М. Рузе. Роберт Оппенгеймер и атомная бомба

II. Квантовая революция

В истории современной физики Оппенгеймер сыграл несравненно менее значительную роль, чем Эйнштейн, Шредингер или семья Кюри. Он не совершил ни одного действительно решающего научного открытия и не создал ни одной самобытной теории. Но, пожалуй, ни один ученый не сумел в такой степени, как Оппенгеймер, который пережил квантовую революцию в годы своей юности, так полно осознать все возможности и значение квантовой теории. Он провел многочисленные теоретические и экспериментальные исследования по выяснению новых свойств вещества и излучения и опубликовал множество докладов и сообщений по этим вопросам. Он внес значительный вклад в растущее здание новейшей физики, которое строилось в первой половине XX века. Будучи выдающимся педагогом, Оппенгеймер стал популяризатором новой физики в кругах американской научной общественности и воспитал целое поколение исследователей. Но наибольшей его заслугой являются, пожалуй, философские работы. Драматические противоречия, с которыми физика столкнулась в начале века, и способ их устранения (ценой героического отказа от наиболее привычных категорий мышления) не могли не вызвать известное смятение не только среди рядовых армии науки, но также и среди командиров, которые должны были вести свои отряды по неизвестным путям.

Смятение охватило самые великие умы. А когда человеческий ум, будь то даже ум ученого, охвачен смятением, он охотно тянется к древнейшим формам преднаучного мышления, которыми убаюкивалось в наших предках беспокойное стремление распознать загадки Вселенной. Не писал ли Луи де Бройль, уже после того как им были заложены основы волновой механики, выразившей в форме уравнений единство природы вещества и излучения: «Мы можем представить себе, что у начала времени, на следующий день после некоего божественного Fiat lux 1, свет, бывший до этого единственным в мире, стал порождать в процессе постепенной конденсации ту самую материю, которую мы сегодня можем созерцать благодаря этому же свету. И, может быть, настанет день, когда время истечет, Вселенная вновь обретет первоначальную чистоту и вновь растворится в свете».

В новой физике обнаружилось различие между сущностью предсказания событий в пределах атома и в макроскопическом мире, где соблюдаются принципы классической физики. Оказалось, что поведение элементарной частицы не может быть выражено через категории определенности и описывается лишь с помощью вероятностей.

Горячие головы пытались увидеть в этом открытии победу свободы воли над законами причинности и даже пытались найти для этого математическое выражение, используя формулы немецкого ученого Гейзенберга. Все это было чревато опасностью появления у невежд извращенного представления о научных методах. Оппенгеймер решительно разбивал все иллюзии, порожденные низкопробными метафизическими спекуляциями, и разъяснял истинное значение квантовой революции в истории познания, особо отмечая, что все возрастающая специализация в науке не дает возможности непосредственно делиться плодами исследований с непосвященными.

При этом он подчеркивал, что интеллектуальный и моральный опыт ученого может и должен быть доведен до сведения широких кругов для того, чтобы помочь как можно большему числу людей отстаивать их личные судьбы при решении проблем всего человечества. Корреспондент одной французской газеты спросил Оппенгеймера: «Полагаете ли Вы, что современные достижения теоретической физики могут доказать то, что уже издавна провозгласили как догмат различные религии, а именно, что способности Человека познавать и осмысливать Природу имеют непреодолимые пределы?» Оппенгеймер ответил на это следующим образом: «Мне кажется, что идея научного прогресса отныне неразрывно связана с судьбами человечества. На мой взгляд, такая точка зрения чужда какой бы то ни было религии. Развитие науки наглядно показало несоответствие между теоретически безграничными возможностями человеческого познания и ограниченными способностями одного человека; между бесконечностью и индивидуумом. И хотя в будущем возможность познать что-то новое, вероятно, станет привилегией меньшинства все более и более специализирующихся ученых, тем не менее сама эта возможность остается практически безграничной. Вот почему некоторые препятствия, которые еще в XIX столетии, казалось, лишали нас возможности представить себе единую картину мира, недавно оказались устраненными. Последние работы по определению возраста Земли, по выявлению сущности процесса перехода от неорганической материи к живой клетке, открытие свойств некоторых протеинов передавать от поколения к поколению генетическую информацию, а также исследования природы нервных импульсов — все это — не что иное, как мосты, перебрасываемые через непознанное».

Трудность формирования новых концепций

Великий сдвиг в теоретической физике нелегко объяснить, пользуясь повседневным языком. Наши концепции формировались в течение тысячелетий различных социальных отношений. Накапливались знания, доступные разуму человека, высекавшего огонь из кремня, и человека, обрабатывающего кусок металла на токарном станке. Философы облекли все эти концепции в форму абсолютных истин, но это не способствовало продвижению вперед.

