Физики, химики и математики: жизнь и открытия. часть 11

В этот раз вы встретитесь с очаровательной Джослин Белл, а также с Фейнманом, Шредингером и с другими крутыми парнями

Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Часть 6 Часть 7 Часть 8 Часть 9 Часть 10

Ричард Фейнман - один из немногих физиков после Эйнштейна, сумевших произвести впечатление на широкую публику. Тому причиной - две замечательные книги мемуаров и блестящее остроумие Фейнмана. Отрывки из первой его книги дают представление об этом гениальном ученом, о стиле его работы и стиле его жизни. К разнообразным встречам и визитам Фейнман всегда относился беззаботно, и потому редко записывал адреса или телефонные номера. В 1957 году его пригласили на конференцию по гравитации в Университет Северной Каролины.



Мой самолет приземлился на день позже открытия конференции. Из здания аэропорта я вышел к стоянке такси и сказал диспетчеру:

- Мне нужно в Университет Северной Каролины.
- Какой из них вы имеете в виду? - попросил уточнить диспетчер. - Государственный университет Северной Каролины в Рэлее или Университет Северной Каролины в Чапел-Хилле?

Стоит ли говорить, что у меня не было ни единого соображения на сей счет?

- А где они находятся? - спросил я, рассчитывая, что, возможно, они друг от друга недалеко.
- Один в северном направлении, другой в южном, примерно на одинаковом расстоянии отсюда.

Со мной не было никаких бумаг, способных подсказать, куда мне надо, и никто, кроме меня, не приехал на конференцию с опозданием в сутки. И тут у меня возникла идея.

- Послушайте, - сказал я диспетчеру, - конференция началась вчера, поэтому вчера тут должны были мелькать странные парни. Давайте-ка я вам их опишу: они, как бы это сказать, витают в облаках и болтают друг с другом, не обращая внимания, что творится вокруг, бормоча что-то вроде "Джи-мю-ню, джи-мю-ню".

Он засиял.

- Точно, - сказал он. - Вам нужен Чапел-Хилл. - Он жестом подозвал очередное такси: - Отвезите этого человека в университет в Чапел-Хилле.

Я сказал "спасибо" и поехал на конференцию.




Физик Р.В. Джонс рассказывает поучительную историю. Выйдя как-то из Кларендонской лаборатории Оксфорда, он увидел грязный стакан, полный воды.

В руках я как раз держал пистолет (это довольно необычное обстоятельство Джонс не поясняет). Не задумываясь, я выстрелил: стакан эффектно разлетелся, и это меня изумило. Я, разумеется (!), стрелял по стаканам и раньше, но они просто разбивались, а не разлетались на мелкие осколки. Следуя заповеди Резерфорда (вероятно, о том, чтобы тщательно проверять воспроизводимость результатов наблюдений), я еще раз проделал свой опыт, и все повторилось: особенностями своего поведения стакан был обязан воде. Годы спустя, после войны, мне пришлось читать лекцию перед большой аудиторией в Абердине: я преподавал им гидростатику. Начали с определений - что газ слабо сопротивляется сжатию, а жидкость сильно.

Я подумал, что определения стоит закрепить, повторив перед слушателями мои опыты с пистолетом, чтобы каждый мог взглянуть на них с такой точки зрения: стакан, который до попадания пули вмещал только воду, внезапно должен вместить еще и пулю. Он не может приспособиться к новому объему с той скоростью, с какой требуется, и потому разлетается.

Эксперимент получил в Абердине должную огласку, и особенно вдохновил местных инженеров, по пятницам устраивавших из сноса каких-нибудь сооружений целую церемонию. Одним из заданий, которое на них свалилось (хотя слово "свалиться", как станет ясно, тут неуместно), было разрушение высокой заводской трубы на бумажном комбинате. Для процедур подобного рода существует много стандартных методов (один из старейших таков: вытаскивать по кирпичу с одной стороны кладки, заменяя каждый деревянной распоркой. Когда распорки займут больше половины окружности трубы, а высота деревянной конструкции станет сопоставима с ее радиусом, внутри трубы разводят огонь. Дерево сгорает, и труба падает).

