Физики, химики и математики: жизнь и открытия. часть 7

В этом выпуске вы узнаете много интересного из жизнедеятельности Нильса Бора, Вольфганга Паули и Энрико Ферми, а также математика Андре Вейля

Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Часть 6

Вольфганг Паули (1900 - 1958) - один из титанов, царивших в теоретической физике во времена ее расцвета в первые десятилетия XX века. Он прославился не только блестящим умом, но и неразборчивой грубостью или, точнее, бескомпромиссной прямотой. Коллеги называли его "бичом Божьим". По словам Виктора Вайскопфа, который провел семестр ассистентом у Паули, можно было не опасаться задать профессору любой идиотский вопрос, поскольку Паули находил идиотскими все вопросы. Как-то, будучи еще студентом и пребывая в самом мирном настроении, Паули начал обсуждение только что окончившейся лекции Эйнштейна такими словами: "Знаете, то, что говорит Эйнштейн, не безнадежно глупо". Вайскопф вспоминает, что случилось, когда он прибыл в Цюрих и заглянул к Паули в кабинет:

В конце концов он поднял голову и спросил: "Кто вы такой?" Я ответил: "Я Вайскопф. Вы пригласили меня быть вашим ассистентом". На что Паули произнес: "Ну да. Я, конечно, хотел бы видеть на этом месте Бете, но он занят физикой твердого тела, которая мне не нравится, хотя я сам ее и создал".

К счастью, Рудольф Пайерлс, который хорошо знал Паули, заранее предупредил Вайскопфа о некоторых специфических свойствах характера Паули. Затем у Паули с Вайскопфом состоялся недолгий спор, в ходе которого Вайскопф заметил, что рад заняться чем угодно, кроме как непонятным ему сомнительным подходом к теории относительности. Паули как раз размышлял над этой темой, но начал от нее уставать и потому согласился. Затем он продемонстрировал новый метод решения задачи и уже на следующей неделе поинтересовался, сильно ли Вайскопф в нем продвинулся. "Я показал ему свое решение, - вспоминает Вайскопф в своих мемуарах, - и он произнес: "И все-таки стоило взять Бете". Несмотря ни на что, Вайскопф и Паули подружились. Про Пайерлса Паули отзывался так: "Он говорит так быстро, что пока успеешь понять, о чем речь, тот уже утверждает обратное".

Паули, имя которого запечатлено в названии принципа Паули, известного еще и как "принцип запрета" (никакие два электрона в атоме не могут находиться в одном квантовом состоянии), прославился также благодаря Второму принципу Паули, гласящему, что приближение Паули грозит поломкой любому научному прибору или механическому устройству. Нагляднее всего этот принцип проявился во взрыве с катастрофическими последствиями на физическом отделении Бернского университета - оказалось, это печальное событие совпало с проездом через город поезда, который вез Паули домой в Цюрих. Сидя за рулем автомобиля и подбадриваемый собственной похвальбой, Паули вызывал у пассажиров такую панику, что многие отказывались садиться к нему в машину повторно. Его ученик и коллега Хендрик Казимир вспоминал, что в таких случаях Паули предлагал: "Давайте заключим сделку: вы не отзываетесь о моем вождении, а я - о ваших исследованиях". В своих воспоминаниях Казимир воспроизводит также рассказ бельгийского физика Поля Розенфельда (которого сам Паули любил называть "хористом Папы Римского") о Втором принципе Паули в действии:

Гайтлер, читая лекцию о гомополярных связях, неожиданно заставил Паули рассвирепеть: как выяснилось позже, Паули эта теория сильно не нравилась. Едва Гайтлер закончил, как Паули в сильном возбуждении оказался у доски и, расхаживая взад-вперед, начал нервно высказывать свое недовольство, при этом Гайтлер оставался сидеть на стуле на кромке кафедры. "На больших расстояниях, - объяснял Паули, - теория определенно неверна, поскольку существует Ван-дер-Ваальсово притяжение; на малых расстояниях, очевидно, она неверна целиком и полностью". В этот момент, добравшись до края кафедры, противоположного тому, где сидел Гайтлер, Паули развернулся и пошел к Гайтлеру, угрожающе целясь в него куском мела. "И теперь, - провозгласил он по-немецки, - мы имеем утверждение, опирающееся на легковерие физиков, - теория, неверная на больших расстояниях и неверная на малых, все же качественно верна для промежуточного участка". В этот момент он подошел к Гайтлеру почти вплотную. Тот стремительно наклонился назад, спинка стула с треском отломилась, и несчастный Гайтлер опрокинулся на спину (к счастью, ничего себе серьезно не повредив).