При изучении связи между наблюдателем и изучаемыми им частицами света и элементарными частицами старые концепции обнаруживали свою непригодность; оказалось, что для этого может быть использован только математический язык. Но и в таком случае требовались большие усилия по обновлению старых представлений. Разве не с такими же трудностями, даже, пожалуй, еще большими, сталкивался человеческий разум еще тогда, когда надо было после открытия Пифагора принять представление о том, что Земля имеет не плоскую, а сферическую поверхность? Геродот издевался над столь абсурдной идеей, а Аристотель осмелился принять ее лишь в качестве гипотезы, которую не следует отбрасывать без проверки. Известно также, что почти через сто лет после Коперника Галилея чуть было не сожгли живым только за его утверждение, что Земля не находится в центре Вселенной.

В то же время мышление наше не сохраняет застывшую форму, как некий генетический признак рода. Напротив, мы заимствуем новые формы в процессе общения с физическим миром и социальной средой в течение первых лет нашей жизни, и впоследствии оказывается весьма затруднительным снова возвращаться к этому первичному обучению. Для того чтобы представить себе время в виде четвертого измерения пространственно-временного континуума или представить частицу как материальное тело и волну одновременно, приходится разрушать прочно укоренившиеся системы мышления. Этот процесс требует больших усилий, но он возможен, и он окажется, конечно, гораздо более легким для нашей смены, по мере того как новые концепции врастут в культурное наследие.

Молодой физик Семон недавно сделал по этому поводу следующее замечание: «Концепция не является простой совокупностью идей; в то же время это и не результат, связывающий отдельные факты. Непосредственная ассимиляция концепций разумом возможна только у детей или у молодых людей: В зрелом же возрасте концепция формируется лишь в результате многолетнего изучения её в различных аспектах, сравнения со всеми существовавшими до этого представлениями, а также подкрепления ее аналогиями. Концепция представляет собой систему ассоциаций и понятий, которая формируется во время развития сознания. И само приобретение концепции также является развитием сознания... Таким образом, представление о пространстве-времени и частице-волне привело человечество XX века к более высокому уровню познания. В настоящее время эти идеи приняты безоговорочно, и мы с удивлением констатируем, что молодые люди, заканчивающие теперь университет, воспринимают понятия пространство-время и волна-частица куда более непосредственно и легко, чем их учителя, благодаря тому, что начали изучение этих идей достаточно рано, и это позволило им более глубоко усвоить их сущность».

До конца прошлого века пространство считалось однородным, течение времени через всю Вселенную — непрерывным, а масса тела — неизменной. Теперь мы знаем, какому разрушению подвергла теория относительности эти великолепные принципы определенности.

Еще классическая физика косвенно принимала постулат непрерывности процессов в природе. И даже после того как было признано, что вещество состоит из атомов, в тех масштабах, в которых проводились опыты, установленные законы могли не принимать в расчет эту гипотезу. Так, в проводнике, к которому приложена возрастающая разность потенциалов, количество электричества, переносимого током, увеличивается непрерывно. Световая энергия, излучаемая нитью накала, также возрастает непрерывно по мере повышения температуры нити. Наконец, в соответствии с законом Френеля, для того чтобы толковать свет как колебание, как пакет волн, ньютоновская идея о корпускулярном строении света была отброшена окончательно, как тогда считали, ибо такое представление превосходно объясняло явление интерференции и вообще все известные тогда оптические явления.

Прерывность процессов в природе

Концепция о непрерывности материи оказалась первой, в которой была пробита брешь: с развитием химии представление об атоме приобрело конкретный смысл. Изучение броуновского движения (рассеяние частиц в жидкой среде) показало, что каждый мельчайший осколок вещества приходит в движение за счет собственной энергии; этим объясняется, например, давление, которое производит газ на стенки сосуда, а также температура тела, зависящая от степени возбуждения молекул. Как писал Жан-Луи Детуш, атомная теория расшатала, но не опрокинула традиционную физику: «Вместо того чтобы рассматривать вещество в виде непрерывных систем, оказалось достаточным предположить, что любая физическая система состоит из ансамбля малых систем, с помощью которых можно представить элементы в виде шариков с определенными атомными весами. Таким образом, изменился лишь способ описания структуры физических тел, а принципы механики остались неизменными».

Вслед за принятием гипотезы о прерывности вещества, ее пришлось распространить на электричество. Всякий электрический заряд оказался равным кратному числу одинаковых элементарных зарядов, величину которых определил Милликен. Было обнаружено, что при приложении разности потенциалов между двумя электродами разреженной трубки катод испускает частицы, несущие элементарные отрицательные заряды; масса этих частиц была также измерена. Оказалось, что эти электроны похожи на те, что образуют «свиту» ядра внутри атома.

