Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

1

На могиле Планка нет надписи — стоит этот знак и годы рождения и смерти.

2

Зельдович Я. Б., Хлопов М. Ю. Драма идей в познании природы // Библиотечка «Квант». Вып. 67. М.: Наука, 1988.

3

Время от времени появляются «революционные» пересмотры всей исторической хронологии. Последней по времени стала не признаваемая другими учеными попытка известного математика А. Т. Фоменко пересмотреть мировую историю (в сторону сокращения примерно вдвое ее длительности) на основе исправленной им датировки солнечных затмений и без учета методов физики.

4

Вообще говоря, схожие идеи выдвигали Хантаро Нагаока в 1904 г., Дж. Стони в 1906 г. и др., но как чисто умозрительные соображения, и все они с негодованием отвергались.

5

См.: Перельман М. Е. Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы От Аристотеля до Николы Теслы. М.: URSS, 2012 (далее: Перельман М. Е. От Аристотеля до Николы Теслы). Раздел III. Глава 1.

6

См.: Перельман М. Е. От Аристотеля до Николы Теслы. Раздел II. Глава 1.

7

См.: Там же. Раздел III. Глава 2.

8

Вспоминается такая история. Двое моих приятелей, молодые, но уже зарекомендовавшие себя теоретики, чуть ли не год безуспешно возились с каким-то уравнением. Наконец, директор их института, друживший с Ландау, не выдержал и понес ему листок с уравнением: Ландау долго отказывался на него взглянуть (любимая фраза в таких случаях: «Вас много, а я один!»), но все же взял и через пару часов, вернувшись от зубного врача, отдал тот же листок с решением на обороте — он сказал, что решал, пока ему сверлили зуб, чтобы отвлечься от боли… Один из приятелей впал после этого в глубокую депрессию — такой удар по самолюбию!

9

С. М. Улам — выдающийся польско-американский математик, написал любопытную книгу воспоминаний: Улам С. М. Приключения математика. М.: РХД, 2001.

10

Автору удалось получить правильные наборы этих величин по-иному, используя понятия длительности взаимодействий (2007).

11

Полное собрание сочинений Эйнштейна в 35 томах издается совместно Еврейским университетом в Иерусалиме (университет был открыт лекцией Эйнштейна в 1925 г.) и Институтом перспективных исследований в Принстоне, США, где Эйнштейн работал с 1933 г. до конца жизни. На русском языке издано в 1965–1967 гг. одно из самых полных собраний его научных работ в 4 томах, вышло 13 томов «Эйнштейновских сборников» Эйнштейновского комитета Академии наук СССР.

Эйнштейн нередко обсуждал философские проблемы с Бертраном Расселом и Куртом Геделем, когда все они жили в Принстоне. Помимо Канта, он штудировал Платона, Б. Спинозу, Д. Юма, Дж. С. Милля. Эти и некоторые другие сведения в основном из книг. Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М.: Наука, 1989; Хофман Б. Альберт Эйнштейн, творец и бунтарь. М.: Прогресс, 1983 (авторы, известные физики, сами много общались с Эйнштейном). См. также: Зелиг К. Альберт Эйнштейн. М.: Атомиздат, 1966.

12

Рассуждения здесь не слишком строги, они были уточнены им при рассмотрении импульса квантов. Однако уже в этой статье рассмотрены возможности таких процессов, которые в будущем были названы антистоксовыми, а также возможность поглощения нескольких квантов с последующим испусканием одного, т. е. процесса сложения частот, основы развиваемой с 1960-х гг. физики многофотонных процессов.

13

В современной физике масса движения обычно не вводится, т. к. эквивалентна энергии; как масса рассматривается только масса покоя.

14

Игорь Евгеньевич Тамм (1895–1971) был не только замечательным физиком-теоретиком, по словам А. Д. Сахарова, «в нем, наряду с Ландау, советские физики-теоретики видели своего заслуженного и признанного главу».

