Физика от альфы до омеги

Заслуги Фридмана перед наукой не ограничиваются, однако, его личным вкладом в космологию. Он также преподавал в Петроградском университете. Слушателей у него было совсем немного, и один из них выделялся прежде всего высоким ростом и высоким же голосом. Но именно этому студенту предстояло прославить свое имя в истории и советской, и американской науки. Лучше сказать, «мировой науки», тем более что свою автобиографию, написанную 40 лет спустя, Джордж Гамов назвал «Моя мировая линия». И автор книги был мировым парнем: он не собирался нудно перечислять все, что случилось на его веку, а выбирал лишь самые интересные истории, чтобы позабавить читателей и себя. Последуем его примеру.

Одно из главных мировых достижений Гамова называется теорией Большого взрыва — точнее сказать, Самого Большого Взрыва, поскольку то был взрыв Вселенной. Эта теория Гамова была бы немыслима, если бы Вселенная не расширялась, а о такой возможности студент Гамов узнал от профессора Фридмана. 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 О!мега-физики 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, а потом — в результате новых опытов — либо испытать радость разгадки, либо потерпеть 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 имелась в наличии в 1920-е годы. И в ее «созревании» деятельное участие принял он сам.

Принимая во внимание дореволюционную еще слабость российской физики и послереволюционные тяготы жизни, изучать эту науку в далекий Петроград отправлялись только люди, обладающие явным призванием к ней. Так, в 1924 году в только что переименованном Ленинграде рядом с 20-летним одесситом Гамовым оказались 20-летний Дмитрий Иваненко, прибывший из Полтавы, и 16-летний Лев Ландау из Баку. Сразу же появились студенческие прозвища — Джонни (или Джо), Димус и Дау, а всю троицу называли тремя мушкетерами.

Азартно занимавшиеся наукой и развлекавшиеся мушкетеры стали центром компании юных физиков, которая вошла в историю под именем «джаз-банд». Не желая жить по нотам, они свободно импровизировали, всегда готовые подхватить тему, развить, а еще лучше — опровергнуть, смело пользуясь диссонансами и синкопами. Все как в джазе. Только роль музыки (к которой мушкетеры были совершенно равнодушны) в их жизни выполняли стихи на темы физики и лирики.

Рождение «джаз-банда» совпало с рождением квантовой механики — первой теории микромира. До того были лишь догадки и гениальные прозрения о физике атомов. А в 1925–1927 годах, в череде головокружительных открытий, возникала общая теория. Ее необычные понятия — как звуки джаза — невозможно было принимать равнодушно. Они отталкивали и очаровывали, выводили из себя и вовлекали в новую науку.

Квантовая механика была для преподавателей такой же новостью, как и для студентов. Веселые и находчивые мушкетеры посмеивались над преподавателями — «зубрами», не поспевавшими за стремительным развитием науки, и учились в основном по научным журналам и друг у друга в нескончаемых спорах, объясняя друзьям то, что поняли. Такое самостоятельное освоение науки как ничто другое способствовало развитию талантов и научной смелости.

Дух «джаз-банда» запечатлела его поэтесса-летописица Женя Каннегисер в «Гимне теоретикам», сочиненном по мотивам Николая Гумилева:

Вы все, паладины Зеленого Храма,

Над пасмурным морем следившие румб.

Гонзальво и Кук, Лаперуз и де Гама,

Мечтатель и царь, генуэзец Колумб!

Теоретики мечтали об ином море, о котором когда-то сказал их старший коллега Ньютон: «Себе я кажусь ребенком, который нашел пару камешков поглаже и ракушек покрасивее на берегу моря нераскрытых истин». Этим мечтам и посвящен гимн:

Вы все, паладины Зеленого Храма,

По волнам де Бройля держащие путь,

барон Фредерикс и Георгий де Гамов,

эфирному ветру открывшие грудь!

Блистательный Фок, Бурсиан, Финкельштейн

и жидкие толпы студентов-юнцов,

вас всех за собою увлек А. Эйнштейн,

освистаны вами заветы отцов.

Не всех Гейзенберга пленяют наркозы,

и Борна сомнителен очень успех,

Но Паули принцип, статистика Бозе

В руках, в головах и в работах у всех!

Но пусть расползлись волновые пакеты,

еще на природе густая чадра,

опять не известна теория света,

еще не открыты законы ядра.

