И. Е. Тамм и становление отечественной физики[45]
И. Е. Тамм и становление
отечественной физики[45]
Здесь не место описывать все значительные события в жизни Игоря Евгеньевича, черты его личности, проявившиеся в университетские годы и в годы гражданской войны. Повторим лишь из сказанного ранее,[46] что он закончил университет в 1918 г. и тогда только резко отошел от политической деятельности (а в 1917 г. она была очень бурной). Он считался «меньшевиком-интернационалистом», т. е. довольно близким к большевикам. Однако уже Октябрь в сильной степени оттолкнул его от них.
Несколько последующих лет были для его научной работы «пустыми». Правда, некоторое время он преподавал в симферопольском университете, где общался со многими замечательными учеными (физик Я. И. Френкель, математики В. И. Смирнов и Н. М. Крылов, биологи А. Г. Гурвич и А. Л. Любищев и др.).
Затем, в 1921 г. И. Е. Тамм перебрался в Одессу к Л. И. Мандельштаму, ставшему на всю жизнь его близким старшим (на 16 лет) другом, можно сказать, учителем. Но до этого беспорядочные годы гражданской войны были заполнены переездами, часто очень опасными из-за пересечения фронтов. Только в 1921 г. в Одессе, голодной и холодной, началась, по существу, его научная деятельность.
Здесь разумно сделать отступление и сказать несколько слов о положении физики в нашей стране. До революции физика у нас в целом была слаба. Если в химии уже были такие имена, как Д. И. Менделеев, А. М. Бутлеров, в математике — Н. И. Лобачевский, М. В. Остроградский, П. Л. Чебышев, А. А. Марков, А. М. Ляпунов, в физиологии — И. М. Сеченов, И. П. Павлов, А. А. Ухтомский, то в физике после Ломоносова в начале XIX в. был лишь вскоре совсем забытый В. В. Петров, потом Э. X. Ленц и Б. С Якоби, сверкнул изобретатель радио А. С. Попов, из числа наиболее значительных были Н. А. Умов и А. Г. Столетов, мало известные на Западе, и лишь начал свою деятельность действительно замечательный физик П. Н. Лебедев. Дело не только в том, что он был блестящим экспериментатором, впервые наблюдал и измерил давление света (работа «нобелевского уровня»). Это был человек, голова которого всегда была полна физическими идеями, первый, кто в начале XX в. основал у нас свою школу физики того же характера, что и западно европейские. Он пестовал своих учеников (С. И. Вавилов, П. П. Лазарев, Н. Н. Андреев, В. К. Аркадьев и др.). Но в 1911 г. вместе с более чем сотней других профессоров Московского университета покинул его в знак протеста против реформ министра просвещения Кассо, который для борьбы с революционным движением студенчества резко ограничил традиционную университетскую автономию.
Эта акция (так уж повелось в России, что интеллигенция не отделяла себя от либеральных течений, от социальных и политических проблем) вообще обескровила университет, а для университетской физики была губительной. Через год П. Н. Лебедев умер от болезни сердца в возрасте 46 лет. Физика в университете захирела и далеко отстала от мирового уровня. Игорь Евгеньевич вспоминал, что по теории электричества в Московском университете он слушал лекции некоего профессора, который, дойдя до уравнений Максвелла, объявил, что это очень сложная теория и он ее читать не будет. Несколько более серьезных молодых преподавателей (Н. Н. Андреев, Г. С. Ландсберг и др.) не делали погоды.
Особая ситуация сложилась в Петербурге, где в 1907–1912 гг. работал выдающийся австрийский теоретик П. Эренфест, не нашедший работы на родине. Организованный им теоретический семинар оказал огромное влияние на формирование группы молодых теоретиков и теоретически образованных экспериментаторов, которые проявили себя в полной мере позднее, после революции. Остальные же физики, более старшего поколения, были столь же консервативны, как в Москве. Исключением являлся замечательно эрудированный, чуткий ко всему новому О. Д. Хвольсон, пятитомный курс физики которого не только выходил у нас в постоянно осовремениваемом виде несколькими изданиями, но и был переведен за границей.
Можно сказать, что если Россия «была беременна революцией», то наша культура была «беременна большой наукой». В физике был такой исследователь, как А. А. Эйхенвальд, экспериментально доказавший эквивалентность конвекционного тока и тока проводимости (эффект Эйхенвальда), был Е. С. Федоров, классифицировавший кристаллографические группы симметрии, был А. А. Фридман (которого, однако, можно, скорее, считать математиком-механиком; лишь в 1922–1923 гг. он сделал выдающееся открытие в физике — нашел нестационарные решения в космологии Эйнштейна, доказав тем возможность расширяющейся вселенной). Недостатком, однако, оставалось отсутствие научных школ, за исключением единственной школы П. Н. Лебедева, вскоре распавшейся.
Почти все значительные физики предреволюционного поколения (кроме, пожалуй, только Н. А. Умова) по многу лет учились и в молодости работали за границей, почти все только в Германии, которая вплоть до гитлеровского разгрома науки была безусловным мировым лидером в естественных науках. Так, П. Н. Лебедев учился у Кундта, Кольрауша и Гельмгольца, А. Ф. Иоффе — у Рентгена, А. А. Эйхенвальд, Н. Д. Папалекси, Д. С. Рождественский, Н. Н. Андреев, Б. Б. Голицын кончали немецкие (или швейцарские) университеты, либо хоть несколько лет работали там по окончании российского университета. Почти все они, уже после революции, создали свои школы, организовали институты и т. д.