Однако обстоятельства значительно усложнились, когда классической физике пришлось столкнуться с результатами исследования излучения черного тела. Черным телом называют любую систему, которая поглощает все лучи, попадающие в нее извне, и испускает излучение, зависящее только от собственной температуры. Каждой температуре соответствует строго определенное спектральное распределение излучения. Для определенной температуры максимум интенсивности излучения приходится на красную область спектра, но при повышении температуры максимум интенсивности смещается к более коротким длинам волн (к большим частотам); как известно, при нагреве металла он становится сначала темно-красным, а потом, по мере повышения температуры, белым; газ же, доведенный до высокой температуры, излучает синее свечение.

Электромагнитная теория света, разработанная Максвеллом, дала объяснение температурной зависимости спектрального распределения излучения черного тела, и опыт подтвердил выводы теории для больших длин волн в пределах красной и инфракрасной частей спектра. Однако для более коротких волн результаты эксперимента разошлись с предсказаниями теории. Немецкий физик и математик Макс Планк показал, что это препятствие может быть преодолено, если допустить, что обмен энергией между веществом и излучением не происходит непрерывно. Свет приносит энергию порциями, состоящими из неделимых квантов, величина которых остается постоянной для данной частоты спектра. Каждой длине волны электромагнитного излучения соответствует величина кванта энергии, которая может быть вычислена путем перемножения частоты и константы Планка. Эта универсальная постоянная играет в физике такую же важную роль, как число П в математике. Если выразить физические величины в системе измерений СГС (сантиметр, грамм, секунда), то постоянная Планка будет равна следующей десятичной дроби: ноль, запятая, двадцать шесть нолей, 655. А поскольку квант энергии увеличивается с частотой, то нетрудно понять, что в области более высоких частот спектра прерывистый характер энергии более явно отклоняется от результатов, предсказанных классической теорией.

Классическая физика оказалась в состоянии «переварить» представление о вещественности атома и даже электрического заряда, но принять идею о прерывности обмена энергией между веществом и излучением она не могла. Никто и не предполагал тогда, какого размаха достигнет в дальнейшем квантовая революция.

Следующий этап был пройден в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн дал объяснение фотоэффекту, открытому несколько ранее Герцем. При освещении металла последний испускает электроны. Число электронов зависит от интенсивности светового потока, но энергия каждого электрона зависит не от этой интенсивности, а от длины волны излучения. Эйнштейн предполагал, что свет состоит из корпускул, или фотонов, каждый из которых является носителем энергии. При столкновении фотона с электроном, находящимся внутри атома металла, фотон может его вытолкнуть из металла, сообщив ему при этом энергию, которая, естественно, зависит от энергии фотона. Чем больше интенсивность светового потока, тем больше фотонов, а следовательно, и выбитых электронов, однако энергия каждого электрона сохраняет зависимость только от длины волны падающего света. Эта гипотеза была подтверждена в 1923 году Комптоном, который открыл, что при столкновении фотонов с веществом некоторые из них отражаются, но с большей длиной волны, т. е. с меньшей энергией. Эффект Комптона удалось объяснить предположением, что при столкновении фотона с электроном первый сообщает последнему часть своей энергии и, отражаясь, уносит только остаток энергии.

Таким образом, Ньютон был прав, утверждая, что свет состоит из корпускул. Излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона поставили физику перед необходимостью ввести новое определение — квант. И тем не менее Френель не совершил ошибки: только представление о свете как о колебаниях позволяет объяснить явления интерференции и дифракции, обусловленные его волновой природой. Это противоречие привело систему научного мышления к глубокому кризису: в самом деле, если придерживаться обеих точек зрения, то свет ведет себя то как пакет волн, то как поток корпускул.

Представление о квантах только начинало свое победоносное шествие. Когда Резерфорд сделал первый набросок своей модели атома — плотное положительно заряженное ядро, окруженное маленькими отрицательно заряженными спутниками, вращающимися вокруг него на большом расстоянии,— то перед ним возникло чрезвычайно серьезное препятствие.. В соответствии с законами электромагнетизма, установленными Максвеллом, электроны, вращающиеся вокруг ядра, должны были бы испускать излучение с непрерывным спектром, потерять при этом всю свою кинетическую энергию и через весьма краткое время упасть на ядро. Однако ничего подобного не происходит. Электроны не падают на ядро, а испускаемое атомом излучение квантовано, т. е. каждому химическому соединению соответствуют определенные спектральные линии, связанные с длиной волн характеристического излучения атома.

Нильс Бор пересматривает модель атома

С одной стороны, немыслимо отказаться от законов Максвелла, так блестяще подтвержденных результатами ряда экспериментов, например, открытием волн Герца. С другой стороны, модель Резерфорда превосходно объясняла отклонения альфа-частиц вблизи ядра атома. Нильс Бор попробовал разрешить возникшие противоречия, введя представление о кванте в модель атома Резерфорда. При этом он выдвинул следующие теоретические ограничения.

