Георгий Гамов, космический шутник
Работу Хаббла, утонченного аристократа от астрономии, продолжил
не менее талантливый ученый, Георгий (Джордж) Гамов. Во многом
Гамов являл собой противоположность Хабблу: шутник, карикату-
рист, прославившийся розыгрышами и двадцатью занимательными
научными книгами, многие из которых были предназначены для
молодежи. Несколько поколений физиков (включая и меня) было
воспитано на его занимательных и содержательных книгах по физике
и космологии. В то время, когда теория относительности и квантовая
теория производили переворот в науке и обществе, книги Гамова
занимали особое место, потому что они были достоверным источ-
ником информации в вопросах передовой науки, вполне доступным
даже подросткам.
Ученые менее крупные часто бывают не слишком богаты идеями,
они довольствуются разработкой чужих. Гамов же был одним из са-
мых плодовитых гениев своего времени, эрудитом, стремительно вы-
дававшим на-гора идеи, изменившие ход развития ядерной физики,
космологии и даже исследований ДНК. Возможно, не случайно авто-
биография Джеймса Уотсона, который вместе с Фрэнсисом Криком
раскрыл тайну молекулы ДНК, называется «Гены, Гамов и девушки».
Коллега-физик Эдвард Теллер вспоминал: «90 % теорий Гамова были
неправильны, очень легко было понять, что они неправильны. Но он
никогда не возражал. Он был одним из тех, кто не испытывает особой
гордости за свои открытия. Он выдавал последнюю идею, а затем
рассматривал ее как шутку». Но оставшиеся 10% его теорий про-
должали развиваться, изменяя всю мировую науку.
Гамов родился в Одессе (Россия) в 1904 году, когда страна стояла
на пороге социального переворота. Он вспоминал, что «уроки часто
отменяли во время стрельбы или штыковых атак греческих, француз-
ских или британских экспедиционных войск на главных улицах горо-
да против красных, белых или даже зеленых или когда русские разных
цветов сражались друг против друга».
Решающий момент в жизни Гамова наступил в тот день, когда он
пошел в церковь и после службы тайком унес домой кусочек просфо-
ры. Глядя в микроскоп, он не смог разглядеть разницы между хлебом
причастия, символизирующим тело Христово, и обычным хлебом.
Он заключил: «Я считаю, что именно этот эксперимент сделал меня
ученым».
Гамов получил образование в Ленинградском университете, где
физику преподавал Александр Фридман. Позднее в Копенгагенском
университете он встретился со светилами науки, такими, как Нильс
Бор. (В 1932 году он и его жена совершили неудачную попытку оста-
вить Советский Союз, отплыв на плоту из Крыма в Турцию. Позднее
ему удалось покинуть страну благодаря поездке на конференцию
по физике в Брюссель, что обеспечило ему смертный приговор в
Советском Союзе.)
Гамов прославился тем, что посылал шуточные стишки своим
друзьям. Большинство из них непечатные, в одном описывается бес-
покойство космологов, когда они встречаются лицом к лицу с огром-
ностью астрономических чисел и глядят в лицо бесконечности:
Жил-был парень в прекрасном Манчестере,
Взял он корень из бесконечности,
От количества знаков
Чуть не умер от страха,
Бросил числа, стал думать о Вечности.
В 1920-е годы в России Гамов впервые добился большого успеха,
разрешив загадку радиоактивного распада. Благодаря работам мадам
Кюри и других ученых стало известно, что атом урана нестабилен и
излучает радиацию в виде альфа-лучей (ядро атома гелия). Но соглас-
но механике Ньютона загадочная ядерная сила сцепления, сохраня-
ющая ядро целым, должна была предотвращать расщепление атома.
Как же это было возможно?
Гамов (а независимо от него — Р. Герни и Э. Кондон) понял,
что радиоактивный распад стал возможен потому, что принцип не-
определенности в квантовой механике гласит: нельзя одновременно
узнать точное местоположение и скорость частицы; следовательно,
существовала ничтожно малая вероятность того, что она может
«туннелировать», или проникать сквозь барьер. (Сегодня теория
«квантового туннелирования» частиц занимает центральное ме-
сто в физике и используется для объяснения свойств электронных
устройств, черных дыр и Большого Взрыва. Сама Вселенная могла
быть создана подобным туннелированием.)
Проводя аналогию, Гамов говорил об узнике, который заточен в
темницу, окруженную высокими тюремными стенами. В классиче-
ском мире Ньютона побег невозможен. Но в мире квантовой теории
вы не знаете точно, где находится узник в любой момент времени,
так же, как не знаете и скорость его перемещения. Если узник станет
биться о стены с достаточной частотой, возникнет некоторая ве-
роятность того, что однажды он пройдет сквозь них, хотя это будет
прямым противоречием здравому смыслу и ньютоновской механике.