Инженеры, однако, решили на этот раз воспользоваться несжимаемостью воды. Эту идею подал им мой эксперимент. Инженеры решили, что сначала заткнут все дыры в основании трубы, затем закачают туда воду до отметки 2 метра или около того и, наконец, сымитируют попадание пули, подорвав под водой заряд взрывчатки. Коль скоро взрывы по субботам были в Абердине редкостью, затея собрала множество зрителей. Подожгли бикфордов шнур. Опыт был успешным настолько, что целиком провалился.

Вот что произошло: как и в случае со стаканом, каждый кирпич, которого касалась вода, вылетел наружу, а изящно обрезанная снизу труба зависла в воздухе на двухметровой высоте. Вся конструкция затем опустилась в точности на старый фундамент, невредимая и в вертикальном положении, и этим вернула взрывателей к той задаче, которая стояла перед ними в самом начале.




В 1967 году Джослин Белл, аспирантка Кембриджа, занималась под руководством астронома Энтони Хьюиша квазарами. Эти весьма активные источники радиоволн и излучений иного рода, открытые в 1963 году, оставались (и в какой-то мере остаются сейчас) загадкой для ученых. Теперь принято считать, что квазары - черные дыры - объекты настолько тяжелые, что они "схлопываются" под влиянием собственного притяжения и, ввиду невероятной плотности своего вещества, не выпускают наружу никакое излучение - как и следует из общей теории относительности. А поскольку они выглядят точечными источниками излучения, то, как и звезды, мерцают из-за искажений, вносимых земной атмосферой, которая отклоняет лучи то в одну сторону, то в другую, пока те не достигнут наконец телескопа.




Хьюиш полагал, что из амплитуды "мерцания" радиоволн можно легко определить размеры наблюдаемого объекта. Чтобы измерять мерцания (то есть перепады интенсивности за доли секунды), он изготовил радиодетекторы и разбросал их по участку площадью в 1,6 гектара. Джослин Белл, которой доверили делать замеры, варьировала временные интервалы и однажды утром, глядя на ленту самописца, с изумлением обнаружила: некий квазар каждые 1,34 секунды посылает один и тот же короткий сигнал. Первая мысль, что пришла ей в голову, - вероятно, запись испорчена наводкой от каких-нибудь приборов; но затем Джослин осознала, что квазар с его странной периодичностью входит в поле зрения телескопа каждые 23 часа 56 минут - это период обращения Земли относительно звезд. Неужели какой-нибудь прибор, изготовленный людьми, тоже строго следует 24-часовому рабочему циклу? Радиотелескопы никакого излучения не испускают. Что же тогда шлет импульсы из пустоты с невероятно точными интервалами (возможное отклонение не превышало одной десятимиллионной)? Наверняка это послание внеземной цивилизации! Источник, соответственно, назвали LGMi (аббревиатура от Little Green Men - "маленькие зеленые человечки").

Увы, сей поразительный вывод опровергли уже через несколько дней. Продолжив свои поиски, Джослин Белл открыла еще три источника пульсирующего излучения в разных частях неба. Объяснение этому явлению придумали два других астронома, Томас Голд и Франко Пачини: пульсары, как их теперь называют - это вращающиеся нейтронные звезды ("мертвые" звезды невероятно малого, по космическим меркам, размера, состоящие из нейтронов, стянутых притяжением в сверхплотный комок, итог взрыва медленно остывающей звезды). При диаметре до 10 километров они способны вращаться с периодом порядка секунды, "выстреливая" наружу излучением, напоминающим пучок света от маяка. Позже было показано, что вращение пульсара замедляется по мере его старения, и по уменьшению частоты вращения можно рассчитать, когда пульсар появился на свет. Любопытно, что возраст пульсара в одной из туманностей (а именно, Крабовидной) оценили примерно в тысячу лет, а сам взрыв (который называют вспышкой сверхновой) на месте Крабовидной туманности упомянут в записях китайских и японских астрономов за 1054 год.




