У гениев подобные озарения происходят не единожды. Год 1905-й историки науки называют «годом чудес». В этом году недавний выпускник Политехникума Альберт Эйнштейн опубликовал три работы, изменившие сложившиеся представления о классической физике. Это были статьи о специальной теории относительности, о фотоэффекте с позиций квантовой физики и о броуновском движении, подтверждающем существование атомов. Через десять лет Эйнштейн практически в одиночку совершил ещё один грандиозный прорыв, разрушив парадигму ньютоновской теории тяготения. Созданная им в 1914—1916 годах общая теория относительности и по сей день служит основой наших представлений о Вселенной.
Аналогичной теории для объяснения явлений микромира долго не удавалось построить никому, пока в 1925 году трудами Вернера Гейзенберга, Макса Борна и Паскуаля Йордана не была создана матричная механика. Позже к развитию новой науки присоединились Поль Дирак, Эрвин Шрёдингер, Вольфганг Паули и другие физики. В той или иной форме во всех новых работах ощущалось участие Нильса Бора.
В короткий исторический срок — три года, с 1925-го по 1927-й, — сформировалась новая наука — квантовая механика, давшая человечеству возможность использовать практически неисчерпаемую энергию атома. Особенностью научной революции 1925—1927 годов был юный возраст её основных героев. Только Бору, Борну и Шрёдингеру в то время было около сорока. Остальным авторам тех открытий не было и тридцати. Недаром этот период в физике называют «революцией вундеркиндов».
Уникальному в истории науки событию и, прежде всего, людям, его творившим, посвящён цикл очерков «Эпизоды “революции вундеркиндов”», который журнал начинает публиковать в этом номере. Их автор Евгений Михайлович Беркович — выпускник физфака МГУ, создатель и редактор журнала «Семь искусств» и ряда других сетевых изданий, автор монографий серии «Революция в физике и судьбы её героев»: «Томас Манн и физики ХХ века» (М., 2017) и «Альберт Эйнштейн в фокусе истории ХХ века» (М., 2018), а также многих статей по истории науки и литературы в различных журналах. Перед вами — его дебют в «Науке и жизни».
Вступление
Первопроходцы
Революция в физике
Истории нравятся неожиданные совпадения. Так получилось, что нобелевские премии стали вручаться с первого года двадцатого века. Первой премией по физике в 1901 году был награждён Вильгельм Рентген за открытие Х-лучей, которые позже получили его имя. И революция в физике началась на излёте девятнадцатого и продолжилась в двадцатом веке: 14 декабря 1900 года профессор Берлинского университета Макс Планк в докладе Немецкому физическому обществу впервые ввёл понятие кванта света.
Никто из современников Планка революции в физике не предвидел, более того, считалось, что эта наука уже выполнила все стоящие перед ней задачи. Это отметил в юбилейном докладе Королевскому обществу 27 апреля 1900 года патриарх британской физики лорд Кельвин. И только два облачка, по его словам, омрачали ясный научный небосклон. Первое облачко — это вопрос, как может Земля без трения и потери энергии двигаться через упругую среду, каковой является светоносный эфир? А второе облачко — это непреодолимые противоречия теории и опыта в вопросе об излучении «абсолютно чёрного тела».
Примерно то же говорил в 1874 году юному студенту Максу Планку профессор Филипп фон Жолли, руководивший отделением физики Мюнхенского университета, когда Макс обратился к нему с просьбой записать его в число слушателей лекций по теоретической физике. Маститый учёный попытался отговорить юношу: «Молодой человек! Зачем вы хотите испортить себе жизнь, ведь физика как наука в основном завершена. Осталось прояснить несколько несущественных неясных мест. Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?!»1. К счастью для физики, студент оказался настойчивым и находчивым: он ответил, что не собирается открывать ничего нового, а хочет только изучить то, что уже известно.
