Неслучайные случайности

Глава девятая

Я предупреждал в начале книги, что нам придется немало постранствовать по разным государствам и эпохам. Только что мы были в Канаде и Англии, до этого — во Франции, а теперь предстоит вернуться в Германию, в Мюнхен, в Физический институт при университете, где кафедрой физики руководит В. К. Рентген. Приятно возвращаться в места уже известные — испытываешь двойную радость: от встречи со старыми знакомыми и от узнавания новых людей.

Собственно, новых имен появилось здесь за это время, пока мы кочевали по Европе, не так уж много. Ну, кто здесь новичок? Зоммерфельда мы помним — благодаря стараниям Рентгена он возглавил кафедру теоретической физики. Эрнста Вагнера — тем более, он старый ассистент Рентгена еще по Вюрцбургу. Конечно, помним мы и Абрама Федоровича Иоффе, бывшего ассистента Рентгена, приезжавшего к нему регулярно из России для продолжения совместной работы.

Вот Вальтер Фридрих и Пауль Книппинг действительно новички. Они ровесники — в тот год, когда произойдет интересующее нас событие, им обоим будет по двадцать девять лет; Фридрих будет тогда ассистентом Зоммерфельда, Книппинг — докторантом Рентгена. Еще одна новая фигура — двадцатичетырехлетний Петер Эвальд, ученик Зоммерфельда; ему предстоит защитить докторскую диссертацию о поведении световых волн в кристаллах, но у него не все с ней клеится, и это сыграет свою роль. Другой ассистент Зоммерфельда, Петер Дебай, также примет участие в интересующем нас событии. А произойдет оно по милости Макса Лауэ, молодого преподавателя физики, всего три года назад переехавшего в Мюнхен.

Вот, собственно, и вся ремарка, предшествующая кульминации. Осталось сделать то, что я хотел сделать еще в шестой главе: усадить участников спора за столик кафе, поставить на буфетную стойку коробку шоколада, и действие можно начинать.

Главным действующим лицом будет Макс Лауэ; впрочем, если понимать под действием непосредственное участие в эксперименте, то Лауэ следовало бы назвать главным бездействующим лицом, ибо его роль свелась к высказыванию новой идеи и ее математическому объяснению, после того как она была доказана в эксперименте двумя другими физиками. Но в науке действовать — не обязательно перемещаться по лаборатории, включать и выключать приборы, делать замеры; иногда достаточно просто хорошо подумать; этим теоретики отличаются от экспериментаторов.

Впрочем, Макса Лауэ нельзя назвать чистым теоретиком, он счастливо сочетал в одном лице оба таланта. Поначалу казалось — причем и ему самому, — что теоретиком он вряд ли станет, уж больно не лежала у него душа к чистой математике. В семье вообще считали, что маленький Макс должен быть юристом. Но как-то раз в гимназии он услышал, что из медного купороса под действием электрического тока выделяется чистая медь, с юридической карьерой было покончено. Эта информация настолько потрясла юную душу, что несколько дней Макс не мог ни писать, ни читать, ни есть. Когда не на шутку встревоженные родители узнали, в чем дело, они поняли, что Фемида, строгая богиня правосудия, свергнута с пьедестала детских грез. И точно: сердцем Макса завладела физика, и надолго — навсегда.

Впрочем, любовь к физике не мешала ему основательно изучать литературу, иностранные языки. В зрелом возрасте он не раз приводил слова известного австрийского физика Людвига Больцмана: «Без Шиллера мог, конечно, быть человек с моим носом и бородой, но это не был бы я», и целиком соглашался с ним, подчеркивая роль родной классической литературы для формирования воззрения ученого именно в детские годы, когда ум наиболее восприимчив к новому. «Образование есть то, что остается, когда все выученное уже забыто», — любил напоминать Лауэ известную поговорку.