Открытие первого пульсара обернулось для Энтони Хьюиша Нобелевской премией в 1974 году. Джослин Белл, которой принадлежат исходные наблюдения, премии не досталось. Многие астрономы - и Фред Хойл в том числе - сочли это форменным безобразием, хотя сама великодушная Джослин Белл их возмущения не разделяла.




Когда после прихода Гитлера к власти в 1933 году вступили в силу расовые законы, физик и нобелевский лауреат Джеймс Франк (1882 - 1964) решил немедленно покинуть Германию, хотя его, как ветерана Первой мировой войны, эти законы в то время и не касались. Опасаясь, что его золотую нобелевскую медаль конфискуют, он передал ее своему копенгагенскому другу Нильсу Бору. Макс фон Лауэ, самый честный и смелый из немецких физиков, который остался в Берлине и все время, пока нацисты были у власти, преподавал запрещенную теорию относительности (причем Лауэ с удовольствием рассказывал Эйнштейну, как убеждал своих студентов, что оригинальные статьи были написаны на древнееврейском), испытывал те же опасения. Так Бор стал обладателем трех золотых медалей - Франка, Лауэ и своей собственной. Размышляя, что ему с ними делать, он решил посоветоваться с коллегой, Георгом Хевеши (венгерским физиком, первым применившим радиоактивные изотопы в биологии и медицине). Безнадежная ситуация, сошлись они во мнении, требует отчаянных мер. Вот, со слов Хевеши, что они решили:

Я обнаружил, что Бора тревожит медаль Макса фон Лауэ, которую тот отправил на хранение в Копенгаген. В гитлеровской империи такой поступок - вывезти золото из страны - тянул чуть ли не на расстрел. Имя Лауэ было выгравировано на медали, и если бы это обнаружили при вторжении, последствия для него были бы самыми плачевными. Я предложил закопать медаль, но Бору эта идея не понравилась, поскольку медаль могли с тем же успехом выкопать. Тогда я решил ее растворить. Когда оккупанты маршировали по улицам Копенгагена, я был занят тем, что растворял нобелевские медали Лауэ и Франка.




Так медали препоручили царской водке (смеси азотной и соляной кислот, которая растворяет золото, превращая его в нитрат). Уверенный, что Германия рано или поздно проиграет войну, и он сможет вернуться в любимый институт в любимом городе, Бор оставил банку с растворенными медалями на полке у себя в лаборатории. Вскоре Бор на рыбацкой лодке отправился в Швецию, а оттуда тайком вылетел в Англию.

Когда он в 1945 году вернулся в Копенгаген, банка, не замеченная захватчиками, оказалась на месте. Бор восстановил золото, а Нобелевский комитет согласился отлить из него заново две памятные медали.




Ученые, бежавшие из Германии в то время, выдумали множество других гениальных уловок, чтобы спасти хотя бы часть своего имущества в обход закона, запрещающего вывоз денег и ценностей из страны. Химик Германн Марк, к примеру, потратил все сбережения на платиновую проволоку, которую превратил в вешалки для одежды, и те счастливо избегли внимания подозрительных таможенников.




Корпускулярно-волновой дуализм был, наверное, самым удивительным итогом понятийной революции, которая сотрясала физику первые три десятилетия XX века. Что фотоны - порции, или кванты, света - ведут себя в некоторых случаях как частицы, а во всех остальных - как волны, уже было известно, когда герцог Луи де Бройль высказал гипотезу, что это верно и в отношении остальных частиц - таких как электроны. Во время Первой мировой войны, сидя прямо под шпилем Эйфелевой башни в качестве метеоролога-наблюдателя, де Бройль имел достаточно времени, чтобы вывести уравнение, связывающее импульс частицы с длиной ее волны. Этому он посвятил свою докторскую диссертацию, которую направил в Парижский университет в 1924 году и которой обязан Нобелевской премией, присужденной ему пять лет спустя.