Не был исключением и Л. И. Мандельштам. Изгнанный из Новороссийского (Одесского) университета за участие в студенческом движении, он с 1899 г. учился, а затем работал у Брауна в Страсбурге, где стал профессором, своими работами приобрел мировое имя и лишь в 1914 г. вернулся на родину. На Игоря Евгеньевича он оказал огромное влияние. Именно под его руководством в возрасте 26 лет началась научная деятельность Тамма.
* * *
Игорь Евгеньевич был к ней уже вполне готов. В частности, на высоте была его математическая подготовка. Он доказал это, когда в 1922–1925 гг. были опубликованы три первые его работы.
Первая, краткая, совместная с Л. И. Мандельштамом, была напечатана позже других, за границей, но, по существу, из нее исходят две более обширные работы, опубликованные ранее, однако только на русском языке. Эти исследования по электродинамике анизотропных сред в теории относительности были интересны с общей, принципиальной, точки зрения. Однако мы и до сих пор не встречаемся в буквальном смысле с анизотропными телами, движущимися с релятивистскими скоростями. Не удивительно, что эти вопросы еще долго не рассматривались в литературе. Лишь через четверть века Яух и Ватсон, не зная о работах Мандельштама и Тамма, заинтересовались проблемой и, в частности, повторили некоторые их результаты.
Работы, б которых идет речь, Игорь Евгеньевич делал в основном уже в Москве, куда он переехал в 1922 г., как только после введения НЭПа обстановка стала понемногу нормализоваться. Но жил он крайне неустроенно. Зарабатывать на жизнь для возникшей своей семьи приходилось и преподаванием в неинтересных вузах, и писанием популярных статей, и чтением популярных лекций по физике, и переводами книг.
Но положение в физике в целом в стране быстро менялось к лучшему. В Петрограде-Ленинграде уже возникли крупные физические институты, каких прежде в России вообще не было. Прежде всего — это Физико-технический институт, организованный А. Ф. Иоффе, ставший колыбелью многих, постепенно, с начала 30-х годов, отпочковывавшихся от него институтов, причем не только в своем городе. В Харькове, Днепропетровске, Свердловске (Екатеринбурге) и Томске возникали новые институты, в которых ядро составляли приезжавшие туда готовыми группами питомцы института А. Ф. Иоффе (Харьковский и Свердловский стали потом мощными научными центрами). Другой крупный институт, Оптический институт Д. С. Рождественского, имел в очень большой степени прикладную тематику (фактически только благодаря нему у нас смогла возникнуть «на пустом месте» промышленность с массовым производством широчайшего круга оптических приборов), но сочетавший это с исследовательской работой по самым глубоким вопросам оптики. Не случайно в нем, помимо самого Д. С. Рождественского, работали такие физики, как В. А. Фок, С. И. Вавилов, А. Н. Теренин. Наконец, нельзя не вспомнить Ренгеновский и радиологический институт В. Г. Хлопина, в котором впоследствии, в 1937 г., был запущен первый в Европе циклотрон.
В Москве столь мощное развитие началось несколько позже. Существенным толчком был переезд в Москву в 1925 г. Л. И. Мандельштама, возглавившего в университете кафедру теоретической физики. Игорь Евгеньевич стал приват-доцентом физического (точнее, тогда еще не разделенного физико-математического) факультета уже в 1924 г., а в 1930 г. заменил Л. И. Мандельштама в качестве заведующего кафедрой теоретической физики.
Вокруг Л. И. Мандельштама объединилась и лучшая часть преподавателей, и молодые аспиранты — А. А. Андронов, А. А. Витт, М. А. Леонтович, Г. С. Горелик, С. Э. Хайкин, С. М. Рытов и др. Стоит подчеркнуть, что приглашение Л. И. Мандельштама в Москву произошло после долгой борьбы этих людей против остальной профессуры. При этом значительную роль сыграла молодежь, в частности, входившая в общественные организации университета, которые тогда имели большую силу (среди них особой активностью отличался студент А. А. Андронов, впоследствии академик). Из преподавателей большую роль в приглашении Мандельштама сыграл молодой С. И. Вавилов.
Но физика в Москве развивалась и в новых технических институтах, подобно упоминавшимся выше ленинградским, подчиненных Народному комиссариату (т. е. министерству) тяжелой промышленности. Так, возник Электротехнический институт, в Теоретическом отделе, или Отделе физики которого в конце 20-х годов по совместительству работал и И. Е. Тамм. Любопытно, что его важнейшие работы по квантовой теории излучения, о которых будет сказано ниже, были опубликованы как выполненные в этом институте.
Примерно в то же время там начали работать известные оптики, ученики Л. И. Мандельштама и Г. С. Ландсберга — В. А. Фабрикант, В. Л. Грановский, К. С. Вульфсон. Другие прикладные вопросы физики разрабатывались, например, под руководством А. С. Предводителева в Теплотехническом институте, который возглавлял крупный и широко образованный инженер Л. К. Рамзин (впоследствии осужденный как глава мифической «Промпартии»).
Государство, насколько возможно, не жалело средств на развитие науки, направляя их, как видим, даже через промышленный наркомат. Однако в стране не было еще собственного производства исследовательской аппаратуры. Сотрудники (в 1930 г. в их числе был и я, тогда лаборант Теплотехнического института) ходили по комиссионным магазинам, скупая все подходящее: испорченные амперметры и вольтметры фирм Хартмана-Брауна или Сименса-Гальске, которые еще можно было починить, объективы от старых фото- и киноаппаратов и т. д. Командированные за рубеж физики часто на свои деньги покупали нужные материалы. Но и само бедное еще государство, тем не менее, во все более возрастающем масштабе закупало приборы за границей.