В начале 1896 года, когда Максу было семнадцать лет, он узнал об открытии Рентгена. Оно поразило его. Он достал примитивную разрядную трубку и попытался получить таинственные Х-лучи, о которых все только и говорили. Разумеется, он не знал тогда, что в будущем ему посчастливится работать с самим Рентгеном и даже сделать с помощью его лучей выдающееся открытие. Может, если бы знал, не так огорчился бы, убедившись, что, несмотря на то что он сделал все, как написано в брошюре, лучей получить не смог.

Некоторое утешение он нашел вскоре в более удачных опытах со светом, производя его интерференцию и дифракцию. В те дни, когда в конце школьного обучения Лауэ познакомился почти одновременно с оптикой и рентгеновскими лучами, и определился его будущий интерес в физике, лежащей именно в перекрестии двух явлений.

Сразу же после окончания университета Лауэ защитил диссертацию. Декан, согласно традиции, привел юного доктора наук к присяге. Он обратился к нему со следующими словами: «Торжественно вопрошаю тебя: решился ли ты клятвенно обещать и самым священным образом подтвердить то, что ты желаешь радеть по мере сил своих о благородных искусствах, продвигать их вперед и украшать их; и не корысти ради иль стяжания пустой и ничтожной славы ты будешь делиться своими знаниями, но для того, чтобы шире распространялся свет истины». Лауэ, прослушав текст присяги, читаемый по-латыни, по-латыни же сказал в ответ: «Да, клянусь». И он знал уже, на каком поприще будет он делиться своими знаниями, он только не знал, что свет новой истины забрезжит для человечества в несколько странной обстановке — за столиком кафе «Луц».

Собрания в кафе носили традиционный характер, и обязаны они были своим зарождением Абраму Федоровичу Иоффе.

Как-то вместе с Вагнером, с которым он был дружен, решили они зайти позавтракать в кафе и заодно поговорить об интересующих их научных проблемах. Но потолковать вдвоем так и не удалось, там они встретили еще нескольких знакомых из института, и беседа приобрела общий характер. Когда время ленча кончилось, ни одна из проблем не была решена, и договорились встретиться здесь на другой день, чтобы продолжить дискуссию. Назавтра ситуация повторилась, и постепенно эти встречи стали происходить каждый день. Образовалось «нечто вроде клуба физиков с участием химиков и кристаллографов, где ежедневно обсуждались вопросы, возникавшие в ходе работы» — так вспоминает об этом Абрам Федорович.

Но началась вся эта история не здесь, не в кафе, а поздним февральским вечером дома у Макса Лауэ. Или даже нет, еще раньше — утром того же дня на кафедре у Зоммерфельда. Эвальд делал там предварительный доклад по материалам своей диссертации. Он пропускал световые волны через кристаллы и пытался математически описать их поведение, но что-то у него не получалось. Он решил посоветоваться с Лауэ, признанным специалистом в области кристаллов и в области математики. Вечером он пришел к нему домой; Макс высказал готовность помочь ему, но вскоре оказалось, что и он ничего не может путного предложить: длина световых волн была явно велика для размеров кристаллических решеток. И тут его вдруг осенило. Он вспомнил недавнее сообщение о том, что длина рентгеновской волны что-то около 10^-9 см, а, по Эвальду, расстояние между атомами в кристалле были порядка 10^-8 см. И, следовательно, между ними было то же соотношение, что и между световой волной и оптической интерференционной решеткой. И, следовательно, короткое рентгеновское излучение могло дать на кристаллах тот же эффект, что свет дает на обычных оптических решетках или щелях. Эвальд вначале обрадовался — идея казалась очень перспективной, но потом поостыл — работа требовала навыка в обращении с рентгеновскими лучами, а с ними Петер никогда не работал.