Спустя четверть века непривычное для классической физики предположение Планка, что свет распространяется не непрерывно, как волна, а порциями, квантами, помогло решить вторую задачу, обозначенную лордом Кельвином. А через пять лет, в 1905 году, никому не известный тогда двадцатишестилетний эксперт третьего класса Федерального ведомства по интеллектуальной собственности в швейцарском Берне Альберт Эйнштейн предложил специальную теорию относительности, в которой не было места светоносному эфиру.
Эти гениальные интеллектуальные находки развеяли смущавшие лорда Кельвина облака на научном небосклоне, но фактически разрушили всю классическую физику девятнадцатого века, опиравшуюся на понятие эфира. Новые физические теории теперь предстояло построить заново.
В области макромира прорыв к новой физической картине Вселенной в одиночку совершил Альберт Эйнштейн, построив в 1914—1916 годах общую теорию относительности. Этот грандиозный научный подвиг не имеет аналогов в истории науки. Иначе обстояло дело с загадками микромира. Разобраться с процессами, происходящими внутри атома, пытались многие учёные, но построить новую теорию, учитывающую квантовый характер энергии, долго не удавалось.
В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил так называемую планетарную модель атома. В этой модели атом состоит из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются электроны — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.
С точки зрения классической физики такая структура не может существовать долго: вращающиеся электроны излучают энергию и вскоре упадут на ядро. Первый мостик из классических представлений в квантовые построил в 1912—1913 годах Нильс Бор, сделавший гениальное предположение, на какое-то время совместившее классическую физику с квантовой. Бор предположил, что у атома есть стационарные орбиты, находясь на которых, электроны не излучают энергию, а излучение (или поглощение) происходит при переходе с одной орбиты на другую. К электрону на стационарной орбите применимы законы классической физики, а квантовые эффекты проявляются при переходе из одного стационарного состояния в другое.
Опираясь на эту гипотезу, Бор смог теоретически описать спектр простейшего атома водорода, причём выводы теории блестяще совпали с экспериментом. Однако попытки распространить этот подход на более сложные атомы с несколькими электронами оказались безуспешными. «Старая квантовая физика», как называли потом науку, развиваемую Нильсом Бором и его последователями до 1925 года, не выработала универсального средства для изучения объектов микромира. Учёные-первопроходцы были слишком тесно привязаны к идеям и методам классической физики, чтобы окончательно от них оторваться. Каждую новую задачу с квантовым содержанием решали сначала на языке классической физики, чтобы потом перевести решение на квантовый язык, используя так называемый принцип соответствия, впервые высказанный Максом Планком в 1906 году и систематически используемый Нильсом Бором, начиная с 1913 года. Согласно этому принципу квантовая теория содержит классическую физику в качестве предельного случая2.
Сам перевод классического решения на квантовый язык был, скорее, искусством, чем наукой, большую роль здесь играли физическая интуиция, догадки, артистизм учёного. Другими словами, «старая квантовая физика» ещё не стала самодостаточной научной теорией.
Построить новую квантовую физику выпало молодым людям, родившимся в ХХ веке. Собрал их у себя в Гёттингене и направил их усилия в нужном направлении Макс Борн, чья роль в успехе физической революции пока явно недооценивается. В разное время ассистентами Борна были Вольфганг Паули, Вернер Гейзенберг и Паскуаль Йордан — те самые «вундеркинды», которые совершили новый прорыв в физике, создав квантовую механику и квантовую теорию поля.
«Второго Борна сегодня в Германии нет»
С Гёттингеном у Борна связано много воспоминаний, не всегда радужных. Начало было обнадёживающим: ещё студентом Макс стал ассистентом великого математика ХХ века Давида Гильберта. В последующей научной жизни Борн выделялся среди коллег-физиков высочайшей математической подготовкой. По словам Юрия Борисовича Румера, лично знавшего его по Гёттингену, «Макс Борн в своём творчестве всегда опирался на математический аппарат, которым он владеет в совершенстве. Он часто в шутку говорил своим ученикам: „Сперва начать считать, потом подумать“ (Erst losrechnen, dann nachdenken)»3.
