Альфа, бета, Гамов и «Новый кризис теории квант»

Книга: Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Джаз-банд, по существу, распался в 1928 году, когда между двумя мушкетерами пробежала черная кошка, а третий — Георгий Гамов — отправился в Европу. В университет он поступил раньше своих друзей, раньше закончил и поехал на стажировку в Германию по стипендии Наркомпроса (тогдашнего Министерства образования).

Гамову повезло не только с талантом при рождении. Повезло еще и в том, что незадолго до отъезда он прочитал важную статью московских теоретиков, а вскоре после приезда в Германию узнал о новых опытах великого Резерфорда по альфа-распаду. Эти везения помогли Гамову сделать свою первую важную работу в физике, и то был первый успех теоретической ядерной физики. За этот успех, помимо мировой славы, Гамов получил и западную стипендию еще на целый год пребывания в лучших физических домах Европы — как раз когда заканчивалась трехмесячная стипендия Наркомпроса. История этого успеха помогает понять, чем тогдашняя физика так притягивала молодых веселых людей, что они посвящали ей стихи и готовы были посвятить жизнь.

Гамов теоретически объяснил одно ядерное явление — альфа-распад, объяснил на основе квантовой механики, безо всякой ch -теории. Это не противоречило общим соображениям Бора, поскольку альфа-частица в восемь тысяч раз тяжелее электрона. Поэтому, подставив ее массу в соотношение неопределенностей, получим, что ее скорость в ядре много меньше скорости света, а значит, для нее достаточно h -теории.

Чтобы ощутить необычность квантовых законов, вспомним историю о лягушке, попавшей в горшок со сливками. Она стала дрыгать лапками, отчего из сливок сбилось твердое масло, и уже с этой подставки выпрыгнула из горшка. Мораль «не падать духом и дрыгать лапками» годится на все случаи жизни. Почти на все — дело плохо, если сливок в горшке вовсе нет, а лягушачьих сил не хватает, чтобы допрыгнуть до края горшка.

Дело, однако, меняется, если обычный горшок заменить на квантовый — если и горшок, и лягушка имеют атомные размеры. Тогда даже и без сливок лягушка имеет шанс выбраться на волю, если, конечно, не падает духом и прыгает. Шанс есть, даже если она прыгает лишь на полвысоты горшка. А чем выше прыгает, тем вероятнее освобождение — сказочно-квантовое проникновение сквозь стенки горшка, на волю. Этот странный результат квантовой механики, названный позже «туннельным эффектом», обнаружили в конце 1927 года московские теоретики Леонид Мандельштам и Михаил Леонтович, статью которых Гамов прочитал перед отправкой в Европу.

Гамов, можно сказать, уподобил альфа-частицу лягушке и атомное ядро — горшку. Он не знал, из чего сделаны стенки ядерного горшка, но обнаружил, что и без этого знания — на основе квантовых законов — можно получить закономерности альфа-радиоактивности, заодно объяснив новые опыты Резерфорда. Тем самым квантовые законы оказались применимы не только в атоме, но и, хотя бы частично, в ядре. Неудивительно, что первооткрыватель атомных законов Нильс Бор, оценив этот результат, выхлопотал несоветскую стипендию для молодого советского теоретика. И неудивительно, что физика, в которой возможны подобные альфа-лягушки, притягивала умных и веселых молодых людей.

Через год после Гамова еще один умный и веселый советский теоретик, Лев Ландау, отправился в Берлин с наркомпросовской стипендией в кармане. Немецкая физика была тогда сильнейшей в мире, в Берлине жил великий Эйнштейн — так что столицу Германии можно было назвать физической столицей мира. Ландау, однако, вряд ли согласился бы с этим. Да, он считал Эйнштейна не просто великим, а величайшим и созданную им теорию гравитации — самой красивой из физических теорий. Но восхищение перед творениями прошлого не мешало 21-летнему Ландау видеть насущные проблемы физики и считать, что великий Эйнштейн, сделавший важные первые шаги к квантовой теории, пошел не туда.

Оба теоретика оказались однажды на собрании Германского физического общества, и вот что об этом рассказал очевидец (Отто Фриш):

Когда Эйнштейн закончил доклад, председательствующий почтительно предложил задавать вопросы. Тут в задних рядах встал молодой человек и сказал примерно так: «То, что профессор Эйнштейн рассказал нам, не так уж глупо. Однако второе уравнение, строго говоря, не следует из первого. Необходимо предположение, которое не доказано…» Все обернулись, разглядывая смельчака. Все, кроме Эйнштейна, который смотрел на доску и думал. Через минуту он перевел взгляд на аудиторию и сказал: «Молодой человек совершенно прав; забудьте все, что я сегодня вам рассказал».

Не надо думать, что молодой человек — Ландау — упивался своей смелостью. Ему, как и Эйнштейну, было интереснее происходившее на доске и важнее, как соотносятся написанные мелом формулы с устройством природы. То есть он любил саму науку, а не себя в ней. Любил самозабвенно, хотел взаимности, но не грустил, когда взаимность доставалась не ему, а кому-то другому.

После Берлина Ландау отправился в Цюрих, где царил Вольфганг Паули, о котором в гимне Джаз-банда пелось:

…но Паули принцип та-ТА-та та-ТА-та
В руках, в головах и в работах у всех!

Знаменитый принцип Паули выразил новое свойство элементарных частиц. Любые два электрона похожи друг на друга гораздо больше, чем две капли воды. Они абсолютно одинаковы, совершенно неотличимы. Размышляя над подопытными фактами микромира, Паули понял, что кое-что в этих фактах можно объяснить, если одинаковым частицам, подобным электрону, запрещено находиться в одинаковых состояниях. Строжайший запрет — не собираться даже по двое. Так в 1924 году Паули открыл закон природы, совершенно неведомый в мире обыденных явлений, но явления эти объясняющий, — к примеру, почему вещества отличаются друг от друга, как воздух от воды.