Тем не менее он поблагодарил Макса за участие, а на другой день рассказал о его гипотезе в кафе. Молодые физики оживились; часть из них стала прикидывать, что может новый эффект дать физике; другие вспоминали, что подобные попытки делал уже сам Рентген, и не один раз, и ничего у него не получалось. Кто-то вытащил из портфеля брошюру шефа и процитировал ее конец: «С самого начала моей работы с Х-лучами я многократно пытался получить с ними явления дифракции; я получал даже много раз — с узкими щелями и т. д. — явления, которые внешне совершенно напоминали картину дифракции, но каждый раз, когда я, изменяя условия опыта, проверял правильность такого объяснения, оно не оправдывалось, и я часто имел возможность непосредственно убедиться, что эти явления происходят иначе, чем было бы при дифракции. Я не могу привести ни одного опыта, из которого я мог бы сделать с достаточной, удовлетворяющей меня степенью надежности вывод о существовании дифракции Х-лучей». Видите, сказал он, если уж шеф пишет, что не может, значит, нечего и пытаться что-нибудь получить.

Разгорается спор: одни поддерживают идею Лауэ, другие не верят в нее; физики в пылу забывают, что сидят они в общественном заведении, а не на семинаре, все громче звучат голоса. Прислушаемся к ним.

Лауэ. Я повторяю. Раз длина рентгеновской волны соизмерима с расстояниями между атомами в кристалле, должна возникать та же картина, что и при прохождении света сквозь оптическую щель: венчик из темных пятен.

Вагнер. Помилуйте, какой может быть венчик, когда кристаллическая решетка трехмерна! Ведь если Макс прав, должны получиться три интерференционные картины — от каждого периода своя, и они просто-напросто перекроют друг друга и ничего вы не увидите.

Лауэ. И все же я уверен, что венчик должен быть. Было бы странно, если бы на оптических решетках он появлялся, а на кристаллических — нет. Природа, как известно, логична, гораздо логичнее нас.

Дебай. Все это может быть. Но с одним «но»: если правильны расчеты Петера.

Вагнер. Даже в этом случае ничего не будет. Почему вы упорно не хотите учесть трехмерность решетки? Я готов держать пари, что она съест весь эффект, даже если бы он и мог быть.

Фридрих. Пари? Это идея, я вхожу в долю с Максом. Макс?

Лауэ. Ладно, я согласен. Но на что?

Дебай (оборачивается к буфету). Коробка шоколада подойдет?

Вагнер. Подойдет.

Лауэ. Нас хоть двое, но не боится ли милый Вагнер за свой живот, если ему одному достанется вся коробка?

Вагнер. Я готов пожертвовать здоровьем ради истины.

Фридрих. Слушайте, чем спорить здесь, среди чашек и пепельниц, давайте перенесем спор туда, где его можно решить. Я берусь выполнить эксперимент.

Зоммерфельд. У меня не так много ассистентов, чтобы отдавать их на отхожий промысел. Кто, интересно, пока вы спорите, будет заниматься серьезным делом?

Лауэ. Интересно, почему проверка моей гипотезы менее серьезное дело, чем исследования, которыми Вальтер занимался до этого?

Зоммерфельд. Не знаю, не знаю, я предпочел бы, чтобы Вальтер занялся изучением расхождения Х-лучей из антикатода. Ваш спор может затянуться, а в одиночку здесь скоро не управишься.

Фридрих. А может быть, Книппинг поможет мне. Пауль, как ты?

Книппинг. Что ж, можно, наверное. Диссертацию я закончил, а уезжать мне только через пару недель, так что время у меня вроде бы есть. Если все это не очень затянется, я готов.

Вагнер. Ну что ж, господа, я, пожалуй, эти дни не стану есть сладкое, чтобы быть в форме.

Эвальд. Однако условия явно неравны: Эрнст, если выигрывает пари, будет есть всю коробку один, а Максу придется делить ее теперь уже на троих.

Вагнер. Не будет он делиться, Петер, не будет.

Иоффе слушает, запоминает. Впоследствии он опишет этот спор в своих мемуарах.

Вскоре все расходятся; терраса кафе пустеет; коробка пока остается на буфетной стойке; события перемещаются в лабораторию к Фридриху и Книппингу.

