Люди науки
Для историков науки Георгий Антонович Гамов - фигура благословенная. «Крестный отец» модели горячей Вселенной, один из ведущих физиков и космологов XX века, сформировавший современные представления о физической картине Вселенной и ее составляющих, блестящий популяризатор, автор без малого пяти десятков популярных книг, монографий и нескольких сотен научных статей, тематика которых простирается от чистой математики, микро- и макрофизики до астрономии и даже биологии, он и сегодня, как при жизни, продолжает приковывать к себе внимание серьезных исследователей и широкой публики.
Когда три года спустя после его смерти была созвана в его честь мемориальная конференция, дух Гамова незримо витал над всеми представленными там докладами. Даже беглого взгляда на материалы, собранные в мемориальном сборнике (Космогония, синтез и другие проблемы, Мемориальный сборник Г.Гамова, под редакцией Фредерика Райнеса, Адам Хилгер LTD, Лондон, 1972), достаточно, чтобы убедиться в том, что представлен по существу весь спектр современных астрофизических исследований. Необычайно любопытно и поучительно в ретроспективе видеть, как оригинальные идеи, выдвинутые Гамовым, дали буйные ростки и через 15-20 лет после его смерти принесли столь богатые плоды. Давайте остановимся вкратце на наиболее известных, ставших почти хрестоматийными, результатах.
Фундаментальная значимость поразительной изотропии в угловом распределении реликтового микроволнового излучения (РМИ) была осознана практически сразу космологами и исследователями физики галактик. Попытки детектировать небольшие неоднородности в крупномасштабном распределении нейтрального водорода на длине волны 21 см были предприняты еще при жизни Гамова. Вскоре стало ясно, что реликтовое излучение представляет собой исключительно удаленную систему отсчета для материи, в последний раз рассеявшей это излучение (прежде чем в остывающей первичной плазме Вселенной произошло необратимое отделение излучения от материи). Так зародилась необычайно привлекательная идея попытаться ответить на вопросы: «Куда мы несемся?» и «Откуда пожаловали?» посредством очень точных измерений РМИ соответственно на больших и малых угловых шкалах. Дело в том, что результирущую скорость Земли относительно этой системы отсчета в принципе можно определить по избытку фотонов РМИ в направлении движения вследствие их доплеровского смещения. Эта идея «нового эфира» вдохновила многих на детальное изучение исключительно важной роли обратного эффекта Комптона (в частности, открытие эффекта Зельдовича-Сюняева - эффекта анизотропии реликтового излучения, рассеянного на скоплениях галактик).
На другом фронте кульминаций усилий по экспериментальному обнаружению анизотропии фонового излучения стал запуск космического зонда COBE (Cosmic Background Explorer), который с очень высокой точностью измерил температуру РМИ и нашел, что Т=2.726±0.01°К, а кроме того измерил квадрупольный момент в распределении РМИ (что чрезвычайно важно для построения правильной модели ранней Вселенной). Как известно, существование реликтового излучения было предсказано Гамовым в его статье, опубликованной в Phуsical Review (том 70) еще в 1946 г. Другой космический эксперимент, на этот раз поставленный самой природой, - взрыв Сверхновой 1987 г. в Большом Магеллановом Облаке принес блестящее подтверждение иного предсказания, сделанного Г.Гамовым, в соответствии с которым звезда, вспыхнувшая как сверхновая, теряет 99% энергии не в результате поражающей наше воображение вспышки в видимых лучах, а в виде «тихонького» URCA-процесса, который сопровождается высвобождением гигантского потока нейтрино (Гамов, Шенберг; Phуsical Review, 1941). Сигнал как раз от такого события и был зарегистрирован 23 февраля 1987 г. группой японских ученых (эксперимент Камиоканда II) и позднее получил независимое подтверждение в измерениях американской и советско-итальянской групп.
Теория преодоления потенциального барьера и теория бeтa-распада, развитая Г.Гамовым и Э.Тейлором, сегодня служит основой современных представлений о том, почему различные радиоактивные элементы имеют именно такие, какие наблюдаются, характерные периоды полураспада. В наши дни эти атомные часы стали основой бурно прогрессирующей ветви астрофизики - теории ядерной эволюции звезд и галактик, а также ранней стадии эволюции солнечной системы.