15

Эти воспоминания Эйнштейна представляются психологически очень важными. Они показывают, что идея формируется в подсознании и потом, как-то сразу, прорывается в сознание. Такое утверждение Эйнштейн высказывает уже на склоне лет в автобиографических записках. Психологически удивительным является и обращение Эйнштейна к давно, казалось бы, пройденным этапам истории, к классикам науки.

16

Практически все книги писал Евгений Михайлович Лифшиц (1915–1985), обозленные популярностью «Курса» завистники бурчали, что в книгах нет ни одной фразы Ландау и ни одной мысли Лифшица. Это достаточно далеко от истины: последние два тома вышли через много лет после кончины Ландау. Запланированное некогда в 4 книгах последнее издание, под редакцией Льва Петровича Питаевского (р. 1933), вышло в 10 томах.

17

Превосходное популярное изложение основ квантовой теории, хотя и с некоторыми расчетами, дано во втором томе «Физики для всех» Леона Купера (о нем самом — ниже, при рассмотрении сверхпроводимости).

18

В письме Эйнштейну от 23 апреля 1926 г. он пишет: «Все это дело не возникло бы ни теперь, ни когда-либо позже (я имею в виду свое участие), если бы Вы в Вашей второй статье о квантовой теории газов не щелкнули меня по носу, указав на важность идей де Бройля».

19

С тех времен техника получения низких температур шагнула далеко вперед. В 1989 г. в Хельсинкском технологическом университете (Финляндия) группой Олли Лоунасмаа (р. 1930) была достигнута температура 2-10^-9 К (двухмиллиардная часть градуса выше абсолютного нуля). Интерес к таким температурам обусловлен тем, что во многие соотношения входит отношение абсолютных температур, так что снижение температуры, скажем, от одной миллионной к одной десятимиллионной градуса может привести к наблюдению того же порядка новых явлений, как переход от 1000 к 100 градусам Цельсия.

20

Таким образом, Капица смог, постепенно конденсируя воздух, делить его на составные части и выделять чистый кислород. Это было очень важным техническим достижением, потому что применение технологии кислородного дутья в металлургии, которое Капица со своими сотрудниками очень быстро наладил сыграло громадную роль во время Великой Отечественной войны 1941–1945 гг… обеспечив лучшую броню советских танков по сравнению с противником.

21

В это время, в основном благодаря хлопотам Капицы и под его поручительство, Лев Давидович Ландау был освобожден из тюрьмы, где просидел год: во время «Большого террора» его обвиняли в антисоветской деятельности. Ласло Тисса незадолго до этого успел уехать из СССР, куда он ранее, спасаясь от наступающего фашизма, эмигрировал из Венгрии. (По воспоминаниям Э. Теллера, именно рассказ Тиссы о судьбе арестованного Ландау привел его к идеологии антикоммунизма и далее к инициативам по созданию водородной бомбы, чтобы противостоять возможной коммунистической агрессии.)

22

В 1962 г. Л.Д. Ландау был удостоен Нобелевской премии «за основополагающие теории конденсированной материи, в особенности жидкого гелия» (мы уже отмечали универсализм Ландау и его большой вклад практически во все области физики). После страшной автомобильной аварии Ландау, по состоянию здоровья, не мог отправиться в Стокгольм для получения премии, и ему вручали ее в больнице. Но он так и не оправился и наукой более не занимался.

23

Такое положение физики называют «гробом Магомета» — согласно Корану, Аллах подвесил его гроб между зенитом и надиром, т. е. между верхней и нижней точкой мира.

24

Феноменологическая теория объясняет явление на основе каких-то предположений, характерных только для данного явления и не выводимых из более общих теорий. Обычно построение такой теории является первым шагом к объяснению группы явлений на общепринятой основе или стимулирует создание новой общей теории.

25

В фольклоре физиков существует и «второй эффект Мессбауэра»: получив всемирное признание, Мессбауэр сумел существенно осовременнить структуру академического образования в Германии.