Забегая вперед, можно сказать, что Вагнер зря отказывал себе две недели в сладком; Лауэ и К^о не компенсируют ему эту потерю; Макс выиграет пари и получит, кстати, в награду не только шоколад, но и Нобелевскую премию. Конечно же, при этом не обойдется без случайности — иначе зачем же тогда я стал бы рассказывать всю эту историю?

Сначала все шло, как и предполагал Вагнер.

Вальтер и Пауль вернулись к себе в лабораторию — они работали в одной комнате — и стали сооружать установку. Взяли рентгеновскую трубку, закрепили перед ней несколько свинцовых экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одном уровне, — для узкого пучка Х-лучей. По другую сторону от экранов укрепили кусок кристаллического сульфата меди, а над ним поместили фотопластинку, чтобы зафиксировать отраженные под прямым углом лучи. Считалось, что лучи должны отразиться от плоскости кристалла непременно вверх. Когда все было готово, включили трубку — и ничего на фотопластинке не увидели. Вернее, она потемнела в некоторых местах, но никакого отношения к строго геометрической интерференционной картине эти пятна не имели. Стало ясно, что раз ничего похожего на ожидаемый венчик в опыте не наблюдается, значит, и идея Макса не более чем утопия.

Так примерно и высказались на следующей встрече в кафе некоторые из ученых. Вагнер довольно потирал руки и бросал нежные взгляды на глянцевую коробку, Лауэ пожимал плечами, но Фридрих не сдавался. Он не без резона доказывал, что день, два, даже три еще не показательны; может быть, было недостаточно время экспозиции; может, пучок слабый; возможно, кристалл стоит слишком близко. Словом, он не считал эксперимент законченным.

Книппинг не был столь азартен, он все-таки вскоре должен был уехать и задерживаться из-за упрямства Вальтера не хотел, но и отступать первым тоже не считал удобным, поэтому молчаливо поддерживал Фридриха.

Несколько дней Вальтер и Пауль в кафе не появлялись; все понимали, что происходит, и, щадя их самолюбие, ни о чем не спрашивали.

В конце концов Книппинг не выдержал. Он видел, что из их затеи ничего не выходит, до отъезда оставались считанные дни, ему еще нужно было закончить свою работу, а целыми днями трещавшая рентгеновская трубка мешала. И он подошел к прибору, чтобы выключить его. Но в последний момент решил сначала поставить фотопластинку за кристаллом, по ходу пучка лучей, чтобы хоть его запечатлеть на память, — не зря же они сидели столько времени. Поставил — и пошел покупать шоколад, предоставив Вальтеру горькую честь разбирать их нерадивое детище.

Вальтер долго не мог решиться. Наконец, уже поздно вечером, выключил трубку, убрал все со стола, а фотопластинку рискнул все же проявить — чтобы хоть сувенир остался. Была уже ночь, когда он зажег красный фонарь и опустил фотопластинку в проявитель. Несколько минут он покачивал ванночку, ожидая, когда проступит на эмульсии темное круглое пятно — след узкого пучка рентгеновских лучей, след их неудачи, и утешая себя мыслью, что Рентген много раз в этой же ситуации видел то же самое.

Каково же было его изумление, когда на фотопластинке проступило не одно, а множество темных пятен, рассыпанных вокруг центрального, причем довольно симметрично. Несомненно, это была долгожданная и много раз мысленно лелеянная интерференционная картина. Да, но почему она получилась за кристаллом, почему не сбоку? Неужели в этом все дело? Как же раньше они не догадались повернуть пластинку?

Вальтеру хотелось тут же побежать к приятелю, чтобы поделиться радостью, но, увы, ночью люди спят. Надо же, думал он, в возбуждении шагая по узкой комнате, и Пауль и Макс дрыхнут, как сурки, не подозревая, что только что свершилось новое открытие!

Над Мюнхеном застыла весенняя ночь, Вальтер не мог заставить себя пойти домой. Он ждал утра, чтобы поделиться новостью, которая жгла его, гнала сон, рисовала перед воспаленными глазами заголовок новой статьи. Вальтер понимал, что, по существу, лишь завтра начинается работа: один снимок еще ничего не доказывает, одна интерференционная картина еще не дает всей картины интерференции. И он хотел начать как можно скорее.