Перечень научных тематик, в разработку которых Гамов внес выдающийся вклад и тем самым определил тенденции развития на десятки лет вперед, был бы далеко неполным, если не упомянуть остававшиеся многие годы загадочными результаты экспериментов Дэвиса по регистрации солнечных нейтрино, а также теорию термоядерного синтеза.*
Если попытаться сформулировать наиболее характерное и одновременно самое интригующее в личности Гамова - ученого, нашедшее отражение в его творческом наследии, то трудно не согласиться со Станиславом Уламом, математиком и близким другом Г.Гамова. По словам Улама, «его пытливый ум привлекали теории, призванные для истолкования природы вещей во Вселенной, основы физики, суть размерностей, физические переменные и константы, на которых покоится здание физики - сцена, на которой разыгрываются все явления в природе, смысл категорий времени и пространства во Вселенной, в большом и малом».
Эта характеристика перекликается со свидетельством Р.Альфера и Р.Хермана, которые, ссылаясь на работу Гамова «Немного о физике завтрашнего дня» («Any Physics Tomorrow»), пишут, что в ней Гамов утверждал, что главная задача теории состоит в том, чтобы выразить новые эмпирические постоянные через известные фундаментальные константы природы, а именно скорость света, постоянную Планка и фундаментальную длину в микрофизике.
Судя по всему, Гамов был весьма заинтригован известной находкой Дирака, который обнаружил, что отношение определенных констант макро- и микромира почти в точности составляет 1040 (в частности, отношение радиуса Вселенной и классического радиуса электрона и число атомов водорода в пределах радиуса Вселенной) или целую степень этого числа, причем эта величина одновременно близка к квадрату радиуса Вселенной в специальных единицах, так называемых темпонах (один темпон = e2/mc2, где e - заряд электрона, m - его масса, а c - скорость света). По мнению Гамова, результат, полученный Дираком, за одну лишь его элегантность, заслуживал самого пристального внимания. Однако Гамова никоим образом не устраивало предположение Дирака о переменности постоянной гравитации G со временем, а заодно и остальных фундаментальных постоянных. Поэтому Альфер и Гамов попытались соединить привлекательность оригинальной идеи Дирака с эволюционным сценарием горячей Вселенной и ввели в рассмотрение две временные шкалы: возраст Вселенной и так называемое время обращения (временную шкалу, на которой плотность излучения и вещества становятся сопоставимыми между собой). При этом оказалось, что временная шкала обращения в темпонах составляет 1036, а заодно отношение вышеупомянутых констант микро- и макромира примерно совпадает с этой цифрой. В последней совместной работе Гамов, Альфер и Герман рассматривали отношение теплоемкости вещества и излучения. Эта величина с точностью до множителя порядка десятки имеет несколько возможных интерпретаций: отношение давления материи и излучения, величина безразмерной энтропии в расчете на нуклон и число фотонов на нуклон. И все эти величины остаются инвариантными в процессе космологического расширения после отделения материи от излучения.
В последней главе своей знаменитой галереи портретов выдающихся физиков 20 столетия, озаглавленной «Тридцать лет, которые потрясли физику», Гамов пытался заглянуть в физику завтрашнего дня. Начав с укоризненной ремарки: «В последние годы в теоретической физике мы топчемся на месте и нам остается надеяться на лучшее будущее» и отметив, что у нас «нет хрустальной сферы для предсказания событий будущего», Гамов вновь хватается за спасительный якорь космонумерологии и безразмерного анализа. Он выбирает скорость света в вакууме, постоянную Планка в качестве фундаментальных констант природы, а в качестве третьей августейшей (в его терминологии) величины он предлагает классический радиус электрона. Любая физическая величина, согласно Гамову, может быть выведена из этих трех. Некоторые из его размышлений в ретроспективе звучат пророчески: «Только теория чисел и топология все еще остаются математическими дисциплинами, не находящими применение в физике. Будут ли они в дальнейшем взяты на вооружение для истолкования загадок природы?».