Кому не знакомы упомянутые здесь имена и термины, тот может без них обойтись. А вот последняя строчка имеет прямое отношение к Гамову и его первому мировому достижению.

В 1928 году, когда он опубликовал свою знаменитую работу, 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 ХХ век и заодно новый век в истории физики. Одним из первых следствий этого стало массовое освоение трех начальных букв греческого алфавита — ?, ? и ?. Три вида радиоактивности, ?-, ?- и ?-лучи, при всей непонятности своего происхождения стали могущественным инструментом в физике микромира. Благодаря этому инструменту 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 электронов. Сразу стало ясно, что устройство атома не подчиняется известным физическим законам. И спустя два года Нильс Бор открыл первые законы новой — атомной — физики.

Ко времени встречи Гамова с его друзьями новая атомная физика была не такой уж и новой. Коллеги Резерфорда и Бора уже установили, что ?-частицы — это ядра гелия, ? — электроны, а ? — порции света. Но что такое ядро, оставалось загадкой. Почему из некоторых ядер иногда вылетают ?-, ?- или ?-частицы, а из других ничего никогда не вылетает? Это был только один из не имевших ответа вопросов. Еще хуже было то, что новооткрытые законы атомной физики считались неприменимыми к ядру.

Ученые полагали, что ядра должны содержать электроны — раз они оттуда иногда вылетают, 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 высокой, близкой к скорости света. А для таких скоростей одной квантовой механики было недостаточно. Возникала необходимость учитывать еще 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 в даль и в глубь микромирового океана. Головоломные парадоксы ядерной физики побудили Гамова сделать печатку «череп и кости», где роль костей исполняли две перекрещенные буквы ?, чтобы этой печаткой отмечать на полях своих рукописей все упоминания ?-электронов. Пребывать в оцепенении на берегу океана нераскрытых истин было ему абсолютно не свойственно. А свойственно было… легкомыслие. Поэтому, расхаживая по берегу и смело пробуя ногой воду, он обнаружил в океане микрофизики некую отмель, по которой можно было — 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 молодой ученый отправился на полгода на стажировку в Германию. Этого времени Гамову хватило, чтобы написать работу, с которой началась теоретическая ядерная физика. Она принесла ему мировую известность и заграничные стипендии, позволившие продлить стажировку на три года.

Чтобы приобщиться к первому мировому результату Гамова, вспомним классическую сказку о лягушке, попавшей в горшок со сметаной. Она не хотела умирать раньше смерти, начала дрыгать лапками, сбила из сметаны твердое масло и с этой подставки выпрыгнула из горшка. Совет «не падать духом и дрыгать лапками» годится на все случаи жизни. Или почти на все: если в горшке нет сметаны, а лягушачьей прыгучести не хватает, чтобы со дна допрыгнуть до верхнего края, — пиши пропало.

Однако дело меняется, если классический горшок заменить на квантовый, то есть уменьшить размеры горшка и лягушки до масштабов атомного ядра. Тогда даже и без сметаны у прыгучей лягушки, если она не падает духом, появляется шанс выбраться наружу. Чем выше она прыгает внутри горшка, тем более вероятно ее освобождение — сказочно-квантовое проникновение «через» стенки горшка на волю. Это странное свойство квантовой физики, названное впоследствии «туннельным эффектом», обнаружили в конце 1927 года московские теоретики Леонид Мандельштам и Михаил Леонтович.

Гамов, можно сказать, уподобил ядро горшку, а в альфа-частице увидел квантовую лягушку. Он не знал, из чего сделаны стенки ядерного горшка, но обнаружил, что и без этого можно выяснить важные закономерности альфа-распада. Таким образом, 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 Гаме — первооткрывателю морского пути в Индию, Георгий Гамов открыл теоретикам путь в ядерные недра. Неудивительно, что это открытие понравилось первооткрывателю атомных законов Бору, который и выхлопотал первую несоветскую стипендию для молодого советского теоретика.

Достижение было сразу замечено и на родине. И воспето пролетарским поэтом Демьяном Бедным в главной пролетарской газете «Правда»:

СССР зовут страной убийц и хамов.

Недаром. Вот пример: советский парень Гамов.

Чего хотите вы от этаких людей?!

Уже до атомов добрался, лиходей!

Так автор негодовал от имени буржуя. А от своего имени революционно подытоживал:

В науке пахнет тож кануном Октября.