Электроны могут перемещаться только по строго определенным орбитам (их радиусы кратны целым числам), образующим прерывистую последовательность. Существует орбита с минимальным радиусом. Радиусы остальных орбит в 4, 9, 16 и т. д. раз больше этого минимального радиуса, иными словами, расстояния дозволенных орбит от ядра возрастают пропорционально квадратам целых чисел. Чем дальше находится электрон от ядра, тем слабее притяжение, которое он испытывает, и тем проще его вырвать из атома.
При перемещении по одной и той же орбите электрон не излучает энергию.
При перескакивании с одной орбиты на другую электрон поглощает или излучает энергию: при переходе с более близкой на более дальнюю орбиту — поглощает, так как при этом он преодолевает силу притяжения ядра, в случае обратного перехода — излучает.

Переход с одной орбиты на другую соответствует излучениям со строго определенными частотами, которые вычисляются с помощью постоянной Планка. Исходя из этого, можно дать следующее объяснение прерывности спектра излучения светящихся тел: фотоны переносят энергию не непрерывно, а в виде квантов, соответствующих переходам электронов с одной орбиты на другую. Движение электронов внутри атома зависит, конечно, от его структуры, т.е. от природы данного химического элемента; каждое тело, которому сообщается энергия (например, при нагреве), возвращает ее затем в виде излучения со строго определенной частотой, специфичной для данного вещества. Всем известно, какое блестящее применение нашла эта закономерность. При изучении спектра излучения какого-либо тела можно определить его химический состав; именно таким путем удалось астрофизикам определить химические элементы, входящие в состав звездного вещества. Так, например, излучение натрия приходится главным образом на желтую и оранжевую части спектра, неона — на красную и т. д.

Бор предполагал, что орбиты электронов внутри атома представляют собой окружности. Зоммерфельд вывел уравнения движения применительно к эллиптическим орбитам, рассматривая модель атома в виде маленькой планетарной системы. Вооруженные этими уравнениями, физики получили возможность, зная атомное число элемента (т. е. число положительных зарядов ядра и соответственно количество электронов), точно предсказывать дозволенные орбиты электронов и частоты излучений, испускаемых электронами при перескакивании с одной орбиты на другую.

Луи де Бройль и волновая механика

Проверка квантовой механики на атоме водорода, содержащем только один электрон, показала совпадение результатов теории и эксперимента. Спектр излучения оказался точно таким, как предсказывали расчетные данные. Однако это превосходное соответствие было, к сожалению, нарушено, когда теорию попытались применить к спектру атома гелия, содержащего два электрона. Физики были вынуждены снова вернуться к чисто математическому описанию наблюдавшихся явлений, удаляясь все дальше и дальше от классических представлений. Это направление, возглавляемое прежде всего Луи де Бройлем, Гейзенбергом и Шредингером, привело к созданию новой революционной теории — волновой механики. Новая система позволила не только обосновать уже известные факты, но предсказала другие, которые были впоследствии подтверждены опытом; кроме того, она объяснила большую часть химических явлений. Вот к этому периоду развития физики и относится начало работы Роберта Оппенгеймера в европейских университетах. Используя могущественное «Сезам, откройся!» — волновую механику, а также все более мощные приборы для наблюдения, физики ринулись в исследования внутриатомной вселенной с тем пылом и жаждой предпринимательства, которые некогда вели конквистадоров к завоеванию сказочных земель.

Основная идея волновой механики заключается в том, что вещество, как и свет, сочетает в себе одновременно свойства волны и частицы, или, если вернуться к первой формулировке Луи де Бройля, любая частица связана с волной. Это справедливо не только для фотонов, которые составляют природу света, но также и для частиц, входящих в состав вещества, например для электронов. Существование волны, связанной с электронами, позволяет догадываться о причине того, почему в структуре атома возможны только некоторые квантованные орбиты, расчет которых основан на целых числах: до сих пор в физике целые числа служили характеристикой процесса только при интерференции стоячих волн.

Но в применении к электрону, материальной частице, масса которого была уже измерена, представление о волне принималось весьма нерешительно. В 1927 году, в том самом году, когда молодой Оппенгеймер сдавал экзамены на степень доктора в Геттингене, двое его соотечественников — физики Дэвиссон и Джермер — показали, что пучок электронов, пропускаемый через очень тонкие пленки, подчиняется тем же законам дифракции, что и лучи света. А дифракция, хорошо известное из оптики явление, мыслима только в применении к пучкам волн.

Для волновой механики модель Резерфорда — Бора явилась лишь некоторым приближением, дающим более или менее верное изображение первичной идеи об атоме, связанное с привычной трактовкой результатов точных экспериментов. Действительность же оказывается гораздо сложнее. Ядро атома не похоже на Солнце, а электроны и того менее похожи на планеты. Квантовые числа обозначают не орбиты, а уровни и субуровни энергии. Волновая механика в отличие от классической механики не определяет заранее положения электрона в заданный момент. Более того, она доказывает, что такое предсказание невозможно; можно рассчитать только вероятность присутствия электрона в определенный момент в некоторой конкретной части пространства, окружающего ядро. Эта вероятность пропорциональна интенсивности волны в данной области пространства.