Существует конечная, поддающаяся вычислению вероятность того,
что узник окажется за пределами тюремных стен. В случае с объектом
«узник», имеющим большие размеры и малую энергию, для такого
чуда может понадобиться время, превышающее время жизни всей
Вселенной. Но с альфа-частицами и субатомными частицами так
происходит почти все время, потому что они часто бьются о стены
ядра, используя огромные энергии. Многие считали, что эта работа
Гамова заслуживает Нобелевской премии.
В 1940-е годы интересы Гамова от теории относительности
переместились в сторону космологии, которую он рассматривал
как неизведанную ранее сферу деятельности. Что было известно в
то время? То, что небо черное, а Вселенная расширяется. Гамов ру-
ководствовался единственной целью: найти любые свидетельства,
или «окаменелости», доказывающие, что миллиарды лет тому назад
произошел Большой Взрыв. Это было бесперспективно, поскольку
космология не экспериментальная наука в истинном смысле этого
слова. Не существует таких экспериментов, которые бы доказали
Большой Взрыв. Космология больше похожа на криминальную
дедукцию — науку, основанную на наблюдениях, где нужно искать
«следы» или «свидетельства» на месте преступления, — чем на на-
уку, где можно ставить точные эксперименты.
Ядерная кухня Вселенной
Очерёдным вкладом Гамова в физическую науку стало открытие
ядерных реакций, в результате которых образуются легчайшие эле-
менты, существующие ныне во Вселенной. Ему нравилось называть
это «доисторической кухней Вселенной», в которой все элементы
изначально возникли из жаркого пламени Большого Взрыва. Сегодня
этот процесс носит название «нуклеосинтез», или установление
относительного содержания элементов во Вселенной. Суть теории
Гамова в том, что существует нерушимая цепочка элементов, начи-
нающаяся с водорода, которая может быть построена путем после-
довательного добавления частиц к атому водорода. Гамов утверждал,
что вся периодическая таблица элементов Менделеева могла быть
создана в пекле Большого Взрыва.
Гамов и его последователи доказывали, что в момент творения
Вселенная представляла собой невообразимо горячее скопление
протонов и нейтронов; затем, видимо, произошло слияние — атомы
водорода образовали атомы гелия. Подобное происходит в водо-
родной бомбе или звезде: температуры настолько велики, что про-
тоны — ядра водорода — с огромной скоростью сталкиваются друг
с другом и сливаются, превращаясь в ядро гелия. По этому сценарию
последующие столкновения водорода с гелием рождают набор сле-
дующих элементов, включая литий и бериллий. Гамов предположил,
что элементы более высокого порядка могут быть образованы после-
довательно путем добавления все большего количества субатомных
частиц к ядру, — иначе говоря, он предположил, что сотня или более
того элементов, составляющих всю видимую Вселенную, были «ис-
печены» в огненном жару Большого Взрыва.
В свойственной ему манере Гамов в общих чертах нарисовал
свою претенциозную идею и предоставил своему аспиранту Ральфу
Альферу доработать детали. Когда работа была закончена, Гамов не
смог удержаться от розыгрыша. Он поставил имя физика Ганса Бете
на титуле своей работы без его ведома, и она стала известна как «аль-
фа-бета-гамма» теория.
Гамов обнаружил, что Большой Взрыв был действительно на-
столько мощным, что его жара хватило для образования гелия,
который составляет около 25 % массы Вселенной. Работая в другом
направлении, «доказательство» теории Большого Взрыва можно
обнаружить лишь при взгляде на многочисленные звезды и галакти-
ки нашего времени — мы понимаем, что они состоят примерно на
75 % из водорода, а на 25 % — из гелия и некоторых других микро-
элементов. (Как сказал астрофизик Дэвид Спергель из Принстона:
«Каждый раз, покупая воздушный шарик, наполненный гелием, вы
покупаете атомы, многие из которых образовались в первые несколь-
ко минут после Большого Взрыва».)
Однако у Гамова появились проблемы с расчетами. Его теория
была абсолютно верна лишь для очень легких элементов. Но элемен-
ты с 5 и 8 нейтронами и протонами чрезвычайно неустойчивы, а по-
тому не могут служить «мостом» для создания элементов с большим
количеством нейтронов и протонов. Мост смыло на пяти и восьми
частицах. Поскольку Вселенная состоит из тяжелых элементов с го-
раздо большим количеством частиц, чем 5 и 8 протонов и нейтронов,
то как же они образовались при взрыве, осталось космической тай-
ной. Неудача Гамова в попытках преодолеть разрыв на пяти и восьми
частицах на долгие годы поставила перед физиками нерешенную
проблему, отрезая путь его идее о том, что все элементы Вселенной
возникли в момент Большого Взрыва.