26

Энрико Ферми (1901–1954) начал с теоретических исследований: это основополагающие работы по квантовой статистике, теории бета-распада, модели атома, квантовой электродинамике С 1934 г. уделял больше внимания эксперименту, об этих работах мы еще не раз будем говорить. Во время церемонии вручения Нобелевской премии в декабре 1938 г в Стокгольме Ферми, вместо приветствия фашистским салютом, пожал руку королю Швеции, за что подвергся нападкам в итальянской печати и эмигрировал в США О жизни Э. Ферми см. Лаура Ферми: «Атомы у нас дома» и Эмилио Сегре: «Энрико Ферми, физик». Сегре назвал его «последним человеком, владеющим всей физикой своего времени»

27

Отметим, что вскоре в 1940 г. Г. Н. Флеров и К. Н. Петржак обнаружили эффект спонтанного, т. е. самопроизвольного, деления ядер урана — именно это явление не позволяет, во всяком случае в настоящее время, получать долгоживущие тяжелые элементы.

28

Яков Борисович Зельдович (1914–1987) начинал как химик, затем переключился на физику. Создал теорию горения, детонации и взрыва, основополагающие работы по теории элементарных частиц, а затем по релятивистской астрофизике и космогонии, сыграл (совместно с И.В. Курчатовым. Ю.Б. Харитоном, А.Д. Сахаровым) огромную роль в работах по созданию ядерного оружия.

29

Юлий Борисович Харитон (1904–1996) — ученик Э. Резерфорда, являлся научным руководителем ядерных исследований СССР. Хотя ему принадлежало много идей в этих работах, отказывался подписываться как автор — поэтому нет его публикаций после 1940-х гг. По словам А. Д. Сахарова, бывают люди двужильные, а Харитон — трехжильный.

30

Лео Сцилард (1898–1964) — уроженец Будапешта, как и Ю. Вигнер, Дж. фон Нейман и Э. Теллер, физик-теоретик. Изобрел вместе с Эйнштейном домашний холодильник без мотора и др., рассчитал, в частности, среднее число нейтронов, вылетающих при одном акте деления урана, придумал замедлители этой реакции. Первым понял проблемы порогов радиационной безопасности и экологии, выступал инициатором общественных кампаний за запрет ядерного оружия.

31

А. Эйнштейн не был привлечен к этой работе уже потому, что его отъезд из Принстона был бы сразу замечен и интерпретирован как участие в каком-то секретном проекте. Н. Бор как-то привлекался для экспертизы, но и тут были осложнения с соблюдением секретности — слишком уж заметными были их фигуры.

32

Карл Фридрих фон Вайцзеккер (1912–2007) — физик-теоретик, ученик Бора и сотрудник Гейзенберга. Его отец был статс-секретарем министерства иностранных дел Германии в 1930-х гг., а младший брат — президентом ФРГ в 1990-х гг.

33

Эдвард Теллер (1908–2003) — уроженец Будапешта, физик-теоретик, автор известных работ по квантовой механике, физической химии, теории ядра, считается «отцом» американской водородной бомбы. Согласно его интервью последних лет, он стал убежденным противником коммунизма после бегства из СССР Г. Гамова и Л. Тиссы и ареста в 1937 г. Л. Д. Ландау (он был освобожден под личное поручительство П. Л. Капицы)

34

Андрей Дмитриевич Сахаров (1921–1989) — замечательный физик, гуманист, общественный деятель. Помимо водородной бомбы и разработок в области управляемых термоядерных реакций, создал вакуумную теорию гравитации и ряд основополагающих работ по космологии и теории элементарных частиц. Сахаров — фактический глава движения за гражданские права в СССР, в 1980–1986 гг. — в ссылке в г. Горький, в 1989 г. — депутат. Он был удостоен Нобелевской премии мира 1975 г. за «бесстрашную поддержку фундаментальных принципов мира между людьми» и за «мужественную борьбу со злоупотреблением властью и любыми формами подавления человеческого достоинства». Автобиография: «Воспоминания», «Горький, Москва: далее везде», дополненная воспоминаниями его жены Елены Георгиевны Боннэр «Постскриптум. Книга о горьковской ссылке» и др. Воспоминания коллег-физиков, в том числе и автора этих строк, собраны в книге «Он между нами жил: Воспоминания о Сахарове». (Он между нами жил: Воспоминания о Сахарове / Ред. Б. А. Альтшуллер и др. М., 1996.)

