Сказка о весёлом физике Георгии Гамове и о холодном дыхании горячей Вселенной
Ник. Горькавый
Школьные годы Георгия Гамова пришлись по большей части на Первую мировую войну.
«Космические сыщики» — новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и научным сказкам, опубликованным в журнале в 2010—2014 гг.; в №№ 1, 4—7, 9, 2015 г.; в №№ 1, 2, 3, 6, 2016 г.
Устроившись поудобнее, Андрей и Галатея приготовились слушать очередную вечернюю сказку.
— Эта история началась в Одессе, под артиллерийскую канонаду, — сказала Дзинтара и, открыв книгу, прочитала первые строчки:
— Сегодня ты не пойдёшь в школу — на улицах опять стреляют. Как бы десант не высадили… — озабоченно сказал отец сыну…
Школьные годы Георгия Гамова, родившегося в Одессе в 1904 году в семье учителя гимназии, пришлись по большей части на Первую мировую войну. Впоследствии он вспоминал: «Моё обучение носило спорадический характер, поскольку занятия часто отменялись, когда Одессу обстреливали вражеские корабли, или когда греческие, французские, английские экспедиционные войска шли в штыковые атаки по главным улицам города на белые, красные и даже зелёные русские военные силы, или когда русские войска различных мастей сражались между собой…» Однако всё это не мешало Георгию увлекаться физикой, астрономией и биологией. Школу он закончил в 1921 году и поступил на математическое отделение физико-математического факультета Императорского Новороссийского (с 1933 года — Одесского) университета. В те неспокойные годы университет не мог предоставить студентам высокий уровнень обучения, поэтому Гамов решил ехать в Петроград, где, как он слышал, после застоя революционных лет начала возрождаться физическая наука. Его отец продал фамильное серебро, чтобы дать сыну деньги на дорогу. Георгий добрался до Петрограда и поступил в университет. В 1926 году он закончил физико-математический факультет на тот момент уже Ленинградского государственного университета (город переименовали из Петрограда в Ленинград в 1924 году). Молодой человек проявил себя талантливым теоретиком, и его приняли в аспирантуру, а через два года отправили на полугодовую стажировку в Германию, к известному физику Максу Борну. За шесть месяцев работы Гамов сделал своё первое серьёзное открытие — построил на квантовом принципе неопределённости теорию альфа-распада атомных ядер.
— Ничего не поняла! — воскликнула Галатея.
Дзинтара объяснила:
— Атомные ядра состоят из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Протоны отталкиваются друг от друга из-за одинакового электрического заряда, поэтому ядро вроде бы должно распадаться. Но этому препятствуют мощные силы, которые притягивают частицы друг к другу. Фактически вокруг ядра атома построена стена, которая не даёт его обитателям «разбежаться». Тем не менее экспериментаторы установили, что тяжёлые атомные ядра могут претерпевать альфа-распад, то есть выпускать альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов и являющуюся ядром атома гелия. Только теоретики никак не могли понять, как альфа-частица пробивает непреодолимую на первый взгляд стену.
— Это так же странно, как если бы спутник преодолел земное тяготение и вышел в космос без ракеты-носителя! — сказал Андрей.
— Очень точное сравнение, — похвалила сына Дзинтара. — Решить проблему альфа-распада Гамову помогла работа, опубликованная французским физиком Луи де Бройлем, согласно которой каждая частица является одновременно и волной (см. «Наука и жизнь» № 2, 2016 г., статья «Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире» — Прим. ред.). Гамов высказал предположение: если альфа-частица ещё и волна, то она может оказаться снаружи потенциального барьера.
— То есть волна, в отличие от частицы, может перехлёстывать через стену? — спросил Андрей.
— Верно. Эта работа принесла Гамову известность. Возвращаясь после успешной стажировки в Германии в Ленинград, он на один день заехал в Копенгаген — повидаться с легендарным физиком Нильсом Бором. После разговора с молодым учёным Бор предложил ему стипендию на годичную стажировку в своём институте. В результате Гамов задержался в Европе до весны 1931 года. Он побывал в Лейдене, Кембридже и познакомился со многими выдающимися учёными.
В Советский Союз Георгий Антонович вернулся прославленным физиком-теоретиком, о нём писали газеты, ему посвящали стихи. В марте 1932 года Гамова, которому исполнилось всего 28 лет, избрали членом-корреспондентом АН СССР, и до сих пор он остаётся самым молодым физиком из когда-либо избранных в ряды академии. В том же году Георгий Антонович вместе со своим коллегой Л. В. Мысловским из Радиевого института имени В. Г. Хлопина предложили проект создания первого не только в России, но и в Европе ускорителя элементарных частиц — циклотрона, и в 1937 году установка была запущена.