Заметим, что в 1931 г. и ученики Л. И. Мандельштама — А. А. Андронов, Г. С. Горелик и близкие им ленинградцы — М. Т. Грехова, В. И. Талонов и другие переехали в Нижний Новгород и создали там институт, который в настоящее время превратился в мощный комплекс институтов, хорошо известный научному миру. Уместно подчеркнуть, что все это движение (как ленинградцев, так и москвичей) на периферию в значительной мере основывалось на гражданственном понимании необходимости развивать науку не только в столицах, но и по всей стране. Традиции российской интеллигенции были еще живы. Этим людям приходилось сталкиваться с огромными трудностями, но дело делалось.
Уже в начале 30-х годов недостаток оборудования стал понемногу преодолеваться. Я сам видел, как стали наполняться пустые ранее шкафы в Институте физики Московского университета. Так, появились в огромном количестве зеркальные гальванометры «ФИ» производства Ленинградского физического института. Сначала половина из них почти сразу выходила из строя, но с каждым годом качество улучшалось. Они были дешевы и работали. Появились и оптические приборы. В Радиевом институте в Ленинграде в 1932 г. начали строить циклотрон, в Харькове — еще ранее — ускоритель Ван де Граафа, и промышленность выполняла специальные заказы для этих громоздких сооружений.
Но бытовая неустроенность научных работников, особенно молодых, продолжалась еще долго. До 1935 г. Игорь Евгеньевич жил в «квартире», перестроенной из конюшни во дворе университета. Пол был на уровне земли и квартиру нередко заливало, а «удобства» были во дворе. Этого, однако, не стеснялись. Дирак, друг Игоря Евгеньевича, дважды приезжавший в СССР, жил у него дома. С этим связан известный эпизод, когда во второй приезд, отвечая смущенному Игорю Евгеньевичу, быстро и многословно извинявшемуся за то, что после первого визита у него ничего не изменилось, любивший точность лаконичный Дирак сказал: «Как ничего не изменилось? Раньше туда надо было ходить со свечкой, а теперь лампочку повесили».
* * *
Но вернемся после этого отступления к работам И. Е. Тамма того периода. Начав свою научную деятельность очень поздно, он работал с необычайной интенсивностью. Сначала, после первых трех статей, идет несколько работ, выполненных еще в рамках старой боровской квантовой теории (до появления квантовой механики) и не имеющих существенного значения. Но в эти же годы он работал над своим курсом «Основы теории электричества», вышедшим впервые в 1929 г. Этот замечательный своей физической ясностью курс стал очень популярным. Было много его изданий, почти всегда дополнявшихся и перерабатывавшихся при жизни Игоря Евгеньевича. Выходил он и после его смерти. Если вспомнить сказанное выше об уровне преподавания теории электричества в дореволюционном Московском университете, то нетрудно понять, каким освежающим явлением была эта книга. Она и по сей день сохраняет свою ценность.
В каком-то смысле переломным можно считать 1928 г., когда Игорь Евгеньевич впервые, уже сформировавшимся ученым, более чем на полгода поехал за границу. Был в Геттингене у Борна, но основное время провел в Лейдене у Эренфеста. Здесь он по-настоящему «вошел» в только что оформившуюся квантовую механику, установил тесные взаимоотношения с высоко его оценившим Эренфестом и с приехавшим в Лейден Дираком.
Вернувшись домой, Тамм заканчивает начатую в Лейдене работу по классической электродинамике вращающегося электрона. Нам сейчас нелегко понять, почему в 1928–1929 гг., когда уже существовала и квантовая механика, и дираковская теория электрона со спином, нужно было развивать сложную релятивистскую неквантовую теорию магнитного момента электрона. Но один тот факт, что эта работа была в основном сделана в Лейдене, а в статье выражается благодарность Эренфесту и Фоккеру «за многие полезные обсуждения», показывает, что проблему соотношения дираковской теории спина и классической картины вращающегося заряда лучшие физики того времени считали актуальной. Игорь Евгеньевич занимался физикой со всепоглощающей страстью. И когда его в это же время захватил интерес к единой теории поля Эйнштейна, он посвятил ей за один 1929 г. пять(!) публикаций (две — совместно с М. А. Леонтовичем), чтобы выяснить поведение в этой теории дираковского электрона и, шире, пытаясь показать, как он пишет в первой статье, «что у новой эйнштейновской теории поля имеются определенные квантовомеханические черты».
Но эти работы, которые потребовали много сил и времени, сложного математического аппарата, постигла неудачная судьба. Эйнштейновская единая теория поля, в которой ее автор попытался объединить электромагнитное поле с гравитационным так же, как в электромагнитном поле объединены электрическое и магнитное, и был занят этим последние три десятилетия своей жизни, не решила проблемы.
Теперь мы знаем, почему она была обречена: в объединенной теории полей электромагнетизм должен входить вместе со слабыми (а также сильными) взаимодействиями, которые в то время не были известны. Практически весь ученый мир физиков тогда рассматривал упорство Эйнштейна как чудачество, позволительное для гения. Потребовалось несколько десятилетий, чтобы его idee fixe возродилась на новом уровне, стала общепризнанной коренной проблемой.
Оценивая весь этот этап, первые 8 лет серьезной работы Игоря Евгеньевича в области теоретической физики, когда проявились его высокий технический профессионализм и широта знаний, нельзя не признать, что он не принес ему все же настоящего успеха. Нельзя, конечно, сбрасывать со счета его прекрасный курс теории электричества. Но значимых научных результатов практически не было.
И здесь Игорь Евгеньевич совершает резкий поворот в своей научной работе. От рассмотрения самых общих проблем (релятивистская электродинамика анизотропных тел; границы применимости метода соответствия; единая теория поля) он переходит к изучению конкретных явлений в рамках квантовой механики. И за несколько лет делает очень значительные вещи.