Казимир, присутствовавший при этом, замечает, что первым, кто крикнул: "Эффект Паули", был Георгий Гамов, и добавляет: "Иногда я задумываюсь, не мог ли Гамов, известный шутник, сделать что-нибудь со стулом заранее". Физик Джереми Бернстейн, самый живой и яркий из пишущих на тему физики и физиков, вспоминает в своих мемуарах об одном событии, случившемся с Паули в последний год его жизни:

Однажды Паули оказался вовлечен в странную затею своего бывшего сотрудника Вернера Гейзенберга, другого великого архитектора квантовой теории. Они заявили, что решили все нерешенные задачи теории элементарных частиц, и все свелось к одному уравнению. Когда оно попалось на глаза людям более уравновешенным, те заключили, что все это - химера. Для Паули развязка наступила во время лекции в Колумбийском университете, прочитанной в огромном лекционном зале лаборатории Пупина. Хотя и были попытки сохранить все в тайне, зал все равно был набит битком. Среди слушателей тут и там виднелись прежние, нынешние и будущие нобелевские лауреаты, включая Нильса Бора. Когда Паули закончил лекцию, к Бору обратились за комментарием. Тут и развернулась одна из самых необычных и завораживающих сцен, какие мне случалось видеть. Ключевым пунктом оценки Бора было то, что для фундаментальной теории концепция Паули безумна, но все же недостаточно безумна. Великие прорывы вроде теории относительности и квантовой механики кажутся на первый взгляд, особенно если быть в курсе всей прежней физики, безумными и в принципе противоречащими здравому смыслу. С другой стороны, теория Паули была просто причудливой - одиноким уравнением, которое глядит на тебя, как иероглиф. На реплику Бора Паули ответил, что его теория достаточно безумна.

И тут одновременно два столпа современной физики начали двигаться по общей круговой орбите вокруг длинного стола на кафедре. Каждый раз, когда Бор оказывался лицом к аудитории, он восклицал, что теория недостаточно безумна, а Паули, поворачиваясь лицом к залу, отвечал, что достаточно. Для людей из другого мира - мира нефизиков - эта сцена выглядела бы весьма странной. Тогда обратились за комментарием к Фримену Дайсону, но он решил промолчать. Однако позже, в разговоре со мной, он отметил, что для него видеть подобное - это как наблюдать "за гибелью благородного животного". Дайсон оказался провидцем. Несколько месяцев спустя, в 1958 году, Паули умер от внезапно обнаружившегося рака. Перед смертью он успел откреститься, в самых едких выражениях, от "теории Гейзенберга", которую теперь иначе не называл. Можно только догадываться, был ли короткий роман Паули с этой теорией сигналом, что он уже тогда был серьезно болен.

Паули скончался, когда ему было всего 58 лет. Отдавал ли он себе отчет перед смертью в угасании своего воображения и интеллекта, неясно. Однако он жаловался одному из друзей: "Я знаю много. Я знаю слишком много. Я квантовый маразматик". Паули окончил дни в палате под номером 137 - это "магическое число" волновой теории, и такое совпадение его раздражало.





В 1934 году физики пребывали в крайнем волнении по поводу трансмутации, или превращения одних элементов в другие. Было доказано, что ядра некоторых тяжелых атомов способны захватить летящий нейтрон и в итоге превратиться в новый, более тяжелый, изотоп. Энергия, переданная нейтроном ядру в момент столкновения, излучалась в виде гамма-лучей, которые и свидетельствовали, что реакция проходит успешно. Великий итальянский физик Энрико Ферми запустил целую программу исследований, чтобы выяснить, как ведут себя разные элементы при нейтронной бомбардировке. Радость от первых успехов в опытах с легким элементом (натрием) была омрачена странностями результата: гамма-излучение возникало с куда большей задержкой, чем позволяла теория. Нужно было более убедительное доказательство захвата нейтронов. Два молодых и талантливых ассистента Ферми, Эмилио Сегре и Эдуардо Амальди, решили, что справились с задачей, когда показали, что алюминий, следующий объект изучения, оказался способен не только захватывать нейтроны, но и образовывать при этом радиоактивный изотоп со временем жизни (измеренным по испусканию гамма-лучей) около 3 минут. Обрадованный Ферми сообщил об этом на конференции в Лондоне.