35

Интересны мнения физиков о возникающих проблемах. Энрико Ферми об этой работе отзывался так: «Превосходная физика!». Сахаров выражался еще сильнее: «Рай для теоретиков!» Многие теоретики, в том числе Я. И. Френкель, сомневались в возможности получения такой реакции.

36

Сахаров и Теллер пришли, несомненно, к одним и тем же решениям, но пришли независимо. Сравнивать их сложно или даже невозможно: они принадлежат к разным поколениям, к разным школам, и у них различен жизненный опыт. Оба они, помимо разработок бомбы, сделали многое в физике и оставили свой след в мировой истории: возможно, они предотвратили третью мировую войну между великими державами.

37

Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, барионы и мезоны, называются общим именем — адроны (от греческого «хадрос» — крепкий, сильный).

38

Стоит отметить, что для этих областей исследования характерна ситуация, когда одни и те же теории и модели выдвигают одновременно несколько человек. Можно даже думать, что «плотность интеллекта» в них, число талантов, сосредоточенных одновременно над одной и той же проблемой, было (или до сих пор остается?) самым большим в истории человечества.

39

См.: Перельман М. Е. От Аристотеля до Николы Теслы. Раздел II. Глава 5.

40

В весьма авторитетном обзоре В. Паули «Общие принципы квантовой механики», изданном в 1933 г. в составе немецкого «Handbuch der Physik», Bd 24/1 (русское издание 1947), специально подчеркиваются недостатки уравнения Вейля. В новом издании «Handbuch der Physik», Bd. 5/1, вышедшем в 1958 г. (русский перевод этого обзора 1975) есть единственное изменение — опущена критика уравнения Вейля.

41

Его сын, Д. Хофштадтер, автор культовой книги «Гёдель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда» (Хофштадтер Д. Гёдель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда. Бахрах-М, 2001), пытается синтезировать миропонимание науки и искусства.

42

Ажиотаж с поисками и обнаружением таких частиц был очень велик, а аппаратура была еще очень несовершенна, поэтому неизбежными были и промахи. Так, на станции космических лучей близ Еревана, которую возглавляли известные физики братья Абрам Исаакович Алиханов (1904–1970) и Артемий Исаакович Алиханьян (1908–1978), открыли, будто бы, новый тип частиц, варитроны, у которых вообще была переменная масса.

43

Мюррей Гелл-Манн (р. 1929. Нобелевская премия 1969 г.) — ученик и сотрудник Э. Ферми, один из ведущих теоретиков в этой области и в теории поля. Мы еще будем возвращаться к его достижениям, а сейчас отметим его высказывание, важное для нашей цели: «В генерации новых идей существуют три основных этапа. Первые два — это скрупулезная работа: накопление знаний, опыта и анализ этих данных. Третий этап наступает внезапно. Это озарение. Вот тут-то и рождаются гениальные идеи. Остается только не прогнать эти идеи и задать самому себе вопрос: „А почему бы нет?“».

44

Математически такие схемы означают, что характеристики частиц и их систем рассматриваются в некотором специфическом «пространстве» дискретных величин, часто называемом изотопическим (к изотопам оно отношения не имеет). В данном случае берется трехмерное пространство, но можно рассматривать и другие варианты.

45

Необходимо отметить и взгляды обоих создателей этих приборов, Карла Цейсса и Эрнста Аббе: Цейсс завещал все предприятия Аббе, а он, в свою очередь, оставил их своим сотрудникам и рабочим. Таким образом, фирма «Карл Цейсс» стала первым в мире и единственным по-настоящему социалистическим предприятием, управляемым советом владельцев, служащих на нем.

46

В начале Великой Отечественной войны 1941–1945 гг. у населения были конфискованы все радиоприемники. Тогда и сразу после нее мальчишки (в том числе и автор) начали сооружать такие приемники заново.