Близость к Л. И. Мандельштаму, к своему почти сверстнику Г. С. Ландсбергу и более молодому другу М. А. Леонтовичу прямо повлияла на выбор темы первой работы этого периода. Эти физики глубоко изучали рассеяние света в твердых телах как экспериментально, так и в рамках классической теории, в которой это явление рассматривается как рассеяние световой волны на упругих колебаниях кристалла.
Игорь Евгеньевич дал квантовую теорию процесса, но значение его работы выходит далеко за рамки просто последовательной теории частного явления. Дело в том, что он проквантовал упругие колебания по образцу квантования электромагнитного поля, произведенного Гейзенбергом и Паули. В результате коллективные колебания частиц решетки предстали как газ «упругих квантов» — квазичастиц, каждая из которых включает движение всех частиц решетки. Я. И. Френкель предложил назвать их фононами. В конкретных полученных формулах обнаружилось и некоторое отличие от результатов классической теории. Оно немедленно получило экспериментальное подтверждение в опытах Г. С. Ландсберга и Л. И. Мандельштама.
Но главное здесь, конечно, в том, что впервые в физике движение многих взаимодействующих частиц было сведено к газу квазичастиц. Значение этого шага трудно переоценить. Однако с тех пор квазичастицы разных типов, в частности фононы, так прочно вошли в физику, стали таким привычным понятием, что, заглянув в какую-либо специальную физическую или общую энциклопедию, вы в статьях «фонон» или «квазичастица» не найдете даже упоминания о том, что в физику они были введены Таммом.
Вслед за этим сразу последовала другая важная работа Игоря Евгеньевича — о рассеянии света на свободном электроне, т. е. теория комптон-эффекта. Это опять частный процесс, но результаты снова имеют принципиальное значение.
Игорь Евгеньевич пересмотрел вопрос о комптон-эффекте, последовательно квантуя поле по Паули и Гейзенбергу, т. е. используя вторичное квантование. Окончательная формула совпала с той, которую получили Клейн и Нишина за год до того, применяя метод соответствия. Что же, Тамм просто подтвердил их результат, и его работа принадлежит к разряду так презиравшихся Ландау «Verkl?rungen» и «Neubegr?ndungen» (разъяснения и новые обоснования)? Отнюдь нет. Дело в том, что при вторичном квантовании в рассмотрение входят промежуточные состояния. И вот Игорь Евгеньевич обнаружил, что промежуточные состояния, при которых дираковский электрон оказывается в состоянии с отрицательной энергией, играют фундаментальную роль. Даже в предельном случае рассеяния длинных (инфракрасных) волн, когда в результате получается классическая формула Томсона, эти состояния с отрицательной энергией совершенно необходимы.
Надо вспомнить, что в то время наличие в теории Дирака состояний с отрицательной энергией было «головной болью» для физиков. Ведь все реальные электроны, имеющие положительную энергию, должны были бы упасть на уровень с бесконечно большой отрицательной энергией.
С этой статьей связан личный эпизод, ради которого, быть может, стоит отвлечься. Сохранилось письмо И. Е. Тамма к П. Эренфесту от 24 февраля 1930 г. Из него видно, что Игорь Евгеньевич сначала послал статью с небольшой ошибкой. Вот выдержка из этого письма:
«Дорогой Павел Сигизмундович, Вы, наверное, получили мою телеграмму. Мне страшно, страшно стыдно. Я, как писал, трижды проверял свои вычисления перед тем, как послать Вам заметку. Затем сел писать работу полностью для печати — при этом я всегда делаю все выкладки заново, не глядя в ранее написанное. И вот оказалось, что в самом начале я всюду путал знак у синуса). Если сделать все правильно, то в окончательной формуле никакого отличия от формулы Клейна-Нишины нет!
Вся эта история мне тем более обидна, что мне теперь удалось привести вычисления в нравящуюся мне изящную форму. Если их совсем немного видоизменить, то можно, например, вычислить вероятность спонтанного перехода электрона из состояния положительной энергии в состояние энергии отрицательной. Этим я сейчас занимаюсь и закончу на днях.
Ужасно мне неприятно, что я второй раз обращаюсь к Вам с просьбой о напечатании и второй раз с такими промахами (в прошлом году не симметризовал волнового уравнения)…
Ваш Иг. Тамм
P. S. Конечно, все сказанное о преобладающей роли переходов через состояние отрицательной энергии остается справедливым. Иг. Т.».
В своих воспоминаниях об Игоре Евгеньевиче (см. выше очерк «Тамм в жизни») я написал, что у него не опубликовано ни одной ошибочной работы и что в печать направлялось только тщательно и многократно проверенное. Оказывается, все же были моменты, когда он спасался от опубликования ошибки в последнюю минуту. Заметим, что, как видно из письма, в исправленную статью он внес дополнения, в частности, формулу для сечения аннигиляции электрона и позитрона.
Дираковской теории электрона посвящены еще две более частные заметки Тамма в 1930 г. (о рассеянии света на двух электронах) и в 1934 г. (там, где в статье обычно указывается название института, в котором работа выполнена, стояло: «Теберда-Кавказ», т. е. она была выполнена на отдыхе в горном курорте).
В 1931 г. Тамм поехал работать в Кембридж к Дираку, которого он называл гением, которым восхищался. По дороге заехал к Эренфесту в Лейден, а на обратном пути — к Йордану, в Росток. Общение с Дираком привело к настоящей дружбе. В письме Л. И. Мандельштаму Игорь Евгеньевич писал: «В Кембридже мне очень хорошо… В научном отношении… самое интересное новая работа Дирака, законченная “на моих глазах”… Он показывает, что квантово-механически возможно существование изолированных магнитных полюсов». Игорь Евгеньевич добавляет, что в связи с этим он «написал математическую работу — исследование забавных свойств собственной функции электрона в поле магнитного полюса».