Однако затем Сегре, простудившись, решил провести несколько дней дома и оставил Амальди продолжать опыты в одиночку. К всеобщему разочарованию, тот не смог повторить прежние наблюдения. Ферми, крайне обозленный перспективой унизительного опровержения, выплеснул все недовольство на ассистентов, которые теперь раз за разом получали стабильно ошибочные и, как могло показаться, бессмысленные результаты. Тогда в лаборатории и появился новый сотрудник - молодой одаренный физик, Бруно Понтекорво. Знаменитым он стал 20 годами позже: располагая важной информацией о разработках ядерного оружия, он сбежал в Советский Союз. Понтекорво и Амальди принялись за калибровку процесса нейтронной активации, взяв серебро за эталон - было известно, что при захвате нейтрона оно дает относительно долгоживущий изотоп, за распадом которого удобно наблюдать. Но тут, к изумлению и даже ужасу экспериментаторов, выяснилось, что результат зависит от конкретного места, где ставят опыт. Вот как это описывает Амальди: "В темной комнате рядом со спектрометром стояло несколько деревянных столов, которые обладали волшебным свойством: облученное на них серебро приобретало куда большую активность, чем когда его облучали на мраморном столе в той же комнате".




Аномалия требовала отдельного расследования. Поначалу решили оградить прибор от внешних воздействий заслоном из свинца. Но тут ассистентам Ферми пришлось уйти - принимать у студентов экзамены, и нетерпеливый Ферми решил продолжать эксперимент сам. О том, что случилось дальше, Ферми рассказал в письме своему будущему коллеге, знаменитому космологу Субраманьяму Чандрасекару:

Вот как я пришел, вероятно, к самому важному из моих открытий. Мы весьма активно работали над индуцированной нейтронами радиоактивностью, однако результаты получались абсолютно бессмысленными. И тут вдруг меня посетила мысль: а что, если на пути у падающих нейтронов поставить кусок свинца? С огромным трудом мне удалось добыть аккуратно изготовленный образец для эксперимента. Однако что-то меня смущало, и я был рад любому поводу оттянуть эксперимент со свинцом. Когда, наконец, я все-таки собрался уже установить его куда следовало, я вдруг подумал: "Стоп, кусок свинца мне тут не нужен, а нужен кусок парафина". Это случилось неожиданно, безо всякой видимой причины. Я тут же взял первый кусок парафина, какой попался под руку, и установил его там, где минуту назад хотел поставить свинец.

Ферми тут же получил резкий скачок вверх активности мишени. Он велел срочно созвать Сегре и остальных сотрудников в лабораторию, чтобы те увидели поразительный эффект своими глазами. Сегре решил, что счетчик радиоактивности просто сломался, и его потом долго убеждали, что он ошибается. Ужиная дома с женой (как он поступал всегда, что бы ни случилось с ним днем), Ферми размышлял: если эффект от парафина настолько велик, а еще активация зависит от того, на мраморном столе или на деревянном ставят опыт - то, возможно, нейтроны замедляются в столкновениях с ядрами водорода (то есть протонами, масса которых почти совпадает с массой нейтрона), а уж водорода в парафине или дереве хватает с избытком. И что, если - вопреки изначальному предположению - легче всего поглощаются медленные, а вовсе не быстрые нейтроны?

Ферми вернулся в лабораторию и вместе с ассистентами вынес источник нейтронов и серебряную мишень к пруду посреди институтского сада. Водород, содержавшийся в воде и в золотых рыбках, вел себя точно так же, как и водород в парафине. После были перепробованы и другие легкие элементы, которые тоже срабатывали, но неизменно хуже, чем водород, - тот при столкновении отбирал у нейтрона наибольшую часть импульса. Написанную вскоре статью отправили в лучший итальянский физический журнал. Так была открыта новая глава в истории атомной физики (и в истории теорий, которые в конце концов привели к созданию атомной бомбы). Знаменитый физик-теоретик Ганс Бете говорил, что поглощение медленных нейтронов могло бы остаться неоткрытым, не будь Италия столь богата мрамором - тут даже лабораторная мебель делается из этого дорогого камня.