Надо ли отказываться от причинности!

Во всех случаях, когда речь идет об измерениях отдельно взятой частицы, большинство предсказаний волновой механики выражается не конкретно, а в виде вероятностей. Это относится, в частности, к предсказаниям положения и энергии частицы в любой будущий момент времени. Введение понятия вероятности привело к большому смятению умов и по существу означало отказ науки от того, что до сих пор считалось ее незыблемым принципом — от причинности явлений в природе. Правильнее было бы сказать, что здесь речь идет о причинности нового типа: результаты расчетов вероятности не являются ни менее строгими, ни менее точными, чем данные вычислений на основе классической механики. Но они более сложны и содержат математические параметры, физический смысл которых трудно себе представить, пользуясь нашим опытом чувственного восприятия мира.

На основе принципов волновой механики Гейзенберг дал математическую формулировку соотношения неопределенностей: некоторые параметры отдельных частиц связаны между собой таким образом, что их можно одновременно измерить только до определенной степени точности. Чем больше увеличивают точность измерения одного параметра, тем больше автоматически возрастает неопределенность другого параметра. Таким образом, чем более точно определяется положение электрона, тем меньше оказывается данных о его количестве движения (т. е. о его энергии), а чем лучше производится измерение количества движения электрона, тем менее точно можно установить его положение. При этом речь идет не о несовершенстве методов эксперимента, а о неизбежном следствии квантовой теории, установленном логическим путем.

«Есть много странного в том, что касается тождественности электронов и их опознаваемости,— отмечает Оппенгеймер.— Все они похожи друг на друга. Присущие им свойства, их заряд, их масса в состоянии покоя — одни и те же. Эту штуку хотелось бы представить себе более ясно, и когда-нибудь это, безусловно, удастся. Если бы классическая физика властвовала безраздельно, то можно было бы всегда опознать определенный электрон, тот самый, который уже наблюдался. Тогда можно было бы, хотя и не без труда, проследить за электроном, начиная с того места, где он находился вначале, не терять из виду его траекторию во время столкновений, взаимодействий отклонений и его собственных изменений. И если при этом он бы столкнулся со вторым электроном, то можно было бы установить, по какому направлению будет перемещаться первый электрон, а по какому — второй. В действительности дело обстоит совершенно иначе, за исключением некоторых частных случаев, когда столкновения происходят при таких малых энергиях, что частицы могут быть описаны волнами, которые никогда не накладываются друг на друга в одном и том же направлении в один и тот же момент времени. За исключением этих условий, нет возможности различить электроны, тем более что в атомной физике электроны одного и того же атома и даже соседних атомов не имеют точно определенного положения и часто могут занимать один и тот же объем».

Итак, квантовая механика оперирует представлениями, которые могут быть выражены с помощью концепций, заимствованных из нашего макрофизического мира, только в грубом приближении. Этим объясняются те туманные сравнения, которыми пользуются сами физики, когда пытаются объяснить физический смысл хорошо понятного им квантового числа, например спина частицы, нематематическим языком. Спин изображают как вращательное движение самой частицы, подобное вращению планеты около ее оси, однако в отличие от планеты вращательное движение частицы имеет одну особенность: где бы ни находился наблюдатель, он всегда окажется на продолжении оси вращения. Каким образом это оказывается возможным? Справедливо ли предполагать, что частица вращается вокруг своей оси, как планета? «В действительности,— пишет Семон,— ошибка заключается не в наших словах, потому что мы всегда вправе расширять или ограничивать смысл употребляемых понятий, и не в нашей логике; дело в том, что только математическим методом можно точно и без внутренних противоречий описать спин электрона. Ошибка лежит в основе нашего восприятия, которое побуждает нас «увидеть» вращение электрона, в то время как речь идет об элементарной частице, которая подчиняется совершенно иным закономерностям».

Для простых смертных существует много других неясных понятий, с которыми приходится сталкиваться в математическом аппарате волновой механики. Так, например, волна, связанная с системой корпускул, перемещается не в обычном трехмерном физическом пространстве, а в абстрактном многомерном пространстве. Непривычно также появление мнимой единицы (корень квадратный из —1), обозначаемой через j, которая непременно входит в уравнения волновой механики, в то время как согласно здравому смыслу отрицательное число не должно иметь квадратного корня, потому что все квадраты чисел положительны.

А что можно сказать о принципе неопределенности, который с математической точностью устанавливает пределы основной погрешности процесса нашего познания? Остается повторить строку из шутливого стихотворения:

Чтобы понять значенье этих штук,
Закончить надо полный курс наук.

Но и после окончания полного курса следовало двигаться вперед, для того чтобы следить за новыми опытами и теоретическими построениями, создаваемыми в лабораториях и аудиториях Кембриджа, Копенгагена, Геттингена, Парижа и других научных центров.