Несмотря на все достижения и известность в Европе, Гамова перестали выпускать за границу. Например, в октябре 1931 года ему запретили выезд в Рим на международный конгресс по ядерной физике, и доклад Гамова прочитал за него другой участник конгресса — Макс Дельбрюк. Гамов был оскорблён. Ему нужна была свобода, прежде всего для общения с выдающимися физиками, работающими в Европе и США. Георгий Антонович стал искать возможность выехать за границу вместе с женой, пусть даже и нелегально. Перебрав разные варианты, летом 1932 года супруги Гамовы отправились в отпуск в Крым и решили добраться оттуда морем на байдарке до турецкого берега. Однако сильные волны и встречный ветер помешали их отчаянно смелому мероприятию. Через два дня шторм пригнал байдарку с измученными путешественниками к крымскому берегу возле Балаклавской бухты.
В 1933 году идея Гамова уехать за границу всё-таки осуществилась. Знаменитые физики Нильс Бор и Поль Ланжевен пригласили его в Брюссель принять участие в качестве делегата от СССР в работе седьмого Сольвеевского конгресса, и ему чудом удалось выехать за границу вместе с женой. Больше в Советский Союз Гамов не вернулся. Для своих зарубежных коллег он стал Джорджем Гамовым. Через год он переехал в столицу США, где возглавил кафедру теоретической физики в Университете Джорджа Вашингтона. Там Гамов подготовил ряд важных научных работ и принял два дальновидных решения: взял на работу Эдварда Теллера, с которым познакомился в институте Бора, и организовал ежегодную конференцию по теоретической физике, на которую приезжали 20—30 выдающихся учёных.
Венгерский физик-теоретик Эдвард Теллер, переехавший в Америку по приглашению Гамова, впоследствии сыграл важнейшую роль в создании атомной и термоядерной бомбы в США. «Я ценил Гамова, — писал он, вспоминая те годы. — Он генерировал по новой теории каждый день, что делало его подобием какой-то природной стихии. Но если теория была бессмыслицей, как в большинстве случаев и оказывалось, можно было сказать об этом Гамову прямо, без околичностей. В отличие от многих гениев, Джо отбрасывал свои теории так же легко, как и создавал. В редких случаях, когда я не мог опровергнуть его идею, мы писали совместную статью. Обычно она была хорошей, потому что у Гамова был отличный вкус в выборе тем».
На конференции к Гамову приезжали такие выдающиеся физики, как Нильс Бор, Энрико Ферми, Субраманьян Чандрасекар. В знаменательной конференции 1938 года, посвящённой астрофизике и ядерным реакциям на Солнце, участвовали студент Гамова Чарльз Критчфилд и известный американский физик Ганс Бете. Им суждено было сделать открытия, которых все ждали. Эдвард Теллер вспоминал: «В результате конференции Критчфилд сделал верное предположение о реакции между протонами как источнике солнечной энергии… Вскоре после конференции он (Ганс Бете. — Прим. ред.) опубликовал важную работу по обсуждавшимся темам, которая описывала роль, которую играет углерод в цикле звёздных термоядерных реакций. Эта работа сыграла существенную роль в Нобелевской премии Ганса».
В 1930-е годы Гамов познакомился и с Эйнштейном. Он с юности интересовался общей теорией относительности и даже был учеником основателя современной космологии Александра Александровича Фридмана. После бесед с Эйнштейном интерес Гамова к космологии пробудился с новой силой. Его самое выдающееся научное достижение в этой области — идея горячей модели Вселенной. Чуть позже Гамов ввёл понятие Большого взрыва как начала расширения Вселенной в виде горячего облака «улема» — так учёный назвал гипотетическое протовещество из смеси нейтронов, протонов, электронов и квантов света. Кроме того, Георгий Антонович разработал реалистичную схему образования химических элементов во время Большого взрыва, доказав тем самым, что астрофизики могут определить не только химический состав звёзд, но и химический состав самой Вселенной, а также заглянуть в первые минуты существования нашего мира.
Георгий Гамов придерживался простой и понятной схемы динамики Вселенной, включающей предыдущий цикл сжатия. В своей книге «Создание Вселенной» он писал: «Мы можем задать себе два важных вопроса: почему наша Вселенная была в таком сильно сжатом состоянии и почему она стала расширяться? Простейший и математически наиболее корректный ответ состоит в том, что Большое сжатие, которое имело место в ранней истории нашей Вселенной, было результатом коллапса, который случился в ещё более раннюю эру, и что нынешнее расширение есть просто “упругий” отскок, который начался, как только максимально возможная плотность была достигнута».