47

Примечательна разносторонность интересов Таунса: в течение этого периода он также учился музыке и вокалу в вечерних классах музыкальной школы; он владеет многими языками, включая русский.

48

Поскольку развитие квантовой электроники шло от радиотехники, то в качестве непременного требования ко всем приборам выставлялось наличие резонатора, отбирающего нужные частоты. Однако теория стимулированного излучения вовсе этого не требует, и нашей группе удалось в 1966 г. построить лазер в форме стеклянной нити с неодимом, который генерировал сигналы безо всякого резонатора.

49

Камера эта, в основном, была придумана и построена моим другом, безвременно скончавшимся Георгием Евгеньевичем Чиковани (1928–1968) в ЦЕРНе, международном физическом центре в Женеве.

50

Эти системы сконструировал и осуществил в ЦЕРНе Жорж Шарпак (р. 1924, Нобелевская премия 1992 г.), помимо применений на ускорителях, его камеры с успехом используются в медицине. Уроженец Польши, он ребенком попал во Францию, партизанил в годы войны, чудом выжил в концлагере Дахау, получил образование горного инженера, но увлекся физикой и начал работать в физических лабораториях. Сейчас он трудится над созданием приборов, предупреждающих о приближении землетрясений по анализу потоков радона из Земли. (См: Шарпак Ж. и Содинос А. Жизнь как связующая нить. М., 2001.)

51

В начале 1990-х гг. американские физики полушутя упрекали советских коллег: не могли разве несколько задержать начало перестройки? Ведь с распадом СССР исчезли проблемы соревнования мировых систем, и Сенат США сразу сократил финансирование амбициозных научных программ…

52

Синъитиро Томонага (1906–1979) — японский теоретик, работал до 1939 г. в Германии с В. Гейзенбергом над проблемами КЭД и ядерной физики. Изолированный в послевоенной Японии от западных коллег, он узнал о результатах Лэмба из научно-популярной колонки в еженедельном американском журнале.

53

Джулиан С. Швингер (1918–1994) в 14 лет поступил в университет, в 18 его закончил, опубликовав уже несколько научных статей. Помимо создания КЭД развил общие методы квантовой теории поля и теории многих частиц, выдвинул гипотезу о двух типах нейтрино, предложил новый подход к теории элементарных частиц, развил теорию волноводов и устройств СВЧ техники. Виртуозно владел математической техникой.

54

Джон Арчибальд Уилер (1911–2008) разработал вместе с Н. Бором теорию деления ядер, независимо от Гейзенберга предложил теорию матрицы рассеяния, внес большой вклад в релятивистскую космологию, считается генератором новых идей в этой области.

55

56

Наглядность и физическая ясность диаграмм Фейнмана позволила сразу же попытаться описать на их языке и другие типы взаимодействий, например в теории сильной связи — при взаимодействиях нуклонов и мезонов. Однако, константа взаимодействия здесь иная: а' = g2/c ~ 14, т. е. отнюдь не меньше единицы. Поэтому каждая следующая диаграмма, в принципе, может быть важнее предыдущей. Многолетние усилия по приспособлению такой теории к проблемам сильных взаимодействий оказались, вообще говоря, тщетными, хотя отдельные детали взаимодействия они проясняли

57

Очень велик вклад в нее и Фримена Джона Дайсона (р. 1923), который смог прояснить связи между их подходами, доказать, что в КЭД ничего, кроме заряда и массы, перенормировать не нужно (Нобелевская премия Дайсону не досталась, так как по статуту ее могут получить лишь три человека). Он известен также своими работами в теории поля. Дайсон глубоко религиозен и написал большой трактат о связи науки и религии.

58

Необходимо обратить внимание на его блестящую книгу: Вайнберг С Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.: Энергоиздат, 1981.

59

См.: Перельман М. Е. От Аристотеля до Николы Теслы. Раздел II. Глава 5.