Защиту первой докторской диссертации в 1906 году омрачил возникший из-за пустяка конфликт с всемогущим Феликсом Клейном, директором математического института и главой физико-математической школы Гёттингенского университета. Из-за этого конфликта Борн вынужден был защищать диссертацию не по чистой, а по прикладной математике. После успешной защиты, стоившей ему массы нервной энергии, Макс решил никогда больше не показываться в Гёттингене4. Но судьба рассудила иначе, и Борн ещё два раза возвращался в этот небольшой университетский центр на юге Нижней Саксонии. В 1908 году молодого теоретика пригласил ассистентом Герман Минковский, строивший математический фундамент для теории относительности Эйнштейна. Защита второй докторской диссертации Борна состоялась в 1909 году уже после внезапной смерти Минковского и тоже едва не сорвалась из-за придирок Клейна. Но всё обошлось, и Макс Борн стал приват-доцентом5. А в 1921 году его пригласили занять место профессора и директора института теоретической физики Гёттингенского университета6.
Принимая предложение стать профессором теоретической физики, Борн добился того, чтобы директором института экспериментальной физики стал его ближайший друг Джеймс Франк. Поначалу в министерстве науки утверждали, что вакантной должности профессора в Гёттингенском университете больше нет. Дотошный Макс Борн сам приехал в Берлин и, порывшись в бумагах министерства, нашёл ошибку какого-то чиновника, дающую возможность принять Франка профессором физики на факультете естествознания и математики7. Другим институтом экспериментальной физики заведовал друг и ровесник Борна и Франка Роберт Поль. Директором института математики, вместо ушедшего на пенсию Феликса Клейна, был Рихард Курант, тоже, как и Борн, бывший в молодости ассистентом Гильберта.
Можно сказать, Гёттингену повезло: в двадцатые годы двадцатого века здесь, в тихом провинциальном городке на реке Лайне, собрались люди, способные развить революционные преобразования в физике, начатые в начале века Планком и Эйнштейном и продолженные во втором десятилетии Бором и Резерфордом. Именно здесь создавалась новая наука — квантовая механика, ставшая со временем основой наших знаний о микромире. Новой наукой занимались учёные и в Копенгагене у Бора, и в Мюнхене у Зоммерфельда. Но и на этом фоне Гёттинген выделялся полученными результатами. И в центре гёттингенского физического сообщества стоял, без сомнения, Макс Борн. Не зря Эйнштейн в одном из своих писем заметил: «Второго Борна сегодня в Германии нет»8.
В Гёттингене собирались молодые учёные со всего мира. Макс Борн создал на базе своего института всемирно признанную школу, готовящую теоретиков новой физики. Среди его учеников, соавторов и ассистентов были и индус Субрахманьян Чандрасекар, и японец Иошио Нишина, и выходцы из Венгрии Джон фон Нейман, Юджин Вигнер и Эдвард Теллер…
К Борну приезжали и молодые учёные из Советского Союза, ставшие впоследствии знаменитыми физиками, академиками: Владимир Александрович Фок, Игорь Евгеньевич Тамм…
Запомнился Максу ещё один физик из СССР, Юрий Борисович Румер, которого немцы называли Георг. В уже цитированных выше воспоминаниях о Максе Борне Румер отмечает: «Максу Борну принадлежит главная заслуга в создании той особенной творческой „гёттингенской обстановки“, с описания которой сейчас принято начинать книги о последующем развитии атомной физики»9.
Создать одну из самых многочисленных и продуктивных научных школ теоретической физики Максу Борну помогли его личные качества человека и учёного. Юрий Румер подчёркивает: «Я думаю, что секрет его успеха заключается в необычайной широте его натуры, в сочетании таланта большого учёного с горячим сердцем очень хорошего человека. <…> Он отличается необыкновенной личной скромностью, он всегда восхищался чужими достижениями, но никогда не подчёркивал своих»10.