Концепция Вселенной, расширяющейся после сильного сжатия, безупречно красива, но механизм «упругого отскока» во времена Гамова ещё не был понят. Высказать соображение о таком отскоке до раскрытия его реального механизма мог лишь очень смелый человек.
Некоторые учёные отвергали идею взрывного образования Вселенной, считая, что наблюдаемый факт её расширения вовсе не означает, что раньше она была маленьким и плотным объектом, впоследствии взорвавшимся.
В 1948 году, развивая теорию Большого взрыва, Гамов вместе со своими соратниками предсказал существование теплового излучения, оставшегося после остывания молодой и горячей Вселенной. Взрыв, породивший Вселенную, сопровождался вспышкой мощного электромагнитного излучения самых коротких волн. Это было очень горячее облако излучения или облако излучения очень горячего тела — самой Вселенной. По мере расширения облако остывало, а Вселенная превращалась в практически пустое тёмное место с островами из звёзд. Спустя миллиарды лет после Большого взрыва тепловое излучение сильно остыло, и его стали называть «реликтовым», то есть «оставшимся от прошлых времён». Согласно оценкам самого Гамова, Ральфа Альфера и Роберта Хермана, которые вместе с ним занимались этой работой, реликтовое излучение должно быть аналогично излучению чёрного тела с температурой всего в несколько градусов Кельвина.
— То есть сейчас Вселенная светится, как лампочка Планка (см. «Наука и жизнь № 7, 2015 г., статья «Сказка о Максе Планке, который в свете электролампы нашёл свою постоянную» — Прим. ред.), но очень холодная? — уточнил Андрей.
— Да. В популярной статье «Физика сегодня» Гамов назвал цифру в 3К (3 градуса Кельвина), и это оказалось необычайно точным предсказанием.
Американский физик Стивен Вайнберг написал в знаменитой книге «Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной»: «Гамов, Альфер и Херман заслуживают колоссального уважения помимо всего прочего за то, что они серьёзно захотели воспринять раннюю Вселенную и исследовали то, что должны сказать известные физические законы о первых трёх минутах».
Все трое были реальными кандидатами на Нобелевскую премию за предсказание реликтового излучения и оценку его температуры. Очень жаль, что группа Гамова не получила заслуженного признания за вклад в изучение древнейшего света Вселенной. Одной из причин этого была репутация Гамова как несерьёзного человека, неутомимого шутника и любителя розыгрышей, далеко не всегда безобидных. Известно, например, что, написав с Альфером и Херманом статью о реликтовом излучении, он ради шутки включил в её соавторы и физика Бете, чтобы первые буквы фамилий совпадали с первыми буквами греческого алфавита: Альфер, Бете, Гамов. Более того, он уговаривал Хермана сменить фамилию на Дельтер и стать четвёртым в статье, но тот наотрез отказался...
Другой пример. Когда Гамова избрали членом Национальной академии наук США, он прислал в журнал академии научную статью по биологии, соавтором которой указал вымышленного мистера Томпкинса — юмористического персонажа своих научно-популярных книг. Академия под благовидным предлогом отклонила статью — весьма, кстати, интересную, вполне нобелевского уровня. Тогда Гамов убрал из соавторов Томпкинса и опубликовал её в докладах Датской королевской академии наук, членом которой он тоже состоял.
В этой статье учёный выдвинул идею генетического кода. В то время было известно, что белки состоят из двадцати типов аминокислотных остатков, последовательность которых в длинной белковой цепи определяется ДНК, или молекулой дезоксирибонуклеиновой кислоты, — носителем генетической информации, тоже представляющей длинную цепь, но лишь из четырёх типов нуклеотидных остатков. Гамов предположил, что клетка использует генетический код, который переводит четырёхбуквенный текст ДНК в двадцатибуквенный текст белка. Согласно его гипотезе, этот код должен быть триплетным, то есть набором из трёх разных соседних нуклеотидов в цепи ДНК.
Статьи по теме
- Сказка о физике Вернере Гейзенберге, который ничего не знал наверняка
- Сказка о Королевстве Кривых Пространств и дневных звёздах
- Сказка о молчаливом Поле Дираке, открывшем мир античастиц
- Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире
- Сказка об Эрнесте Резерфорде, придумавшем космическую модель атома
- Сказка о суперсыщике Нильсе Боре, разыскавшем связь между атомом Резерфорда, линиями Фраунгофера и кривой Планка
- Сказка о Максе Планке, который в свете электролампы нашёл свою постоянную
Читайте в любое время