Даже его популярная книга «Мистер Томпкинс в стране чудес», герой которой маленький клерк из большого городского банка переносится в воображаемый мир, где царят квантовая теория и принципы теории относительности, и та носит подзаголовок «История с, G и h». Склонный к трезвой самооценке собственных воззрений, Гамов находит множество оговорок для объяснения своего пристрастия к космонумерологии, вроде того что «хотя у нас и нет точного ответа на эти вопросы, нельзя осуждать попыток спекулятивного рассмотрения проблемы».
Ввиду всего вышесказанного напрашивается вопрос: а в чем собственно корни,чем мотивировался столь углубленный интерес Гамова к тому, что можно образно назвать «поиском абсолютного»? Как нам представляется, Гамов предлагает ответ на этот вопрос заинтересованному читателю. В замечательной книге «Биография физики» (Харпер энд Бразерс, Нью-Йорк, 1961) в главе «Век электричества» он вводит понятие электростатической единицы заряда (esu), определяемой законом Кулона электроотталкивания и притяжения зарядов, а затем электромагнитной единицы (emu), определяемой законом Эрстеда воздействия тока на магнитные полюса. Объясняя затем, что два тела, заряженные 1 emu каждое и разнесенные на расстояние в 1 см, будут отталкиваться друг от друга с силой в =3·1010 дин, он продолжает: «... так как при написании своих уравнений Максвелл должен был использовать esu при описании электрических полей emu для магнитных полей, множитель =3·1010 упрямо вылезал у него в формулах, содержащих электрические поля в одной части уравнений и магнитные поля - в другой. Применение этих уравнений для описания распространения электромагнитных волн привело к заключению, что скорость их распространения численно равна отношению этих двух единиц, а именно =3·1010 см/сек. И о боже, эта цифра точнехонько совпала со скоростью света в вакууме, значение которой было измерено задолго до рождения Максвелла. Ага, вероятно, подумал Максвелл, это должно означать, что световые волны в действительности являются электромагнитными волнами очень малой длины волны, и эта мысль привела к развитию важной ветви физики: электромагнитной теории света» (Биография физики, стр. 151).
Как нам кажется, только что приведенный отрывок является ключом к разгадке непреходящего интереса Гамова к связи между константами макро- и микромира. В нем он выдает свою заветную мечту открытия самых фундаментальных законов природы посредством одной прогностической силы интуиции, из первых принципов, минуя детальный математический анализ, который Гамов откровенно недолюбливал.
Тягой Гамова к поискам абсолютного, по нашему мнению, можно объяснить его явное безразличие к такой тонкой и щепетильной материи в современной науке, как вопросы приоритета научных открытий, а также его удивительную личную скромность. В книге «Тридцать лет, которые потрясли физику», он делает специальную сноску, чтобы объяснить читателю, почему в рассказе об эпизодах своей личной жизни он отступает от общепринятых в академической среде правил и ведет повествование от первого лица.
При всей своей индифферентности в вопросах научного приоритета, Гамов не мог не почувствовать себя уязвленным, когда А.Пензиас и Д.Вилсон в своем первом сообщении об обнаружении трехградусного микроволнового излучения не удосужились упомянуть исследование Гамова. В письме, адресованном доктору Пензиасу, факсимиле которого последний воспроизводит в сборнике «Космология, синтез и другие проблемы», Гамов после изъяснения благодарности за присланный оттиск статьи вежливо констатирует, что она «очень недурно написана, если не считать того, что «ранняя история» не совсем полна» и указывает на собственные статьи, опубликованные в 1946 году в Nature и Physical Review. Но не проходит и нескольких месяцев и на 4-ом симпозиуме по релятивистской астрофизике в Техасе, где Гамов председательствовал на заседании по микроволновому излучению, он по своему обыкновению все обратил в шутку. Предоставим слово самому А.Пензиасу: «Свои замечания он завершил комментариями, которые, если мне не изменяет память, звучали примерно так: «Если я потерял монетку, а кто-то другой нашел монетку, я не сумею доказать, что она принадлежала мне. Но я-то потерял монетку в том самом месте, где ее нашли». Последовали долгие и продолжительные аплодисменты из зала.