60

Александр Александрович Фридман (1888–1925), метеоролог, математик, астрофизик и пилот-воздухоплаватель (организатор, в частности, авиационной службы российской армии в 1914–1917 гг.).

61

Эдвин Пауэлл Хаббл (1889–1953) с детства был увлечен астрономией и боксом, в котором ему сулили большое будущее. Но, воспитанный в строгой пуританской семье, он решает, что необходима солидная, признанная в обществе специальность, и заканчивает юридический факультет, его даже посылают от штата на доквалификацию в Англию. Однако, возвратясь на родину, на Юг США, он так ни разу и не использует полученные знания и, протосковав несколько лет, едет в Калифорнию устраиваться — кем угодно, лишь бы ближе к астрономии! — работать младшим наблюдателем в обсерваторию. И конечно, одна из наибольших промашек Нобелевского комитета — это пропуск имени Хаббла.

62

Знаменитую работу 1948 г. Г. Гамов написал вместе с Р. Альфером и вставил в список авторов фамилию Г. Бете, чтобы он читался как Альфер, Бете, Гамов и цитировался как первые буквы греческого алфавита: альфа-бета-гамма. (Г. Бете обижался, но шутки Гамова физикам были хорошо известны.)

63

Спектры облаков, в которых начинают формироваться планеты, отличаются огромным избытком инфракрасного излучения. Как показал автор, этот избыток можно сопоставить со скрытой теплотой конденсации газа в пылинки и протопланетные образования.

64

Теория устойчивости нормальных звезд была разработана астрономом и физиком Карлом Шварцшильдом (1873–1916, умер после ранения на фронте). Он дал первое решение уравнений ОТО Эйнштейна и нашел решение для гравитационного (шварцшильдского) радиуса звезды, при котором напряженность гравитационного поля такова, что излучение из него не может выйти — для этого скорость должна быть больше скорости света. Такое образование называется черной дырой, ее радиус, если бы его можно было измерить, составил бы около 30 км для массы, в десять раз большей, чем масса Солнца.

65

Субрахманьян Чандрасекар (1910–1995, Нобелевская премия 1983 г.), астрофизик и математик, племянник Ч. В. Рамана, лауреата Нобелевской премии по физике 1930 г. Вместе с ним премию получил Уильям А. Фоулер (1911–1995) за теорию происхождения всех элементов, вплоть до тяжелых, в ходе эволюции звезд.

66

Можно упомянуть, что существование таких объектов предположил почти на два века раньше, в 1783 г. Джон Мичел: исходя из доказанной Ремером конечности скорости света, он предположил, что в сильном гравитационном поле эта скорость должна уменьшаться и может дойти до нуля, т. е. звезда станет невидимой. Аналогичные предположения высказывал и П. Лаплас.

67

Чернин Л. Д. Темная материя вблизи нас. Электронный ресурс] http://www.astronet.ru/db/msg/1210535/index.html

68

Перельман М. Е. Феномен интеллекта. Почему физики становятся физиками, а политики — политиками. Памяти А. Д. Сахарова // Наука в СССР. № 1. 1991. 10–16 (Mark (ошибочно: Michael) Ретеl'man. Science in the USSR. № 2. 1991. 10–16.

69

Более подробные описания большинства этих экспериментов даны в книге: Липсон Г. Великие эксперименты в физике. М.: Мир, 1972; основные эксперименты в квантовой области описаны в книге: Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике. М.: Мир, 1974.

70

Перельман М. Е. Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы: От Аристотеля до Николы Теслы. М.: URSS, 2012.

71

И конечно, в такой книге следовало бы подробно рассказать о теории катастроф — новой, как будто, области математики, многие результаты и методы которой были предвосхищены физиками: в теории спонтанного нарушения симметрии, теории фазовых переходов, в оптике и т. д. Пока можно лишь сослаться на небольшую популярную (отчасти) книгу В. И. Арнольда «Теория катастроф» (5-е изд. М.: URSS, 2009), на некоторые главы «Теории катастроф и ее приложения» Т. Постона и Й. Стюарта (М.: Мир, 1980) и др.