Совсем недавно обнаружились новые детали. Два итальянских физика узнали, что человек, в 1934-м работавший смотрителем лаборатории, дожил до столетия Ферми, которое отмечали в 2001-м. По его воспоминаниям, уборщица Цезарина Марани ежедневно мыла мраморные полы в коридоре и как раз тогда оставила три ведра воды под лабораторной скамьей. Позже ассистенты Ферми их заметят, а влажный воздух над ведрами признают источником столь важного для эксперимента водорода.




Как-то на экзамене по физике в Копенгагенском университете профессор спросил одного из студентов:

"Расскажите, как найти высоту небоскреба с помощью барометра". Молодой человек ответил так: "Нужно привязать к барометру длинную нить, затем спустить барометр с крыши небоскреба на землю. Длина нити плюс длина барометра дадут нам высоту здания".

Этот оригинальный ответ настолько "обрадовал" экзаменатора, что студент ушел с экзамена с двойкой. Уверенный в своей правоте, он подал апелляцию, и тогда университет доверил разрешить конфликт независимому арбитру.

Арбитр постановил: ответ действительно правильный, но не свидетельствует о сколь-либо заметном знании физики.

Для окончательной определенности студента решили вызвать снова и предоставить ему шесть минут для устного ответа, который бы показал как минимум знакомство с основными законами физики. Пять минут студент просидел в молчании, сморщив в задумчивости лоб. Арбитр напомнил, что время истекает, на что юноша сказал, что у него есть несколько ответов, только вот он никак не решит, какой из них выбрать.

Когда ему посоветовали поторопиться, студент начал так:

"Во-первых, можно вылезти с барометром на крышу небоскреба, сбросить его оттуда и засечь время, за которое он долетит до земли. Высота здания выводится по формуле Н=0.5gt^2, но барометра мы лишимся. Или, - продолжал он, - если на улице солнечно, можно измерить высоту барометра, затем поставить его вертикально и измерить длину тени. Затем, зная длину тени небоскреба, из простой арифметической пропорции получить его высоту.

Но если вам хочется действовать строго по-научному, к барометру следует привязать короткую нить и раскачать его как маятник - сначала на земле, а потом на крыше небоскреба. Высота выводится из разности ускорений свободного падения, получаемых из уравнения Т=2w(1/g)1/2. Или, если у небоскреба имеется пожарная лестница, проще всего будет подняться по ней, делая отметки с интервалом в длину барометра, а в конце перемножить одно на другое. Или, если вам просто хочется поступить шаблонно и скучно, вы, разумеется, можете использовать барометр для оценки атмосферного давления на уровне крыши и на уровне земли, а потом перевести величину в миллибарах в футы и получить высоту. Но, поскольку нас регулярно призывают проявлять независимость мышления и применять научный метод, безусловно, лучшим выходом будет постучаться в комнату вахтера и сказать ему: "Хотите прекрасный новый барометр? Я отдам его вам, как только вы сообщите мне высоту небоскреба".




Студента звали Нильс Бор. Прошли годы, и он получил Нобелевскую премию по физике.

Бор определенно имел привычку задумываться, невероятно сосредоточившись, перед тем как выдать ответ на какой-нибудь вопрос. Вот как это описывает физик Джеймс Франк, которого цитирует Пайс:

Иногда он просто сидел с идиотским видом. Лицо теряло осмысленное выражение, руки свисали, и вы не могли знать наверняка, способен ли этот человек хотя бы видеть. В такие минуты его ничего не стоило принять за идиота. В нем не было ни капли жизни. Затем вы внезапно замечали, как по нему разливается сияние и пробегает искра, и вот он уже говорит: "Теперь я знаю!" Такая сосредоточенность завораживает... Вы не видели Бора в юности: иногда совершенно пустое лицо и полная бездвижность. Это было важным ингредиентом сосредоточенности. Я уверен, то же самое случалось в минуты глубоких раздумий с Ньютоном.