Дирак обучил Тамма вождению автомобиля и они поехали в Шотландию, где в подходящем месте Игорь Евгеньевич в ответ обучал Дирака альпинизму (перед этим «…в качестве предварительного курса я лично лазал с ним по деревьям», — пишет он в том же письме). После этого, во время приездов Дирака в СССР, Тамм не раз ходил с ним в альпинистские походы на Кавказе.
Но вернемся к физике.
После работ по рассеянию света и теории электрона Дирака Игорь Евгеньевич переключился на новую область — квантовую теорию металлов, тогда только зарождавшуюся. Здесь были исследованы три существенные проблемы.
Едва ли не самая важная из этого цикла — работа Тамма, в которой он обнаружил возможность существования особых поверхностных состояний электронов в металле. Находясь в таком состоянии, электрон не может ни вылететь наружу, ни войти внутрь металла. Эти «уровни Тамма», как их с тех пор называют, оказались исключительно важными для физики поверхностных явлений, а через четверть века — для транзисторной техники и т. п. Уже в 60-е годы эта область так разрослась, что появилась монография С. Дэвисона и Дж. Левина «Поверхностные (таммовские) состояния» (на русском языке изданная в 1973 г.). Кроме того, была опубликована основополагающая работа (совместная с его учеником С. П. Шубиным) по теории фотоэффекта на металле и статья о «работе выхода» электрона из металла.
Наконец, заканчивая рассказ об этом периоде, нельзя не упомянуть, что Игорь Евгеньевич впервые выступил со статьей по методологическим вопросам физики в философском журнале. Защищая новую физику — теорию относительности и квантовую механику — от невежественных нападок партийных философов и консерваторов-физиков, объявивших себя марксистами, он тактично объяснял им истинное значение нового этапа в развитии науки, но добился лишь яростной ненависти к нему, закрепившей его репутацию «буржуазного идеалиста». Она принесла ему в дальнейшем много опасных неприятностей.
* * *
Остановимся на минуту и рассмотрим положение в физике в это время, ставшее переломным для нее и в мире, и в нашей стране.
В мире это проявилось в том, что в 1932 г. были экспериментально открыты позитрон (и это блестяще подтвердило предсказание теории Дирака, укрепив авторитет квантовой механики, теоретической физики вообще) и нейтрон (после чего стало ясно, что ядра состоят из протонов и нейтронов и это открыло новую эпоху — эпоху физики атомных ядер). В апреле того же года Кокрофт и Уолтон на созданной ими высоковольтной установке впервые расщепили атомное ядро ускоренными протонами. Все это (как и многие другие успехи физики) изменило всю атмосферу исследований, и начался резкий рост их масштаба. Это изменение хорошо описано в романе Митчелла Уилсона (физика по образованию), изданном у нас почему-то под названием «Жизнь во мгле» (подлинное английское название — «Life with lightning» — «Жизнь с молнией» восстановлено лишь в новом издании, 1990 г.).
В нашей стране это совпало с периодом превращения физики в развитую область науки, приобретавшую международный авторитет. К этому времени у нас уже было сделано несколько открытий такого масштаба, который соответствовал уровню нобелевских премий. Так, в 1928 г. Г. С. Ландсберг и Л. И. Мандельштам открыли комбинационное рассеяние света в кристаллах — раман-эффект, обычно называемый так потому, что в Индии Раман, наблюдавший его в жидкости, сообщил о нем телеграммой в журнал «Nature» на 3 месяца раньше, чем Г. С. Ландсберг и Л. И. Мандельштам передали свою статью в печать, и получил Нобелевскую премию.[47] Это опережение оказалось решающим, хотя у Рамана понимание наблюдаемого эффекта было на более низком уровне, чем у Ландсберга и Мандельштама, ясно видевших его физическое содержание.
Можно напомнить также об открытии Д. В. Скобельцына. В 1927 г. он обнаружил, что космические лучи, наблюдаемые на поверхности Земли, являются электронами высоких энергий (и поэтому не могут, например, быть следствием радиоактивных примесей в атмосфере), а в 1929 г. показал, что они идут в виде ливней электронов. Это открытие можно рассматривать как начало физики высоких энергий. Однако Нобелевскую премию получил немецкий физик В. Боте, подтвердивший этот результат другим методом (системой счетчиков, включенных на совпадение, а не наблюдением в камере Вильсона, как у Д. В. Скобельцына). Интересно, что премия была формально присуждена именно за этот метод. В 1926–1932 гг. Н. Н. Семенов (вначале работавший вместе с Ю. Б. Харитоном) открыл разветвленные цепные химические реакции (через четверть века удостоен Нобелевской премии за это открытие вместе с С. Хиншелвудом).
Наконец, немного позже, в 1933 г., С. И. Вавилов и П. А. Черенков наблюдали необычное излучение света электронами в среде, называемое теперь их именами (опубликовано в 1934 г.). Оно нашло объяснение через несколько лет в работе И. Е. Тамма и И. М. Франка. За это открытие и его теоретическое объяснение через четверть века тоже была присуждена Нобелевская премия.
Но помимо всего этого было сделано много и других замечательных работ. Приведу лишь несколько примеров. М. А. Леонтович и Л. И. Мандельштам теоретически обнаружили, что квантовая механика приводит к возможности туннельного эффекта и выяснили все его основные свойства, а Г. Гамов на этой основе построил теорию ?-распада ядер. В Харьковском физико-техническом институте был построен ускоритель Ван де Граафа, на котором (в том же 1932 г., что Д. Кокрофт и Э. Уолтон) А. К. Вальтер, Г. Д. Латышев, А. И. Лейпунский и К. Д. Синельников (все — молодежь) повторили опыт по расщеплению ядра. Можно было бы назвать и другие значительные работы.