Тем не менее мы придерживаемся в этом вопросе несколько более оптимистического взгляда, чем сам Оппенгеймер, который провозгласил следующее: «Современный уровень познания не может уже определяться богатством общей культуры человека, как это было во времена Афин или в Европе XV века. Достижения науки стали уделом небольших высоко специализированных групп ученых, которые не могут сделать их, как это было с опытом Ньютона, достоянием простых смертных». Это рассуждение ошибочно, во всяком случае в отношении роли, какую мог играть закон всемирного тяготения для «простых смертных», живших во времена Ньютона. Не следует также забывать о существенном различии между тем познанием, которое можно назвать сегодня технической специализированной наукой, служащей людям, призванным непосредственно использовать ее последние достижения, и знаниями, распространяемыми в наглядной и доступной форме для установления связи между системой мышления и развитием познания. Не может быть никакого сомнения в том, что популяризация знаний в нашу эпоху очень важна для общей культуры. А поскольку мы живем в обществе, на которое научный прогресс — идет ли речь о прикладных науках или о теоретических исследованиях — оказывает все большее и большее влияние, а сама наука движется вперед с большим ускорением, то человек зрелого возраста, оставшийся при багаже школьных знаний, приобретенных двадцать лет тому назад, оказывается оторванным от своей эпохи.

Этот увеличивающийся разрыв между школьными знаниями и научными достижениями, сделанными на протяжении жизни человека, создает такие сложные условия для популяризации научных знаний, каких не было ни в Афинах, ни в Европе эпохи Возрождения, но именно он и делает необходимость в популяризации сегодня гораздо более настоятельной. В то же время этот разрыв еще более увеличивается бессмысленностью наших школьных программ, уделяющих столько времени неправильным глаголам или пуническим войнам, в то время как двенадцатилетние мальчишки жадно интересуются ядерным расщеплением или астронавтикой и превосходно могут понять гораздо больше того, что им преподносят их ретроградные наставники.

Возвращение в Америку

Возможно, что скептицизм Оппенгеймера относительно возможности сделать абстрактные формы достижений современной физики достоянием общей культуры увеличился с годами, и, быть может, именно драма атомной бомбы, в которой на его долю выпала тяжелая участь ученого, оказавшегося в смятении перед лицом общества, оказала на него такое влияние. Все это мы увидим позднее. В 1929 году, когда Роберт Оппенгеймер снова ступил на американскую землю, можно с уверенностью сказать, что он не испытывал ничего похожего на чувство отчужденности. Карьера, которую он себе избрал, сулила ему одни лишь победы. Американские университеты раскрыли настежь перед молодым ученым свои двери: его первые успехи в Европе уже стали известны за океаном. Английские и немецкие журналы опубликовали работы Оппенгеймера о применении квантовой теории к распределению интенсивности между различными частотами спектров и поведении свободных электронов при их вхождении в пространство взаимодействия с атомами. Он мог выбирать между несколькими институтами, которые приглашали его читать студентам курс физики. После некоторого колебания Оппенгеймер остановил свой выбор на Калифорнийском университете в Беркли около Сан-Франциско. Говорят, что когда декан факультета спросил Оппенгеймера о причинах, побудивших его выбрать Калифорнийский университет, то Оппенгеймер изумил его, ответив, что его прельстила богатая коллекция стихов французских поэтов XVI и XVII веков, собранная в университетской библиотеке.

В этом не совсем серьезном ответе заметна та характерная для Оппенгеймера непринужденность в беседе, которая, по свидетельству тех, кто его знал, составляла черту его личного обаяния. И даже если ему задавали вопрос, относящийся к серьезной проблеме, то он отвечал на него слишком витиевато; однако после нескольких обходных маневров смущенный собеседник замечал, что ответ, казавшийся весьма далеким от вопроса, неожиданно становится ясным и раскрывает самую суть затронутой проблемы. Не так ли когда-то изрекали свои истины оракулы и апостолы?

После того как Оппенгеймер заканчивал годовой курс лекций в Калифорнийском университете, он обычно продолжал занятия в Технологическом институте в Пасадене, неподалеку от Лос-Анжелоса, и многие студенты следовали за ним из Сан-Франциско, не желая расставаться на шесть месяцев с преподавателем, который излагал новейшую физику, как увлекательную историю приключений человеческого разума. Вдобавок ко всему, молодой преподаватель обладал привлекательной внешностью: синие глаза под густыми бровями украшали его несколько неправильное лицо, «Несмотря на молодость «Оппи» (как его называли), подрастающее поколение американских физиков,— рассказывает Юнг,— уже смотрело на него, как на образец для себя, точно так же, как всего лишь несколько лет назад он сам смотрел на великих ученых-атомников в Европе. Благоговение, которое испытывали студенты к своему кумиру, было столь велико, что сознательно или несознательно они подражали многим его личным странностям. Держали, например, головы слегка набок, как это делал он, слегка покашливали и делали многозначительные паузы между фразами, складывая во время разговора руки перед губами, употребляли туманные сравнения, которые иногда звучали весьма значительно. Оппенгеймер, заядлый курильщик, имел привычку вскакивать и щелкать зажигалкой, когда кто-нибудь вынимал сигарету или трубку. В университетских кафетериях Беркли и Пасадены его студентов можно было узнать издалека по их привычке время от времени дергаться, подобно марионеткам, с огоньками зажигалок в руках».