По мнению многих, Бор был самым глубоким мыслителем среди физиков-теоретиков. Однако, если он говорил, ему редко удавалось внятно донести мысли до слушателей. Его своеобразную манеру вести публичные лекции живее всего описывает Абрахам Пайс, друг и протеже Бора:

Главной причиной было то, что, говоря, он в то же время был весь в своих мыслях. Помню, как однажды, закончив излагать часть доказательства, Бор произнес: "И...и...", замолчал на секунду и добавил: "Но...", а потом продолжил. Между "и" и "но" он успел продумать следующий шаг. Тем не менее он просто забыл проговорить его вслух и поспешил дальше.




Вот еще одно описание Бора на лекции:

Величайшего из физиков, Нильса Бора, я впервые услышал в Эдинбурге. К концу сессии, посвященной основаниям квантовой механики, он встал и произнес некое чрезвычайно важное замечание. До этого момента я бесстыдно пробрался в первый ряд, поскольку не хотел упускать ни слова из того, что скажет этот великий человек, а меня предупреждали, что понять его непросто. (Позже, на международной конференции с синхронным переводом, я узнал, что когда Бор выступал на "английском", то специальный синхронист переводил его речь на английский.) Несколько минут он говорил низким горловым голосом (который больше напоминал тихий шепот), отчеканивал каждое слово со страшной интонацией и время от времени размечал свою речь взмахами рук. Любой профан бы понял, что Бор говорит нечто чрезвычайно важное. Важность его слов не ускользнула и от меня, зато совершенно ускользнул смысл. Я не понял ни одной фразы целиком. Когда аплодисменты стихли, я спросил у соседа, Леона Розенфельда (физика родом из Бельгии, который знал французский, английский, немецкий, датский и "борский", поскольку он работал главным ассистентом у Бора в Копенгагене): "Что же он сказал в своем заключении?" - "Он сказал, что сессия у нас была долгой и интересной, что каждый наверняка очень устал и что пришло время освежиться".

Бор, разумеется, о своих коммуникативных трудностях не догадывался. Пайс вспоминает, что ученый был совершенно ошеломлен, когда кто-то из коллег на это мягко намекнул. "Только представь, - жаловался Бор Пайсу, - он думает, что я плохой лектор".

Бора знали и уважали везде. Он был человеком невероятной нравственной смелости и интеллектуальной честности, но при этом полностью лишен тщеславия. Когда Бор приехал в Физический институт Академии наук СССР, то на вопрос, как ему удалось создать первоклассную школу физиков, он ответил: "Наверное, потому, что я никогда не стеснялся признаться своим студентам, что я - дурак".

Е.М. Лифшиц, переводя Бора, в этом месте ошибся, и в его редакции фраза прозвучала несколько иначе: "Наверное, потому, что я никогда не стеснялся признаться своим студентам, что они дураки".

Реплика вызвала в аудитории оживление. Затем Лифшиц поправился и извинился за случайную оговорку. Однако П.Л. Капица, присутствовавший в зале, весьма глубокомысленно заметил, что это никакая не оговорка. Фраза точно отражала главное отличие школы Бора от школы Ландау, к которой принадлежал Е.М. Лифшиц. Лев Давыдович Ландау - великий физик, известный своим высокомерием и политическим безрассудством. Многотомный учебник по теоретической физике Ландау и Лифшица был и остается библией для физиков. В 1930-х годах Ландау был арестован за политическую неблагонадежность и наверняка погиб бы в застенках, не вступись за него Капица. Острый на язык Ландау встретил равного в Вольфганге Паули: однажды продемонстрировав Паули свою работу, он с вызовом спросил, считает ли тот ее бессмыслицей. "Вовсе нет, вовсе нет, - отреагировал Паули. - У вас такая путаница в мыслях, что я просто не в состоянии разобраться, бессмысленны они или нет".




Немецкий физик Отто Фриш в начале Второй мировой войны оказался в английском городе Бирмингеме. Фриша тогда занимали два вопроса: первый - можно ли создать ядерную бомбу в ближайшее время, и второй - как не позволить немецкому правительству добраться до норвежских запасов тяжелой воды (оксида дейтерия), которая при разработке бомбы определенно понадобится. Для анализа ситуации был создан специальный комитет. Рассказ Фриша хорошо описывает царившее там напряжение.