Все это показывает, что к началу 30-х годов, за какие-нибудь 10 лет выросло новое поколение физиков-теоретиков (вспомним еще молодого Л. Д. Ландау) и экспериментаторов, успевших уже заявить себя работами, выполненными на мировом уровне, и еще большее их число появилось в непосредственно последовавшие за тем годы. Школы, созданные учеными старшего поколения, о которых мы говорили вначале, порождали новые школы. Одновременно, как уже говорилось, возникало и промышленное производство научной аппаратуры. Новые институты быстро множились.
Если раньше научные статьи традиционно посылались в немецкие журналы «Zeitschrift f?r Physik» и «Physikalische Zeitschrift», где их быстро публиковали, и лишь с запозданием (до 1 года) они появились на русском языке в журнале Русского физико-химического общества, то в 1931 г. возник международный журнал «Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion», издававшийся в Харькове и быстро публиковавший статьи на немецком, английском и французском языках. Правда, «международным» он был условно, но все же там появлялись статьи и иностранных авторов, даже Дирака. Главное, советские работы получили прямой путь за границу, этот журнал был читаемым.
В 1934 г. в Харькове была созвана Международная конференция по теоретической физике, в которой принимали участие всего человек 30 (тогда это был обычный масштаб конференций по физике и в других странах; теперь трудно в это поверить). Но среди них были Бор, Розенфельд, Валлер, Гордон — всего восемь иностранцев. Интерес, внимание к нашей науке возрастали.
Еще совсем незадолго перед тем простой факт существования физических исследований в нашей стране был неизвестен в массах. Я могу сослаться на собственный пример. Я вырос и учился в школе в центре Москвы. Испытывая влечение к физике, ходил в старую Румянцевскую (потом названную Ленинской) библиотеку читать книги, рассказывающие о работах Эйнштейна, Бора, Резерфорда. Был уверен, что исследовательской работой в области физики могут заниматься только гении, но никак не обыкновенные люди, и, окончив школу, пытался поступить в химический институт, где была хотя бы электрохимическая специальность. Когда на следующий (1930) год узнал о существовании физического факультета в километре от школы и поступил на него, то некоторые знакомые моих родителей спрашивали: «Это что, физкультура?»
Вскоре такая ситуация стала невозможной. Сообщение о расщеплении атомного ядра в Харькове было напечатано в «Правде» на первой странице, как главная новость дня, в виде «рапорта товарищу Сталину» о крупной победе советской науки. О физике вообще информация быстро разрасталась.
* * *
Научный переворот 1932 г. направил в новое русло и исследования Игоря Евгеньевича. Он переключился на ядерную физику.
Интересна судьба его первой же (совместно с его аспирантом С. А. Альтшулером) работы, в которой на основе анализа экспериментальных данных о магнитных моментах ядер высказывается утверждение, что незаряженная частица нейтрон обладает магнитным моментом. Об этом уже говорилось выше в очерке «Тамм в жизни». Сейчас очень трудно понять, почему эта идея вызвала такое сильное осуждение на упоминавшейся только что Харьковской конференции по теоретической физике в 1934 г. Но Игорь Евгеньевич не видел в этих возражениях убедительных аргументов и настаивал на своей точке зрения. Потребовалось немного времени, и она была признана правильной.
Но особенное значение имела обширная и важнейшая работа Тамма о природе ядерных сил. Естественно, что протон-нейтронная структура ядра ставила вопрос о том, какими силами частицы удерживаются вместе. Ведь, кроме гравитационных и электромагнитных сил, тогда других сил не знали. Даже само предположение о том, что есть какие-то еще силы, было невероятно смелой фантазией. Как пишет в своей статье Игорь Евгеньевич, «сразу после открытия нейтрона в 1932 г. Гейзенберг высказал предположение, что взаимодействие протона с нейтроном обязано обмену электрическим зарядом». Обратите внимание — опять только электрическим. Но о механизме обмена ничего нельзя было сказать. Однако в 1934 г. Ферми дал свою замечательную теорию ?-распада, как процесса испускания нуклоном пары электрон + нейтрино. Этого было достаточно, чтобы Игорь Евгеньевич немедленно выдвинул идею о том, что нуклоны (тогда этого термина, конечно, еще не употребляли) взаимодействуют через обмен такими парами и их антипарами. Это было допущение совершенно новых сил, помимо гравитации и электромагнетизма.
Он немедленно принялся за расчеты, производил их по ночам во время Харьковской конференции и получил обескураживающий результат: этот обмен действительно дает новый вид сил, и притом, как нужно, короткодействующих, убывающих с расстоянием r, как r–5, но на много порядков более слабых, чем нужно для объяснения устойчивости ядер. Формулу для потенциала взаимодействия Игорь Евгеньевич опубликовал в виде краткого письма в «Nature» и был чрезвычайно огорчен неудачей.
В течение двух последующих лет Тамм безуспешно рассматривал другие варианты реализации этой своей идеи. В 1934 г. Игорь Евгеньевич заканчивает статью меланхолической фразой: «Представляется бессмысленным дальнейшее исследование огромного разнообразия возможностей такого рода без знания каких-то общих принципов, которые пока еще не открыты». Я сам помню это его настроение. Он посылал статью в печать «через силу».