Он стал снова собирать установку, ругал себя за то, что вчера вечером смалодушничал и разобрал ее, поддавшись скепсису Пауля, и благословлял Пауля за его скепсис, за то, что он решился повернуть пластинку. Он понимал, что, не сделай этого открытия они, интерференция рентгеновских лучей все равно была бы обнаружена вскоре: идея буквально носилась в воздухе; многие, подобно им, пропускали через кристаллы рентгеновские лучи, но почему-то никто не видел то, что увидел сегодня ночью он.

Вальтер снова взял в руки фотопластинку. Да, наверное, в этом все дело: интерференционные пятна отстояли от центрального, образованного прямым лучом, на некотором расстоянии и были заметно слабее; вероятно, никому не приходило в голову искать их там, а если кто и замечал их, то не обращал на них внимания — уж больно они эфемерны. Все исследовали лишь центральное пятно; но оно свидетельствовало только о том, что луч ослабляется, проходя сквозь кристалл, и ни о чем более. Необходима была гипотеза Лауэ, предполагавшая наличие более слабых пятен, чтобы открытие свершилось. Да, разумеется, еще и счастливая случайность, привнесенная в опыт Книппингом. И скепсис Вагнера, подбивавшего их на эксперимент. Только все эти компоненты, сложившись, помогли им натолкнуться на эти симметричные пятнышки, на эти веснушки удачи. И впрямь их можно назвать веснушками, ведь за окном май.

Лишь только наступило раннее утро, Вальтер помчался к Паулю. Ни слова не говоря, положил перед ним пластинку; тот сразу все понял. Они тут же побежали в институт, чтобы показать драгоценную находку Лауэ — по справедливости он первым имел право радоваться ей, ведь здесь запечатлен след его интуиции. Лауэ также все понял без слов и потащил их к Зоммерфельду. Новая весть мгновенно облетела институт, и все спешили поздравить счастливую троицу с удачей. Причем первым принес свои поздравления Вагнер, посетовав шутя, что зря так долго постился.

Словом, ликование было всеобщим и искренним. Лишь два человека не пребывали в этот день в радостном возбуждении — по разным причинам.

Один из них — глава института, сам Рентген, который просто не поверил во все эти сказки про интерференцию; раз он сам не нашел ее в свое время, значит, ее нет. Холодный прием несколько огорошил учеников, но они уже привыкли к странностям шефа, все помнили историю с электроном, и решили справедливо, что лучше сейчас не спорить, через некоторое время Рентген сам признает свою неправоту.

Другой, кто в этот день был озабочен более, чем обрадован, как ни странно, сам Лауэ, хотя, казалось, у него есть все основания гордиться. Но дело в том, что Макс не мог почувствовать удовлетворения до тех пор, пока удача не была обрамлена в строгую рамку математического описания. Только в таком виде физическая гипотеза могла порадовать глаз теоретика. И пятна, расположенные на фотопластинке в строгом порядке, явственно намекали на возможность приложения здесь математической теории. Поэтому Лауэ почти сразу после того, как улеглись первые восторги, ушел домой, чтобы поразмыслить над увиденным.

Он медленно брел по улицам, натыкаясь на прохожих. Его взор был устремлен внутрь себя, в глубины своей памяти, где толпилась череда математических формул, физических законов, химических структур в ожидании того мига, когда они соединятся воедино, образовав из разрозненных сведений новое знание. И когда до угла улицы, где жил Лауэ, осталось несколько домов, этот миг настал: Макс понял наконец, как можно математически описать интерференцию рентгеновских лучей на кристалле, имеющем три измерения. Ощущение легкости решения было настолько неожиданным, что Лауэ даже остановился, и настолько явственным, что он даже запомнил номер дома, где это произошло.