Боровский фестиваль
Важнейшим этапом в становлении квантовой механики стали семь лекций Нильса Бора, которые он прочитал в Гёттингене в июне 1922 года, выполняя обещание, данное год назад Джеймсу Франку. Впоследствии этот цикл лекций назовут Боровским фестивалем по аналогии с музыкальным Генделевским фестивалем, ежегодно устраиваемым в Гёттингене с 1920 года.
В интервью Томасу Куну и Фридриху Хунду, состоявшемся 17 октября 1962 года в доме Борнов в Бад-Пирмонте, бывший директор Института теоретической физики вспоминал, как пришла идея пригласить Бора в Гёттинген: «Мы все знали, что Бор впереди нас, и мы пытались его понять; у нас было чувство, что мы все в каком-то смысле ученики Бора. До фестиваля происходило следующее. У Бора был брат, Харальд Бор, математик — блестящий, кстати, — который был хорошим другом Куранта, моего коллеги. Он часто приезжал в Гёттинген и рассказывал о своём брате — что он самый умный, — и нам стало любопытно, чем он занимается. И я подумал, что есть смысл пригласить его. И Академия — конечно, я имею в виду физиков из Академии — это были Планк, Франк, Паули и я — приняла это решение»11.
У Вернера Гейзенберга осталось немного другое мнение. Он считал, что решающую роль в приглашении Бора в Гёттинген сыграл Джеймс Франк. В интервью тому же Томасу Куну, состоявшемся 15 февраля 1963 года в мюнхенском институте Общества Макса Планка, Гейзенберг так ответил на вопрос, насколько велика была роль Франка в становлении Гёттингена как центра исследований по атомной физике и, в частности, в приглашении Нильса Бора выступить там с лекциями: «Естественно, что Франк был заинтересован в продолжении исследований энергетических уровней, ими он всегда интересовался. Я думаю, что Франк наконец убедил Борна более серьёзно, чем раньше, отнестись к этим вещам. Я могу себе представить, что Борн, будучи математиком, не любил методы, которые содержат противоречия. Поэтому Франку было нелегко убедить его серьёзно взяться за эти вещи. Но в конце концов Борн увидел, что в этом что-то есть и что Бор — хороший человек, и тогда он решил: „Хорошо, организуем встречу и посмотрим на это“. Встреча была задумана как повод сформировать мнение по текущей ситуации»12.
Сам факт приезда в послевоенную Германию крупного европейского учёного был важным политическим событием: немецких учёных долгое время бойкотировали их коллеги из стран-победителей в Первой мировой войне. Немцев не приглашали на конференции, их статьи не принимали в международные журналы. Весьма показательно, что организаторы международных математических конгрессов в Страсбурге (1920) и Торонто (1924) не пригласили ни одного математика из Германии. Приезд Бора в Германию, как и поездки с лекциями Альберта Эйнштейна в Америку, Англию и Францию, помогли прекратить бойкот и наладить нормальные научные связи учёных разных стран.
Послушать Бора в Гёттинген съехались ведущие физики Европы. Из Мюнхена приехал Зоммерфельд, взяв с собой ещё одного «вундеркинда» — двадцатилетнего Вернера Гейзенберга, которого впоследствии назовут отцом квантовой механики. В то время Вернер ещё не закончил обучение в Мюнхенском университете — работал над диссертацией по гидродинамике, одновременно изучая в семинаре Зоммерфельда боровскую модель атома. Одна деталь, ярко характеризующая экономическую разруху и бедность населения в послевоенной Германии: на билет из Мюнхена в Гёттинген и обратно у Вернера, сына университетского профессора, не было денег, поэтому Зоммерфельд взял эти расходы на себя13.