Между тем американские и иностранные журналы продолжали из месяца в месяц публиковать статьи Оппенгеймера, представлявшие большой интерес. И то, что имя Оппенгеймера не стоит рядом с именами великих открывателей новых путей в физике, нисколько не умаляет роли Оппенгеймера, как пионера новой области познания, неистощимого в своей научной активности. В то время теория и эксперимент особенно плодотворно дополняли друг друга. Уравнения волновой механики дали возможность углубиться в сущность взаимодействий энергии и вещества, поведения электронов и составных частей ядра. Ускорители частиц предоставили в распоряжение экспериментаторов снаряды, несравненно более мощные, чем альфа-частицы, возникающие в процессе естественной радиоактивности, которыми пользовался Резерфорд. Средства наблюдения и обнаружения также стали более совершенными.

Частицы, несущие электрический заряд, проходя через влажные пары в камерах Вильсона, оставляют после себя мельчайшие капельки тумана, которые обозначают их траекторию и дают возможность наблюдать столкновения между частицами, а также происходящие при этом изменения. Несмотря на то, что камеры Вильсона тогда еще были довольно несовершенными, они все же позволяли наблюдать и регистрировать малейшие «события» во внутриатомной вселенной, а также пучки удивительных космических лучей, которыми много занимался Оппенгеймер. Отсчет быстрых частиц, пересекающих небольшой объем, производился очень чувствительными усилителями. Таким образом накапливались данные о потерях энергии каждой частицы, а следовательно, и о ее физической природе.

В то время физики, вооружившись представлением о структуре атома, состоящего из ядра, которое окружено электронами, подчиняющимися законам квантовой механики, начали атаку на само ядро. 1931 год отмечен важным открытием. Во время бомбардировки бериллия альфа-частицами было обнаружено новое весьма мощное излучение. Фредерик Жолио и Ирэн Жолио-Кюри 2 пропустили это излучение через парафин и заметили, что на пути неизвестных лучей возникают протоны, т.е. положительно заряженные частицы, входящие в состав атомного ядра. Новое излучение оказалось таким мощным, что оно не только выбивало электроны из атома (как это делают фотоны высоких энергий, гамма-лучи или рентгеновские лучи), но и разрушало само ядро. Это открытие наделало много шуму, но из-за недостаточности данных французские ученые неправильно истолковали природу излучения, испускаемого бериллием. Они ошибочно утверждали, что неизвестные лучи представляют собой электромагнитное излучение, т. е. фотоны, подобные гамма-лучам.

Британский ученый Чедвик, поддерживаемый Резерфордом, в лаборатории Кавендиша, оснащенной более совершенным оборудованием, чем в «героические годы», провел эксперимент, раскрывший истинную природу излучения бериллия: это оказался поток частиц, обладавших массой протона, но не имевших никакого электрического заряда.

Открытие нейтрона — так назвали новую элементарную частицу — завершило «модель» атома Резерфорда — Бора: Гейзенберг выдвинул гипотезу 3 о том, что ядро состоит из протонов — носителей положительного заряда и нейтронов, лишенных электрического заряда. Это дало возможность объяснить существование изотопов — разновидностей одного и того же вещества с разным атомным весом; ядра изотопов содержат одинаковое число протонов, а следовательно, и положительных зарядов (атомное число, характеризующее их химическое сродство), но различное число нейтронов.

При изучении атомного ядра обнаружились новые затруднения. Сила, которая связывает электроны с ядром, известна — это кулоновское притяжение между разноименными электрическими зарядами. Но сила, которая соединяет протоны и нейтроны в ядро, не является ни тяготением, ни электрическим взаимодействием. Сила эта действует только на очень коротких расстояниях, но достигает громадной величины: вырвать протон или нейтрон из ядра можно только в результате бомбардировки ядра снарядами с высокими энергиями. Природа ядерных сил остается в центре дискуссий теоретической физики и на сегодняшний день.

Из работ, опубликованных Оппенгеймером в тот период, следует отметить исследование ядерного превращения лития при соударении с протоном. Ядро лития, которое содержит три протона и четыре нейтрона, поглощает падающий на него протон и изменяет свою природу: оно становится ядром бериллия — элемента с четырьмя протонами. Одновременно ядро отдает энергию в виде электромагнитного излучения — гамма-лучей с высокой энергией.