Порой поступки Гамова выглядят экстравагантными, чтобы не сказать немотивированными. Так Л.Розенфельд приводит в уже упоминавшемся выше мемориальном сборнике историю о том, как Гамов, завершив работу над рукописью статьи, посвященной спектру aльфa-частиц, настоял на том, чтобы отправить рукопись в журнал Nature с пометкой Pic de Daint (вершина в Альпах). А для того, чтобы не возникло сомнений в подлинности содеянного, он уговорил друзей сфотографировать его с рукописью в руках на вышеозначенной вершине. Нечего и говорить о том, что план был приведен в исполнение до мельчайших деталей. Но так ли уж это было странно? Гамов-то знал, какую он «взял вершину», и способ увековечивания события выбрал сообразно со своей художественной натурой.
Одна из самых поразительных граней его редкостного таланта, принесшая Гамову всеобщее признание как даровитого популяризатора науки, - удивительная прозрачность, наглядность его физических моделей. Как свидетельствует уже цитировавшийся выше С.Улам, «Гамов всегда стремился даже в самых абстрактных теориях к мотивациям или подобию, т. е. к аналогиям с уже устоявшимися моделями». Складывается впечатление, что эта черточка его таланта напрямую связана с его художническим дарованием. По общему признанию, собственные иллюстрации Гамова к его книгам отличаются редким вкусом и своеобразием. Как это ни звучит парадоксально, но волей-неволей приходится признать, что чем абстрактнее и отвлеченнее, с точки зрения ортодоксального здравого смысла, выглядит стоящая перед ним задача, тем с большей силой и проникновенностью предстает перед нами творческое воображение Гамова. Воспроизводимый ниже отрывок, взятый нами из книги «Биография физика», является, на наш взгляд, великолепной иллюстрацией наглядности его мышления. В нем Гамов пытается познакомить непосвященного читателя с одним из сложнейших разделов теоретической физики - с релятивистским волновым уравнением Поля Дирака. Он объясняет, как странный брак теории относительности с квантовой механикой, заключенный «при посредничестве» Дирака, немедленно приводит к появлению странного антимира, поражающего наше воображение, где все объекты обладают отрицательной массой. А это, между прочим, означает, что, если их толкнуть в одном направлении, то они начнут двигаться в прямо противоположном. По очевидной и наглядной аналогии он называет электроны с отрицательной массой - осликами-электронами. Далее, пытаясь показать, в чем заключается фундаментальная трудность, на которую наталкивается теория Дирака, Гамов набрасывает схематическую картинку двух энергетических континуумов: одного для обычных электронов, а другого - для их антиподов. Как знать, быть может, размышляя над диковинными особенностями введенных Дираком антимиров и задумчиво глядя на свой незамысловатый рисунок с крючками - электронами вроде мальков и стрелочками переходов между энергетическими уровнями, чем-то смахивающими на рыболовные удочки, он вспомнил свое детство в Одессе, на берегу Черного моря. Ага, возможно, подумал Гамов в этот момент, пожалуй, я знаю, на что это похоже. И вот что у него вышло: «Единственный способ, которым Дирак мог обойти эту трудность, заключался в предположении, что все уровни с отрицательной энергией должны быть заселены осликами-электронами и что электронам не было дозволено переходить вниз из состояния с положительной энергией в соответствии с принципом запрета Паули. Конечно, это означало, что вакуум никакой не вакуум, а что он до отказа заполнен осликами-электронами, движущимися во всевозможных направлениях с любыми мыслимыми скоростями! По существу любой единичный объем вакуума должен содержать бесконечное множество таких противоречивых частиц! Так почему же мы их не замечаем? Объяснение звучит несколько загадочно. Представьте себе глубоководную рыбу, которая никогда не всплывает на поверхность, а потому она не знает, что где-то там над ней водная стихия кончается. Если эта рыба настолько умна, что способна размышлять о своем окружении, то она вообще не станет рассматривать воду как некую «среду», а будет воспринимать ее как «свободное пространство». Рассуждая подобным же образом, можно сказать, что физик не замечает присутствия бесконечного плотного стада осликов-электронов из-за их совершенно однородного пространственного распределения. Правда, эта идея сильно попахивает старомодным мировым эфиром, но тем не менее стоит к ней присмотреться поближе. Возвращаясь к нашей умной глубоководной рыбе, мы можем себе представить, что у нее сложилось понятие о гравитации, благодаря наблюдениям за пустыми пивными бутылками, разного рода обломками и даже за целыми кораблями, опускающимися на дно морское. Но вот как-то раз воздух из каюты затонувшего судна вырывается наружу и наша разумная глубоководная рыба наблюдает целую стайку серебристых пузырьков, устремившихся к поверхности океана. Рыба, конечно же, сильно удивится и по зрелому размышлению должна придти к заключению, что серебристые шарики должны обладать отрицательной массой. И в самом деле, как же они могут двигаться вверх, когда сила тяжести тянет все книзу?