Другой ученик Зоммерфельда — Вольфганг Паули, — уже поработавший в Гёттингене ассистентом Борна, приехал на лекции Бора из Гамбурга. Выступления Бора произвели на Паули сильнейшее впечатление. Бору Вольфганг тоже понравился, и он пригласил молодого ассистента приехать в Копенгаген помочь с переводами боровских работ на немецкий язык и поработать вместе над решением проблем атомной физики. Паули ответил в своём духе: «Думаю, мне вряд ли покажутся трудными ваши научные требования, но изучение нового языка, такого как датский, сильно превосходит мои способности»14.
Через несколько месяцев после переезда в октябре 1922 года в Копенгаген Паули признался, что оба его тезиса были ошибочны: выучить датский язык оказалось много проще, чем решить физические проблемы.
Из Швеции в Гёттинген на Боровский фестиваль приехал Вильгельм Озеен, учившийся в своё время у Гильберта. К тому времени, когда Бор посетил Гёттинген, Озеен занял пост директора Нобелевского института теоретической физики в Стокгольме и смог в 1921 году выдвинуть Альберта Эйнштейна на Нобелевскую премию по физике за работу о фотоэффекте. Предыдущие более десятка выдвижений ориентировались на теорию относительности и систематически отклонялись Нобелевским комитетом. Озеен нашёл правильную формулировку, устроившую членов комитета, и осенью 1922 года Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике за 1921 год. Тогда же и Нильс Бор получил свою Нобелевскую премию за 1922 год.
Из Цюриха на лекции Бора прибыл Пауль Шерер, из голландского Лейдена — Пауль Эренфест. На лекции был приглашён известный издатель научной литературы Фердинанд Шпрингер, которого потрясла дружелюбная и творческая атмосфера, царившая в течение всех семи вечеров, когда выступал Нильс Бор. Всего лекции Бора слушали более сотни физиков из разных городов и стран. Излишне говорить, что на лекции датского мэтра собрались и все ведущие гёттингенские математики Феликс Клейн, Давид Гильберт, Карл Рунге, Рихард Курант и физики Джеймс Франк, Роберт Поль, не говоря уже про организатора фестиваля Макса Борна.
Именно во время этих чтений Бор близко познакомился с Вернером Гейзенбергом, которого Зоммерфельд представил как молодого человека, имеющего обоснованные возражения к построениям Бора. Датчанин, который, как и Франк, обожал научные беседы и не очень любил лекции, пригласил юного физика из Мюнхена на пешеходную прогулку по склонам возвышенности Хайнберг (Hainberg), расположенной в западной части гёттингенского леса. Гейзенберг вспоминал потом: «Эта прогулка оказала сильнейшее воздействие на моё последующее научное развитие, или даже, вернее сказать, всё мое научное развитие, собственно, и началось с этой прогулки»15.
Вряд ли тогда кто-то предвидел, что через три года Гейзенберг построит стройную научную теорию, которая включит в себя многие идеи Бора, высказанные им в Гёттингене.
В своих лекциях Бор рассказывал слушателям, как, по его мнению, устроены молекулы и атомы, как от количества электронов на орбитах зависят свойства элементов Периодической системы Менделеева. Среди прочего он предсказал открытие новых элементов, указав химикам направления поисков. Догадки Бора впоследствии блестяще подтвердились. Настоящей законченной теории строения атома ещё не было, но идеи Бора выглядели многообещающими, хотя и непривычными. О выступлении Бора Гейзенберг вспоминал: «Содержание лекции казалось и новым, и вместе с тем не новым. У Зоммерфельда мы изучили теорию Бора и потому знали, о чём идёт речь. Но все слова в устах Бора звучали иначе, чем у Зоммерфельда. Непосредственно ощущалось, что свои результаты Бор получил не путём вычислений и доказательств, а путём интуиции и догадок, и что теперь ему было нелегко защищать их перед гёттингенцами с их высокой математической выучкой»16.