Оставшийся путь Макс проделал бегом, чтобы сразу записать пришедшую на ум догадку. Она вроде бы неплохо согласовывалась с первым рентгеновским снимком, но для окончательной уверенности нужно было проверить теорию и на других кристаллах. Поэтому, пока Лауэ отшлифовывал математический аппарат, Фридрих и Книппинг проделывали новые опыты, вовлекая в них всё новые кристаллы. Через две недели Лауэ получил от них с десяток новых хороших снимков: наблюдаемые картины полностью согласовывались с теоретическими предсказаниями. И только тогда, только в этот день Лауэ сказал себе, что вот теперь он уверен в своей правоте. И вот только тогда решил сообщить об открытии коллегам.

Сообщение было сделано устно самим Лауэ 8 июня 1912 года на заседании Немецкого физического общества; через месяц, 8 июля, Зоммерфельд представил ныне знаменитую статью Лауэ, Фридриха, Книппинга на заседании Мюнхенской Академии наук.

С тех пор и ведет свое исчисление интерференция рентгеновских лучей, явление, доказавшее их волновую природу и вскоре давшее жизнь замечательному методу исследования структуры кристаллических веществ — рентгеноструктурному анализу.

Может показаться, что оно выделяется среди других известных нам открытий несколько экстравагантным способом, каким было задумано и сделано: серьезная гипотеза — на пари, на шоколад; а если б не было спора, значит, не было бы ничего?

Нет, конечно, не значит. Необычность здесь кажущаяся.

Начнем с места действия. Терраса мюнхенского кафе — не случайный плацдарм для дискуссии. Во-первых, здесь и другие проблемы обсуждались; во-вторых, для западных ученых характерно обсуждение самых серьезных дел за столиком кафе. Это не значит, что ученые тратят рабочее время на посещение мест общественного питания, это значит, что они превращают время своего питания в рабочее. Не случайно также, что дискуссия возникла именно в Мюнхене. Пожалуй, она и не могла иметь места ни в одном другом городе — именно в Мюнхене и только в Мюнхене для нее были созданы все условия: наличие экспериментаторов, работающих с рентгеновскими лучами, и наличие теоретиков, занимающихся оптикой. Следовательно, действующие лица были словно бы специально подобраны для данной дискуссии.

Время действия тоже самое удачное. Все готово к приему новорожденной теории; ее уже давно ждут, она нужна физикам, уставшим от бесконечных споров по поводу природы рентгеновских лучей, ученым не хватает буквально еще одного доказательства, чтобы признать рентгеновские лучи электромагнитными волнами малой длины; хотя бы на несколько лет — пока не станет ясной их двойственная природа. Появление интерференционных пятен подготовлено безуспешными попытками многих физиков, в первую очередь самого Рентгена; сотни фотопластинок побывали около облучаемых кристаллов — сверху, сбоку, сзади; когда-то же должно было произойти неизбежное. То, что оно так долго заставило себя ждать, — вот что случайно, а не мюнхенское пари.

Кстати, и способ действия — на пари — ни в коей мере не компрометирует выигранное открытие; не все ли равно, с кем спорит ученый, выдвигая смелую гипотезу, — с коллегами или с самим собой. Спор должен быть непременно, только в нем и родится истина; идея новая, никто ее не высказывал раньше, ее надо обсудить во всех деталях, найти в ней уязвимые места, чтобы самому же и защитить их, а где, как не в споре, это можно сделать наилучшим образом? И с кем, как не со скептически мыслящими друзьями, можно пуститься в обсуждение, пусть какое угодно ироническое по форме, но непременно доброжелательное по существу? А каковы причины, заставляющие автора доказывать свою правоту — просто самолюбие или коробка конфет, — право же, не имеет значения. Шоколад здесь — скорее символ двух точек зрения, чем материальный стимул.

К тому же не надо забывать существенного обстоятельства: открытие задумывалось и делалось молодыми физиками, людьми остроумными, склонными к некоторой парадоксальности мышления, весьма ценящими необычные решения, — к этому приучила их сама наука.

Но мы уже должны привыкнуть к тому, что в физике все необычно: и идеи, и пути их воплощения.