях. И почему-то не говорят о дедушках, а ведь без них не было бы и отцов. Джордж Антонович Гамов имеет полное право на титул «деда водородной бомбы», и даже сразу двух — и американской и советской. При этом никакой мрачной тени на него не падает, хотя его собственная тень появилась в самом начале совершенно секретной хронологии водородной бомбы, подготовленной в 1953 году в Конгрессе США в связи с разбирательством, кто мешал рождению американской водородной бомбы:

«As early as 1932 there were suggestions by Russian scientists and others that thermonuclear reactions might release enormous amounts of energy», или, на родном языке Гамова, «Еще в 1932 году русскими учеными и другими высказывались соображения, что термоядерные реакции могли бы привести к высвобождению огромных количеств энергии».

Это — не фальсификация истории, а чистая правда: русский Гамов совместно c австрийцем Хоутермансом и англичанином Аткинсоном первыми занялись теорией термоядерных реакций. Но это еще и политика — напомнить о русской опасности, не сказав при этом, что русский термоядерный пионер давно живет в США.

Авторы той историко-политической хронологии не знали о вкладе Гамова в советскую водородную бомбу. Дело в том, что попытка Гамова создать Институт теоретической физики привела, как сказано, к возникновению Физического института Академии наук, или ФИАНа, который, переехав в 1934 году в Москву, стал убежищем для научной школы Леонида Мандельштама. А в конце 40‑х годов два питомца этой школы, Андрей Сахаров и Виталий Гинзбург, стали отцами первой советской водородной бомбы.

Зато хорошо известна роль деда-Гамова в истории американской водородной бомбы. Когда ему в 1934 году предложили должность профессора в университете имени Дж. Вашингтона в одноименном городе, Гамов поставил условие: пригласить в тот же университет еще одного теоретика, чтобы было с кем говорить о теоретической физике. И пригласил венгерского физика Эдварда Теллера, с которым подружился за несколько лет до того в Институте Бора. Вряд ли надо напоминать, кем стал Теллер для американской водородной бомбы.

В 1996 году я спросил «отца американской H-бомбы» о роли Гамова в этом отцовстве, и, чтобы оживить его память, послал ему рисунки Гамова, сохранившиеся в только что рассекреченном архиве. В ответном письме Теллер так охарактеризовал своего друга:

«Джо Гамов был полон идеями, большинство которых были ошибочными. Однако у него было чудесное свойство не обижаться на критику и даже с готовностью ее принимать. В тех же, относительно немногих, случаях, когда он не ошибался, его идеи были по-настоящему плодотворны. Присланные Вами картинки связаны с работой Гамова в Лос-Аламосе. Та работа ни к чему особенному не привела, и я забыл почти все. Для меня самая интересная часть деятельности Гамова была связана с источником энергии Солнца, и в эту проблему мы с ним действительно сделали совместный вклад». А завершил письмо Теллер фразой вполне в духе своего друга: «Надеюсь, все, что я рассказал, будет Вам мало интересно».

Скажи мне, кто твой друг…

Останься Гамов в СССР и уцелей он, внук митрополита, в борьбе с социально опасными элементами, его бы тоже, вероятно, подключили к созданию советской водородной бомбы, и он тоже, вероятно, получил бы звание Героя Соцтруда. Но Гамов предпочел менее героическую биографию и, кажется, не жалел об этом.

Не надо жалеть и нам, его соотечественникам. Ведь если бы Гамов остался в СССР, он бы не сделал свою мировую работу по космологии, поскольку эту область физики советско-партийные идеологи запретили на долгие двадцать лет. Не сказал бы он свое слово в расшифровке генетического кода жизни, поскольку генетика была объявлена буржуазной лженаукой. Не написал бы он и свои веселые — слишком веселые, с партийной точки зрения, — научно-популярные книги. А так, после окончания советского периода истории России, соотечественники Гамова получили возможность читать его книги и смело размышлять над его приключенческой судьбой.

Ну а историков науки эта судьба учит, что даже в серьезной науке иногда важно быть не очень серьезным, и учит не очень серьезно относиться к нобелевским премиям, раз  ее не было у столь яркого таланта, навсегда вошедшего в историю науки, каким был советско-американский физик George Gamow.

 

 

Эксперимент внука митрополита. Страница из автобиографии Гамова

До революции и в периоды, когда Одесса была занята Белой армией, уроки религии были так же обязательны во всех школах, как и уроки чтения, письма и арифметики, и, будучи внуком митрополита, я, естественно, должен был быть лучшим в классе. Священник из соседней церкви, который вел эти занятия, величественно называл меня дьяконом. Но, изучая катехизис и порядок, в котором произносятся разные молитвы и поются псалмы на пасхальной службе, я не мог не завидовать еврейским мальчикам, которые освобождались от этих уроков и играли в мяч в школьном дворе.

Однажды отец купил мне маленький простенький микроскоп, и я решил сделать важный эксперимент, чтобы проверить церковный догмат. В Русской Церкви во время причастия красное вино и обмакнутый в него хлеб 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 эту крошку за щекой, быстро прибежал домой и положил ее под микроскоп. Для сравнения я заранее приготовил подобную крошку, смоченную красным вином. Глядя в микроскоп, я не мог увидеть разницы между двумя образцами. Структура двух кусочков хлеба была совершенно одинаковой и совсем не похожей на структуру кусочка моей кожи, который я предварительно срезал острым ножом с кончика моего пальца. Цвет образца, который я принес из церкви, был красноватым, но микроскоп был недостаточно сильным, чтобы разглядеть отдельные эритроциты.

Таким образом, то было только полудоказательство, но я думаю, что это был эксперимент, сделавший меня ученым.

Reset password

Recover your password
A password will be e-mailed to you.
Back to
Закрыть панель