Многие из пожилых слушателей Боровского фестиваля жаловались на плохой сон, обвиняя в этом крепкий кофе, который Бор привёз с собой из Дании. Физик Фридрих Хунд, ассистент Макса Борна, полагал, что людей возбуждал не кофе, а необычность боровских идей17.
В день окончания лекций, 22 июня 1922 года, Нильса Бора от лица хозяев поблагодарил Давид Гильберт, отметив откровенность, с которой докладчик допустил слушателей до «святая святых своей научной кухни»18. Великий математик воздал должное великому физику, показавшему, каких глубин может достичь человек в познании тайн природы.
Лекции датчанина привлекли к атомной тематике и организатора Боровского фестиваля Макса Борна. До этого его больше интересовала динамика кристаллической решётки с учётом релятивистских эффектов. Как раз в том же году Борн закончил большую статью об этом для «Энциклопедии математических наук». Теперь он вплотную занялся применением боровской модели к атомам более сложных, чем водород, элементов. Судьба подарила ему в это время замечательных помощников-ассистентов, прежде всего, Вернера Гейзенберга и Паскуаля Йордана.
Редакция благодарит автора за предоставленные иллюстрации.
(Продолжение следует.)
Комментарии к статье
1 Rechenberg Helmut. Werner Heisenberg — die Sprache der Atome. Gedruckt in zwei Bander. — Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2010, S. 1.
2 Джеммер Макс. Эволюция понятий квантовой механики / Пер. с английского В. Н. Покровского. Под ред. Л. И. Пономарёва. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985, с. 196.
3 Румер Юрий. Макс Борн (К восьмидесятилетию со дня рождения) // В книге: Марчук Александр Гурьевич (ответственный редактор). Юрий Борисович Румер. Физика. ХХ век, с. 570—578. — Новосибирск: Изд-во «Арта», 2013, с. 573.
4 Беркович Евгений. Революция в физике и судьбы её героев. Альберт Эйнштейн в фокусе истории ХХ века. — М.: URSS, 2018, с. 106—111.
5 Там же, с. 118—125.
6 Там же, с. 152—156.
7 Беркович Евгений. Революция в физике и судьбы её героев. Томас Манн и физики ХХ века: Одиссея Петера Прингсхайма. — М.: URSS, 2017, с. 125.
8 Albert Einstein — Hedwig und Max Born. Briefwechsel 1916—1955. — Munchen: Nymphenburger Verlagshandlung, 1969, S. 48.
9 Румер Юрий. Макс Борн (К восьмидесятилетию со дня рождения) // В книге: Марчук Александр Гурьевич (ответственный редактор). Юрий Борисович Румер. Физика. ХХ век, с. 570—578. — Новосибирск: Изд-во «Арта», 2013, с. 571.
10 Там же, с. 571—572.
11 American Institute of Physics. Oral History Interviews. Max Born — Session III. Interviewed by Thomas S. Kuhn and Friedrich Hund. [В интернете] 17 October 1962 [Цитировано: 07 Juli 2018] https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/4522—3.
12 American Institute of Physics. Oral History Interviews. Werner Heisenberg — Session V. Interviewed by Thomas S. Kuhn. [В интернете] 15 February 1963 [Цитировано: 07 July 2018] https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/4661—5.
13 Гейзенберг Вернер. Физика и философия. Часть и целое. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1989, с. 169.
14 Танец электронов. Паули. Спин. Из серии: Наука. Величайшие теории: выпуск 48. Пер. с итал. — М.: Де Агостини, 2015, с. 61.
15 Гейзенберг Вернер. Физика и философия. Часть и Сохранить Применить Отменитьцелое. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1989, с. 170.
16 Там же, с. 169.
17 Lemmerich Jost. Aufrecht im Sturm der Zeit. Der Physiker James Frank. 1882—1964. — Berlin: Verlag fur Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik, 2007, S. 98.
18 Там же, S. 98.