Однако он был неправ. Таммовская теория ?-сил описывает реально существующие так называемые слабые силы между нуклонами (и эти силы были несколько десятилетий спустя обнаружены на опыте), но не они определяют устойчивость атомных ядер.
Очень скоро, в 1935 г., Юкава, прямо ссылаясь на работу Тамма, выдвинул смелую идею, согласно которой ядерные силы обусловлены обменом тогда еще не известной, гипотетической частицей с массой порядка одной трети массы нуклона — мезоном. Теперь мы знаем, что это пион. Исходным пунктом для Юкавы была идея Игоря Евгеньевича о межчастичных силах, обусловленных обменом частицами, имеющими массу.
Итак, за какие-нибудь 6-7 лет Тамм опубликовал три цикла работ: по рассеянию света твердым телом (введя при этом понятие квазичастицы, фонона) и электроном (включая аннигиляцию электрона с дыркой, доказав необходимость дираковских отрицательных уровней энергии); по квантовой теории металлов (предсказав существование поверхностных «уровней Тамма» и объяснив фотоэффект на металле) и по ядерной физике (высказав утверждение о наличии магнитного момента у нейтрона и, главное, дав теорию ядерных ?-сил).
Это сразу принесло ему признание, уважение мирового сообщества физиков. Как говорил мне Б. Понтекорво, его высоко ценил Ферми. С ним дружил и работал вместе Дирак. Эренфест предлагал его в качестве своего преемника по кафедре, которую до него занимал Лоренц. Оценили его и наши физики: в 1933 г. Игорь Евгеньевич был избран членом-корреспондентом АН СССР, у него установились хорошие отношения с Л. Д. Ландау и В. А. Фоком, старая дружба связывала его с Я. И. Френкелем. Но завоевал он также репутацию «буржуазного идеалиста» среди наших марксистских философов и физиков-реакционеров.
Было вполне естественно, что когда С. И. Вавилов организовал (после переезда Академии наук СССР в Москву в 1934 г.) Физический институт им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и пригласил туда лучших московских физиков, среди них был и Игорь Евгеньевич, организовавший и возглавивший Теоретический отдел. Он руководил им до смерти. Отдел носит теперь имя И. Е. Тамма. Очень скоро он перенес туда из университета свой еженедельный семинар и вообще сосредоточил здесь свою деятельность.
* * *
И в это время вторгся совсем новый эпизод. В 1933 г., как уже говорилось, аспирант Вавилова, исключительно тщательный и внимательный экспериментатор П. А. Черенков, изучая по заданию Вавилова свечение растворенных в жидкости ураниловых солей, их флюоресценцию под действием ?-лучей радия, с ужасом увидел, что жидкость светится почти так же сильно и без ураниловых солей. Это делало его изучение ураниловых солей безнадежным занятием (как был убежден и он сам). Но С. И. Вавилов сразу заинтересовался «паразитным» свечением и быстро установил, что это новый, не известный ранее тип излучения, испускаемого быстрым электроном, выбитым из атома ?-лучами. Это по некоторым причинам казалось невозможным, вызывало многочисленные насмешки. Но в 1937 г. Тамм и Франк показали, что Вавилов прав, дали физическое объяснение и теорию этого «излучения Вавилова-Черенкова» (на Западе говорят просто «черенковского излучения», оставляя в стороне важную роль Вавилова в этом открытии). Как уже говорилось выше, именно за это открытие Тамм, Франк и Черенков получили в 1958 г. Нобелевскую премию (С. И. Вавилов скончался задолго до того, а посмертно эта премия не присуждается).
Забавно, что в научной биографии Игоря Евгеньевича эта его работа, удостоенная почетнейшей награды, была, по существу, эпизодическим отклонением в сторону. Ведь все эти и последующие годы его главной темой была физика ядра и элементарных частиц.
В основной же интересовавшей его области в довоенные годы заслуживает быть отмеченной одна работа. Дело в том, что когда были открыты (в космических лучах) мюоны и обнаружен их распад, то ошибочно их спин считали равным единице. Тамм обнаружил, что точная полная система волновых функций такой частицы в поле кулоновского центра необходимо приводит к падению частицы на центр. Выход из этого положения возможен, если приписать этой частице конечные размеры, как это предложил Ландау. Ландау считал, что радиус мезона со спином единица должен быть r? ~ e2/m?с2, где m? — его масса.
Конечно, это была грубая оценка. Ведь никто не знал, как можно ввести в локальную теорию релятивистскую частицу конечного размера. Тем не менее она вместе с выводом Игоря Евгеньевича о падении на центр в точной теории послужила для Ландау и Тамма основанием для гипотезы, что такой мезон падает на протон, пока не достигнет расстояния порядка r?. А на таком расстоянии энергия электромагнитного взаимодействия мезона и протона имеет порядок, нужный для ядерных сил. Согласно этой гипотезе, нейтрон, например, состоит из протона и отрицательно заряженного мезона со спином единица. Эта работа двух крупнейших теоретиков ярко показывает, в каком глубоком тумане пробивались физики к пониманию природы ядерных сил, какие далекие от истины гипотезы они иногда выдвигали. Вплоть до открытия пионов положение оставалось тупиковым.
* * *
Обратим, однако, внимание на то, что в период с середины 30-х годов и вплоть до войны деятельность Тамма была отмечена лишь тремя работами: во-первых, это «нобелевская» работа по теории излучения Вавилова-Черенкова, которую при всем высоком профессионализме, понадобившемся при ее выполнении, как это ни парадоксально, вряд ли можно считать особенно выдающейся среди всех работ Игоря Евгеньевича, хотя, конечно, она была одной из лучших; во-вторых, одна, совместная с С. З. Беленьким, работа по усовершенствованию теории электромагнитных ливней космических лучей; в-третьих, тоже существенная в принципе работа о заряженных частицах со спином единица в кулоновском поле.