В годы, предшествовавшие второй мировой войне, было открыто множество ядерных реакций. Одни элементы превращались в другие под действием альфа-частиц (ядра гелия), дейтронов (ядра тяжелого водорода: один протон и один нейтрон), протонов и нейтронов. Одновременно происходило излучение энергии либо в виде гамма-лучей (фотоны), либо в виде потоков различных частиц. Волновая механика продолжала оставаться инструментом теоретического анализа, с помощью которого удавалось объяснять, а иной раз и предсказывать физический механизм этих реакций и природу испускаемого излучения. Исходя из позиций волновой механики, удалось предсказать существование неизвестной еще тогда частицы — мезона, масса которого имеет промежуточное значение между массами протона и электрона. Мезон в поле ядерных сил играет роль, аналогичную роли фотона в электромагнитном поле.

Накануне мировой войны Оппенгеймер был признан одним из крупнейших теоретиков новейшей физики, а также блестящим преподавателем, воспитавшим в США плеяду молодых ученых, среди которых он пользовался огромной популярностью.

&mnsp;

Столкновение с политикой

Так же как и в студенческие годы, интересы Оппенгеймера не ограничивались научными исследованиями. Однако теперь его волновали не средневековые поэты и не индийские мистики, а судьба мира, над которым нависла угроза гитлеризма. В немецких университетах, которые Оппенгеймер так хорошо знал, нацисты подвергли гонениям ученых «неарийского» происхождения, а вместе с ними и их коллег, которые пытались встать на защиту своих товарищей. Принуждение и страх вытеснили из Геттингена атмосферу свободного интеллектуального соперничества. Большинство немецких профессоров отступило перед натиском темных сил; это были люди, готовившие себя к тихой университетской деятельности и не обладавшие ни стойким самосознанием, ни политическим мужеством. Несколько посредственностей, а вместе с ними и два лауреата Нобелевской премии — Ленард и Штарк, активно поддерживали глумления национал-социалистов, не дожидаясь конца Веймарской республики, очевидно, следуя пословице «с волками жить — по волчьи выть». Эта группа мракобесов объявила «еврейской физикой» теорию относительности Эйнштейна и даже квантовую механику. Нильс Бор стал для них не более чем просто полуарийцем.

И, наконец, глупость достигла апогея: появились модели атомного ядра, одобряемые расовой теорией и не удовлетворяющие ей. Политический догматизм (в данном случае особенно убогий) грубо вторгался в сферы основного постулата всех научных исследований, направленных к познанию природы,— постулата о существовании объективной и рациональной истины, равнозначной для всех идеологий и всех социальных систем. Подобная обстановка не раз уже омрачала историю науки, да и сегодня приходится наблюдать подобное положение в ряде стран. Однако наступление, проводившееся против интеллигенции в гитлеровском государстве, приняло особенно варварские формы. Многие ученые в других странах почувствовали угрозу фашизма и солидаризировались с его первыми жертвами. Среди жертв было несколько близких друзей и родственников Оппенгеймера. Оппенгеймер был до этого довольно безразличен к политическим событиям, но теперь он начал размышлять, а когда в 1936 году над Испанской республикой нависла угроза фашизма, он открыто выступил в ее поддержку. В этот же период своей жизни Оппенгеймер познакомился со студенткой, изучавшей психиатрию, и собирался на ней жениться. Она познакомила его с активными членами коммунистической партии в Калифорнии.

В 1937 году скончался отец Роберта — Юлиус Оппенгеймер, оставив сыну солидное наследство, которое позволило ему систематически оказывать материальную помощь антифашистским организациям. Оппенгеймер сам писал брошюры и листовки, печатал их за свой счет и распространял через своих друзей-студентов.

Однако вскоре этот порыв прошел. Оппенгеймер познакомился с молодой женщиной-биологом и женился на ней в 1940 году.

Из Советского Союза начали приходить трагические известия о жестокости Сталина по отношению к физикам-антифашистам, пытавшимся найти там убежище. Это подействовало как холодный душ на прокоммунистические настроения многих интеллигентов Запада. Оппенгеймер отошел от коммунистической партии, членом которой он никогда и не был, но он не мог порвать отношения с теми, кто продолжал бороться в ее рядах или сочувствовал ей. Среди них были его близкие друзья и даже брат Франк, который в то время занимался изучением космических лучей и своими работами продолжал исследования Роберта.

Таковы были обстоятельства, которые определили дальнейшую судьбу профессора Роберта Оппенгеймера, в 1939 году, когда произошли два, казалось бы, не связанные друг с другом события: подготовка вторжения в Польшу и открытие расщепления урана.

К оглавлению

_________________________________________________________

1 – «Да будет свет» (лат.)

2 - см. книгу этой же серии: Пьер Бикар. Фредерик Жолио-Кюри и атомная энергия. М., Госатомиздат, 1962 г.

3 - Впервые эта гипотеза была высказана советским ученым Д.Д. Иваненко – Прим. перев.