Критерием того, что мы имеем дело с волной, считается интерференция: если встречаются две волны, их общая интенсивность усиливается, когда максимумы накладываются друг на друга; и наоборот, они взаимно уничтожаются, если максимум одной совпадает с минимумом другой. Волны, отраженные от регулярной решетки, образованной объектами, которые разделяет дистанция порядка длины волны, образуют так называемую дифракционную картину. На этом основана рентгеновская кристаллография, которая, исходя из дифракционной картины рентгеновских лучей, рассеянных на регулярной решетке атомов в кристалле, позволяет восстановить точное положение этих атомов в трехмерном пространстве. Волновую природу электронов доказал, более или менее случайно, Дж. П. Томсон (сын знаменитого "Джи-Джи").




Помимо Томсона, то же самое решили проделать - благодаря счастливому озарению - Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер, сотрудники нью-йоркской компании Western Electric. Western Electric (позже компания Bell) погрязла в долгой и недешевой тяжбе с General Electric по поводу патента на вакуумную лампу. Western Electric приобрела патент у изобретателя Ли де Фореста, - предполагалось, что лампа пригодится для улучшения качества телефонной связи на больших расстояниях. Вопрос состоял в том, отличается ли существенным образом лампа Ли де Фореста от конструкции Ирвинга Ленгмюра, правами на которую владела General Electric. Наша лампа, заявляли тамошние специалисты, настоящая вакуумная лампа, тогда как для работы лампы де Фореста требуется присутствие небольшого количества воздуха внутри. Дэвиссону поручили изучить, в соответствии с патентом, излучение электронов с горячей металлической мишени внутри вакуумной лампы при попадании туда пучка положительно заряженных частиц; однако прежде чем этим заняться, он наткнулся на новое явление. Если внести небольшие изменения, понял он, лампу можно использовать для бомбардировки мишени электронами, что, как было известно, вызывает испускание вторичных электронов со значительно меньшей энергией. И Дэвиссон обнаружил, что когда трубка работает в таком режиме, удается зарегистрировать также небольшое количество высокоэнергетических электронов, летящих от мишени назад. Это, осознал он, небольшая часть исходных электронов, отраженных мишенью.

При этом Дэвиссон помнил про эксперименты Резерфорда с альфа-частицами, которым физики обязаны столь удивительными знаниями об устройстве атома: когда альфа-частицами обстреливали тонкую металлическую фольгу, большая часть этих частиц проходила насквозь, а те немногие, которые врезались в ядра, отражались в точности обратно. Дэвиссона заинтересовало, несут ли отраженные электроны новую информацию о внутренних энергетических уровнях атомов мишени, и он убедил своих работодателей позволить ему изучить этот вопрос. Исследовать он собирался отражение электронов разными металлами.

Откровение явилось в 1925 году. Дэвиссон с ассистентом Джермером занимались своими экспериментами по электронной бомбардировке, и тут в лаборатории неожиданно взорвался сосуд с жидким воздухом. Взрыв разнес все вокруг, включая и их вакуумную лампу. Покрытие горячей мишени, сделанное из кристаллического никеля, оказалось на воздухе и вскоре покрылось пленкой оксида никеля. Дэвиссон и Джермер восстановили свою лампу, не меняя мишени, которую они, правда, прокалили в вакууме, чтобы избавиться от оксидного слоя, и снова приступили к своим опытам. Однако, когда они взялись анализировать распределение отраженных электронов в пространстве, результат был совершенно иным и довольно неожиданным: интенсивность потока отраженных электронов имела ярко выраженные максимумы под строго определенными углами относительно мишени. Озадаченные исследователи сломали трубку и принялись изучать ее поверхность. Прокаливание, как оказалось, превратило микроскопические кристаллы никеля в большие кристаллические пластинки. Электроны, отраженные кристаллической решеткой никеля, интерферировали, как положено волнам. Чтобы окончательно понять, что означают полученные результаты, Дэвиссону пришлось съездить на ежегодное собрание Британской ассоциации развития науки. Перед конференцией Дэвиссон уехал с женой в отпуск, и потому слегка опоздал к началу заседаний. Как же он был изумлен, услышав от одного из докладчиков, Макса Борна, рассказ про свои опыты с пластиной, которые тот приводил как доказательство существования электронных волн. Плывя на корабле домой, Дэвиссон размышлял о новой теории - волновой механике. Вернувшись в лабораторию, он и Джермер приступили к поискам пиков интенсивности там, где их предсказывала теория, и, наконец, после долгой работы, нашли их.