К 1929 году, когда Ландау прибыл в Цюрих, в физике зияли две огромные проблемы, о которых пелось в гимне Джаз-банда:

…Опять не известна теория света,
Еще не открыты законы ядра.

Альфа-частичный успех Гамова в физике ядра оказался лишь удачной партизанской вылазкой, не более. Неподступным оставался главный вопрос: из какого сверхпрочного материала сделаны стенки ядерного горшка, в котором прыгают альфа-лягушки? Неподступной оставалась и загадка электронов, выпрыгивающих из ядра, — то есть бета-частиц. Казалось очевидным, что электроны содержатся в ядре — раз они оттуда вылетают, но по нескольким причинам им там нельзя было находиться. Невыносимо-необъяснимое поведение внутриядерных электронов побудило Гамова сделать печатку, которую он прикладывал каждый раз, упоминая бета-электроны в своих текстах: под черепом вместо костей скрестились две буквы «бета».

Печатка Гамова (ок.1931 ) — череп и бета-кости.

В те времена считалось, что кромешную ядерную тьму может рассеять не свет, а теория света, которая уже четверть века была «опять не известна». Ведь поведение электронов должно определяться электромагнитными силами, а свет — проявление тех же сил. Загвоздка была в том, что электромагнитная теория света споткнулась об атомную физику в 1905 году, когда Эйнштейн предположил, что свет состоит из частиц — фотонов. Гипотеза прекрасно объяснила фотоэффект, принесла Эйнштейну Нобелевскую премию, но… не лезла ни в какие теоретические ворота.

Поиски квантовой теории света оставались безуспешными до 1929 года, когда за дело взялся Паули, и у него что-то начало получаться. Потому-то для Ландау нестоличный Цюрих с Паули был привлекательнее столичного Берлина с Эйнштейном. И не только для Ландау. Незадолго до того ассистентом Паули стал уроженец Берлина Рудольф Пайерлс. Биографически и психологически очень разные молодые физики приглянулись друг другу и нашли себе совместную работу, как раз связанную с проблемой «частиц света». Работа превратилась в статью и подружила их на всю жизнь.

Ландау, несмотря на его просоветский и антибуржуазный задор, понравился ироничному Паули тем, что, можно сказать, утер ему нос. За два года до того, рассматривая поведение электронов в металле, Паули открыл новое явление, называемое «парамагнетизмом Паули». А новичок из России обнаружил другое свойство тех же самых электронов в металле — свойство противоположное по знаку. Паули понял, что новичок прав, и порекомендовал благотворительному фонду Рокфеллера дать Ландау стипендию еще на год. А новое свойство назвали «диамагнетизмом Ландау».

Таким образом сделав себе имя в мировой физике, сам Ландау, однако, в отчете о командировке назвал эту работу лишь одной из частных задач. А центральной счел «узловую проблему», которая «привела к грандиозным затруднениям», — «проблему объединения в одно целое двух наиболее общих современных теорий: принципа относительности и теории квант».

Чтобы прочувствовать, как этот центральный узел воспринимался в 1930 году, последуем за Ландау в Копенгаген, где тогда у Нильса Бора собрался совет знатоков квантовой теории. Их собрал «Новый кризис теории квант», как назвал свою статью Бронштейн, узнавший о событии, надо думать, от Ландау:

Совет заседал в шутливо-торжественной обстановке, в руках у Паули был рог, в который он трубил каждый раз, когда хотел отметить в разбиравшихся теоретических построениях непонятное место или новую трудность. К сожалению, ему приходилось трубить в свой рог слишком часто. Положение было признано безнадежным, что и было отмечено в шуточной резолюции, в которой все присутствующие зарекались впредь заниматься квантовой теорией (Паули якобы решил впредь заниматься математикой, Гейзенберг — музыкой, и только осторожный Бор заявил, что еще подумает).

В такой ситуации совершенно неосторожный Ландау не стал ждать, пока старшие коллеги выяснят, что делать. Он верил, что лучшее решение кризиса — революция, и ему нравилась революционная идея Бора о том, что новая физика пожертвует законом сохранения энергии ради истинной картины мира. Частицы в ядре так плотно прижаты друг к другу, что этого… просто не могло быть по тогдашним теориям. И так же частицы сжаты в центрах звезд, неистощимо светящихся. Так что гипотеза Бора могла осветить оба края тогдашней физики.

Ландау взялся за проблему с двух сторон — и в микрофизике, и в астрофизике. Вернувшись в Цюрих, он занялся обеими задачами и в одну увлек Пайерлса. Горячие дискуссии шли иногда в присутствии Паули, но тот слушал с прохладцей. Как-то раз распаленный Ландау спросил Паули, неужели он считает все, им сказанное, чушью?! Тот ответил остужающе: «О нет, что вы! Произнесенное вами настолько сумбурно, что нельзя даже сказать, чушь это или нет!»

Льва Ландау это не остудило. Он был уверен, что нащупал принципиальный дефект ch -теории электромагнитного поля — невозможность измерить основную величину теории, величину самого поля. А значит, само понятие «поле в точке» не имеет права на существование. Доказав таким образом, что без ch -революции не обойтись, они с Пайерлсом отправились к Бору в Копенгаген со статьей, в которой заявили, что следовали «красивой идее проф. Нильса Бора».

Назад: В ожидании ch-революции

Дальше: ch-контрреволюция