Много это или мало? Конечно, очевидно, что эти работы выполнены теоретиком высокого класса. И все же можно сказать, что от автора фонона и теории ?-сил можно было бы ожидать и большего. В чем же дело? Нельзя объяснить это возрастным снижением творческой активности. В это время Игорю Евгеньевичу было 40-45 лет — akme, период расцвета, по мнению древних. Да и последующая его деятельность служит достаточным опровержением такого предположения.
Однако на самом деле можно только удивляться тому, что Игорь Евгеньевич сделал все это. Ведь это были годы страшного сталинского террора. Друзей Игоря Евгеньевича, его коллег уничтожали, ссылали в лагеря Гулага. Один за другим шли чудовищные лживые судебные процессы. Как уже говорилось в очерке «Тамм в жизни», в семье Игоря Евгеньевича это привело к поистине трагическим событиям.
Удивительным может казаться то, что в этой атмосфере все же люди оставались личностями, даже неплохо работали. До сих пор трудно понять, как мозги, зажатые, перекрученные страхом и идеологическим прессом, могли в то же время независимо, творчески мыслить в своей профессиональной области. По-видимому, дело в том, что работа была спасением, родом внутренней эмиграции, давала возможность сохранить свою личность. Как иначе можно понять, например, то, что Л. Д. Ландау после года тюрьмы, проведенного в условиях принятых тогда жестоких методов следствия, в течение последующих полутора-двух лет смог опубликовать чуть ли не десяток работ, в том числе фундаментальную теорию жидкого гелия (за которую, собственно, и получил потом Нобелевскую премию).[48]
В эти годы Игорь Евгеньевич был придавлен, загнан преследованиями, угрозами, гибелью близких людей, осознанием превращения режима, обещавшего социализм (мечта всей его жизни со времен юности), в деспотическую, безжалостную диктатуру. Но он был человеком сильной воли и внешне в обычной обстановке в Институте не обнаруживал этого состояния перед другими. Для такого творческого человека чистая атмосфера честной научной работы была тем глотком свежего воздуха, который еще позволял выжить «с петлей на шее». Впрочем, так оно было и для большинства людей, посвятивших свою жизнь науке.
Война привела теоретиков, да и экспериментаторов-ядерщиков в состояние растерянности. На общее горе, на общий ужас накладывалось сознание ненужности своей работы. Когда на другой день после начала войны, в понедельник 23 июня, Игорь Евгеньевич собрал немногочисленных тогда сотрудников Теоретического отдела ФИАН, угнетенное состояние от этого сознания своей ненужности было явным. Пожалуй, один только М. А. Леонтович, который в последние годы занимался теорией распространения радиоволн, знал, что для него переход на оборонную тематику — дело естественное (радиолокация!).
Но господствующей тематикой в Отделе были принципиальные вопросы теории элементарных частиц, ядерных сил и т. д. Теперь это было никому не нужно. Поэтому начались лихорадочные поиски актуальной узкоприкладной тематики. Вспомним, что и в Ленинградском физико-техническом институте работы по физике ядра и частиц были сразу свернуты. И. В. Курчатов, под руководством которого уже шли первые исследования на запущенном им незадолго до того первом в Европе циклотроне Радиевого института, перешел на обеспечение безопасности военных кораблей от магнитных мин, присоединившись к уже давно занятому этой работой А. П. Александрову и некоторым другим сотрудникам Ленинградского физико-технического института. В ФИАНе, который вскоре был эвакуирован в Казань, Д. И. Блохинцев перешел на решение проблемы снижения шумов самолетных моторов (вначале, пока еще не было радиолокаторов, противовоздушная оборона основывалась на шумопеленгации), и это потребовало серьезного продвижения в акустике. Тем же некоторое время занимался (работавший тогда в ФИАНе) И. Я. Померанчук. Другие выбирали узкоприкладные задачи. Например, в эвакуации изможденный и зеленый от голода М. А. Марков стал конструировать противотанковые снаряды с улучшенными аэродинамическими свойствами (это было, конечно, несколько наивно — конструкторы оборонных институтов здесь были лучшими профессионалами) и т. д.
Но страстное желание чем-либо помочь фронту было глубоким и искренним. Мне повезло. Леонтович посоветовал попытаться решить одну практически очень нужную, но теоретически не поддававшуюся решению уже более 20 лет задачу радиофизики. Поразительно, но в холоде и голоде, периодически сваливаясь в постель из-за туберкулеза, я справился. Только через 2-3 года ядерщики оказались остро необходимыми.
В такой обстановке возникла работа Тамма (совместная с В. Л. Гинзбургом) о слоистом сердечнике, нужная для радиотехники (ее использовал работавший в ФИАНе Н. Д. Папалекси), и работа о вариациях магнитного поля Земли. По просьбе А. П. Александрова, как уже говорилось, Игорь Евгеньевич рассчитывал сложные магнитные поля кораблей и т. п.
Тем не менее в Казани он все время продолжал интенсивно работать по проблемам теории частиц и ядерных сил. А так как и Гинзбург наряду с работами практического значения (по распространению радиоволн в ионосфере) продолжал свою работу по теории частицы, способной находиться в состояниях с разными спинами, они начали сотрудничать. Результатом явилась работа, в которой было предложено релятивистское уравнение для частицы с переменным спином. В нем были не удовлетворявшие авторов моменты, устраненные впоследствии, когда этот подход обобщили И. М. Гельфанд и А. М. Яглом, предложившие свое уравнение. Игорь Евгеньевич, не очень довольный результатами, задержал публикацию этой работы до 1947 г.