Дж. П. Томсон пришел к тем же результатам независимо и другим путем. В 1927 году он был профессором физики Абердинского университета. Вместе с коллегой он поставил эксперимент по бомбардировке тонкой металлической фольги, закрепленной в вакуумной трубке, электронным пучком. Неожиданно он обнаружил, что распределение интенсивностей у потока электронов, прошедших сквозь фольгу, представляет собой серию колец - в чем было сложно не распознать картину интерференции. Нобелевскую премию по физике 1937 года Томсон и Дэвиссон разделили поровну.




Эрвина Шрёдингера (1887 - 1961) называли гением еще в первые годы его студенчества в Вене. Он - в ряду тех немногих физиков-теоретиков, которые в начале XX века свершили настоящую революцию в восприятии материи и Вселенной. Главное достижение Шрёдингера - волновая механика.

В 1927 году Планк освободил свое профессорское кресло в Берлинском университете, и Шрёдингер сменил его на этом месте. Тогда Берлинский университет был Меккой для физиков-теоретиков всего мира. Там Шрёдингер сдружится с Альбертом Эйнштейном. Эта дружба продлилась на десятилетия, хотя и с перерывами из-за бурных размолвок, и прервалась только за несколько лет до смерти Эйнштейна в 1955-м. Однако не все в Шрёдингере было достойно восхищения. Физику, который доказал свое бесстрашие подвигами в ходе сражений австрийской армии в Великой войне, порой не хватало смелости и щепетильности в личной жизни.




В 1933 году, потрясенный бесчинствами нацистов, он (при посредничестве Фредерика Линдеманна) подыскал себе место в Оксфорде. Линдеманн многое сделал для создания Совета академической помощи, который помогал устроиться еврейским ученым, оставшимся в Германии без работы, однако однажды инициатива Шрёдингера, который евреем не был, его удивила. Он требовал отдать место своего ассистента Артуру Марчу, в то время профессору в Инсбруке. Все это сумели устроить, обеспечив заодно Шрёдингеру позицию в Магдален-колледже.

Однако вскоре обнаружилась истинная причина происходящего - оказывается, Шрёдингер воспылал страстью к жене Марча. Когда Линдеманн, довольно чопорный холостяк, прослышал об этом, то был крайне возмущен: выходит, Шрёдингеру нужен был не ассистент, а его жена! "Нам следует избавиться от этого хама", - решительно заявил он коллегам. К всеобщему негодованию, Шрёдингер без сожалений оставил Оксфорд и его чопорных обитателей и уехал в свою родную Австрию, в Университет Граца. Вскоре последовал аншлюс - Австрию присоединили к Германии - и Шрёдингер, чьи политические взгляды ни для кого не были секретом, сделался персоной нон грата. И вот тут он и совершил самый постыдный поступок в своей жизни: написал открытое письмо руководству университета, в котором унизительно каялся во всех прежних ошибках, уверял, что воссоединение любимой страны с Германией вызывает в нем чувство восторга, и признавался в сладостном желании доверить свою жизнь фюреру. Письмо было напечатано во всех газетах.