Доклад, который Пайерлс (другой немецкий физик, также эмигрировавший в Англию и живший в то время в Бирмингеме) и я направили сэру Генри Тизарду по совету Олифанта, ускорил создание комитета. Во главе его встал сэр Джордж Томсон (сын Джозефа Томсона, первооткрывателя электрона). Он и дал комитету кодовое имя "Комитет Мод (Maud)". Поводом к этому стала телеграмма от Нильса Бора, заканчивающаяся загадочными словами "AND TELL MAUD RAY KENT" ("И СКАЖИ МОД ЛУЧ КЕНТ"). Мы все были убеждены, что это шифровка - возможно, анаграмма, предупреждающая нас о чем-нибудь. Мы пробовали переставлять буквы разными способами и получали искаженные сообщения вроде таких: "РАДИЙ ВЗЯТ" (следовало думать, что нацистами), или "U И D РЕАГИРУЮТ" - это должно было означать, что уран вступает в цепную реакцию с тяжелой водой, соединением кислорода и тяжелого водорода, дейтерия, обозначаемого буквой D. (Фриш забывает добавить, что к анализу шифра подключили профессионала-криптоаналитика, который выдал ответ "MAKE UR DAY NT" ("ПРЕВРАТИ ДНЬ В НЧЬ")). Разгадка появилась только после войны, когда мы узнали, что Мод Рэй (Maud Ray) из графства Кент (Kent) служила у Бора гувернанткой.




В 1939 году похожая путаница в Финляндии стала причиной ареста (и чуть не привела к гибели) французского математика Андре Вейля. Вместе с женой он въехал в страну в июне того года, собираясь посетить двоих друзей, финских математиков. 30 ноября Вейль (уже без жены - та отправилась в туристическую поездку на север) был арестован. В тот день началась русско-финская война, первые бомбы упали на Хельсинки, и Вейль посчитал разумным скрыться на время авианалетов за городом. А когда они закончились, он отправился обратно в гостиницу, но по пути, из-за близорукости не разглядев издалека солдат с зенитными пулеметами, подошел к ним и стал рассматривать их в упор. Одежда выдавала в нем иностранца, и, разумеется, он был арестован по подозрению в шпионаже в пользу Советского Союза.

В камере Вейль утешал себя тем, что Софуса Ли, знаменитого норвежского математика, попавшего в похожие обстоятельства, тоже арестовали за шпионаж, когда он прибыл в Париж во время Франкопрусской войны 1870 года. Следствие по делу Вейля обнаружило в его бумагах два письма от русского математика, одно из которых заканчивалось так: "Надеюсь, ваш знаменитый коллега М. Бурбаки продолжит присылать мне доказательства своей впечатляющей работы". Дело в том, что Вейль, скорее всего, состоял в группе французских математиков, которые собирались в парижском кафе и публиковались под коллективным псевдонимом "Н. Бурбаки". Подпись уточняла, что автор состоит в "Польдевской академии наук" (Польдевия - вымышленное государство, которое еще раньше придумала группа мистификаторов из парижской Высшей нормальной школы.)




Такое нагромождение чепухи не могло не показаться полиции подозрительным. Вейлю не удавалось связаться с пригласившими его в гости математиками, однако один из них, Рольф Неванлинна, был полковником запаса, и теперь его призвали в армию. По счастливой случайности однажды вечером на каком-то приеме он оказался за одним столом с главой хельсинкской полиции: тот простодушно сообщил, что завтра они собираются казнить шпиона, который почему-то знает Неванлинну. Полковнику Неванлинне стоило большого труда уговорить полицейского не расстреливать Вейля, а вместо этого довезти его до границы и выдворить из страны. Действовать так стражу порядка раньше не приходилось. Вейля доставили до границы в запечатанном купе и выпустили на шведской погранзаставе. Оттуда он сумел добраться до Англии, где его снова арестовали за уклонение от воинской повинности во Франции. Математика выдали французской полиции, так что следующие несколько месяцев он провел в тюрьме (там, кстати, приступ математического вдохновения подтолкнул Вейля к написанию очередной статьи), а потом предстал перед военным судом, после чего надолго облачился в военную форму.


Впереди еще много интересного!