Ну так вот, у Дирака были в чем-то схожие идеи относительно океана, до предела заполненного электронами с отрицательными энергетическими состояниями. Допустим теперь, что в океане Дирака имеется пузырь, т. е. один из электронов-осликов отсутствует. Как это будет воспринято физиком? Поскольку отсутствие отрицательного заряда эквивалентно наличию заряда позитивного, он увидит его как положительно заряженную частицу. Таким образом, по аналогии с пузырьком воздуха знак массы изменится на обратный и отсутствие отрицательной массы будет воспринято, как присутствие массы положительной. Так может быть, пузырь в океане Дирака есть не что иное как обычный протон? Это была блестящая идея, но она не сработала ... Трудности усугубились после того как расчеты, проведенные Паули, показали, что если бы протон и вправду был бы пузырьком в океане Дирака,то атом водорода не просуществовал бы и доли секунды ... Паули предложил нечто, получившее название «второй принцип Паули», в соответствии с которым всякая новая идея, выдвинутая физиком - теоретиком, немедленно оказывается применимой ко всем атомам его собственного тела. В соответствии с этим принципом тело Дирака было бы аннигилировано за долю микросекунды после того, как в него вселилась данная идея, а другие физики были бы лишены удовольствия услышать о ней.
Что остается к этому добавить? Быть может, самым уместным будет привести здесь высказывание Э.Теллера: «Георгий Гамов... был физиком с редкостным чувством вкуса. По оценке Бете, человека, помешанного на точности, научно-популярные книжки Гамова точны процентов на 90. Я подозреваю, что книжка, точная на 99 и 44 сотых процента, может оказаться ужасно нудной».
Конечно же, не случайно Гамов в качестве эпилога к своей книге «Тридцать лет, которые потрясли физику» избрал шутливую породию на бессмертную поэму «Фауст» Гете, героями которой выступает блестящая плеяда физиков 30-ых годов в компании открытых ими элементарных частиц и свиты божественных фигур. Остается лишь сожалеть, что эта пародия до сих пор так и не переведена на русский язык. Сам Гамов так объясняет ее появление на свет. Понятие безмассовой и беззарядовой частицы, обладающей спином 1/2, нелегко было «проглотить» даже таким китам теоретической физики 20 столетия, как Нильс Бор. В попытках осмысления безумного мира элементарных частиц маститые ученые обращались к фантастическим образам мира искусства.
Быть может, подоплека появления пародии на «Фауста» в качестве послесловия к монографии «Тридцать лет, которые потрясли физику» этим не исчерпывается. Книга была написана за четыре года до смерти ее автора. Похоже, мятежная фигура доктора Фауста не давала покоя Георгию Антоновичу в эпилоге его собственной жизненной драмы. Ведь и к нему самому как нельзя лучше подходит характеристика Фауста, вложенная Гете в уста Мефистофеля:
«И чем он сыт, никто не знает тоже,
Он рвется в бой и любит брать преграды,
И видит цель, манящую вдали,
И требует у неба звезд в награду
И лучших наслаждений у земли,
И век ему с душой не будет сладу,
К чему бы поиски ни привели ...»