Легко представить, как среагировали на него друзья Шрёдингера, например, Эйнштейн. Однако пользы Шрёдингеру оно не принесло (письму, очевидно, недоставало искренности): его лишили профессорского места и изгнали из университета. Шрёдингер оказался в нелегком положении. И тут помощь пришла с неожиданной стороны. Имон де Валера, премьер-министр обретшей независимость Ирландии, вспомнив о своем юношеском увлечении математикой, теперь планировал основать в Дублине Институт фундаментальных исследований, а возглавить этот институт пригласил Шрёдингера, к тому времени уже лауреата Нобелевской премии. Он принял предложение и в 1939 году занял этот пост. И сам физик, и его семья были счастливы перебраться в Ирландию - кстати, там жизнелюб Шрёдингер имел не одну любовную интрижку и несколько лет прожил втроем с женой и со своей ирландской возлюбленной, которая даже родила ему ребенка. В те годы он опубликовал немного физических работ, зато именно в Дублине написал книгу "Что такое жизнь", заставившую многих физиков сменить род занятий. И именно в Дублине он снова рассорился с Эйнштейном, с которым было помирился незадолго до того.

Шрёдингера, как и Эйнштейна, долго не оставляла идея единой теории поля - расширенной теории относительности, которая описывала бы и гравитационные, и электромагнитные взаимодействия - поскольку он испытывал почти мистическую веру в целостность природы. Шрёдингер вступил в оживленную переписку с Эйнштейном и, сообщив тому про один математический трюк, которым особо гордился, был рад прочесть в ответном послании про себя, что он "лукавый негодяй".

Но тут Шрёдингер превзошел самого себя. Опьяненный собственными достижениями, он, уже мечтая о второй Нобелевской премии, в 1947 году представил статью со своими последними размышлениями на собрании Ирландской королевской академии. В зале присутствовал даже сам Валера.




Модель Шрёдингера основывалась на сформулированной им новой геометрии, примененной к релятивистскому пространству-времени; но в действительности все это оказалось весьма скромным уточнением теории, которую разрабатывали Эйнштейн и Артур Эддингтон и которая в итоге была признана Эйнштейном ошибочной. Ошибка Шрёдингера получила широкую огласку. Газета Irish Press сообщала, что "двадцать человек видели и слышали, как история делается у них на глазах: переворот в физике случился в лекционном зале Ирландской королевской академии, где вчера выступил доктор Эрвин Шрёдингер... Шрёдингер, - говорилось в статье, - растворился в снежном облаке на дороге, оседлав свой старенький велосипед прежде, чем ему успели задать уточняющие вопросы", однако корреспондент смог встретиться с ним в его пригородном доме вблизи Дублина, и там узнал, что теория - невероятное обобщение, включающее теорию относительности Эйнштейна всего лишь как частный случай. Когда его спросили, уверен ли он в своих выводах, Шрёдингер отвечал: "Я убежден, что прав. Если же я ошибся, то буду выглядеть круглым дураком". К сожалению, так в итоге и вышло.

Новости о случившемся вскоре добрались до Соединенных Штатов, a New York Times разослал копии статьи с просьбой прокомментировать ее Эйнштейну и другим ведущим ученым. Эйнштейн высказался сдержанно, но, по сути, его рецензия была разгромной.

Радио и газеты распространили ее по всему миру - вместе с замечанием Шрёдингера, кем он окажется, если будет неправ. Еще до того, как он познакомился с разгромным отзывом Эйнштейна на его статью, Шрёдингер отправил ему письмо с извинениями, где говорилось, что он вынужден раздувать значение своих исследований, чтобы улучшить положение (и в особенности, зарплату) в институте. Эйнштейн ответил ему резко, еще раз объяснив, почему он считает, что в его, Шрёдингеровой, теории нет ничего нового, и на этом переписка двух физиков прекратилась.

Еще сильней возмутил Эйнштейна отказ Шрёдингера от места в Дублине - это было явной с его стороны неблагодарностью. Шрёдингер вернулся на родину, в Австрию и возглавил кафедру физики в Венском университете. В Вене он и умер, осыпанный всеми почестями, какие только в его стране (и в Германии) были вообще возможны. Среди его бумаг биограф обнаружил папку, озаглавленную Die Einstein Schweinerei - последнее слово непереводимо, но означает что-то вроде грязного, позорного дела.


Продолжение следует.