Андрей Сахаров. Наука и свобода - Страница 27

Думал он о большой науке. В отчете теоротдела за 1945 год по «основной проблеме элементарных частиц» сказано: «И. Е. Тамм выдвинул новую гипотезу о характере взаимодействия между протоном и нейтроном» и «при участии аспиранта А. Д. Сахарова приступил к вычислениям, необходимым для количественной проверки предложенной теории. Соответствующие вычисления являются крайне трудоемкими». Ноябрьский доклад Сахарова уже об этом – «Рациональная вычислительная схема для вычисления шпуров».

Без пояснений ясно, что это на пальцах не объяснишь. Это – ядерная физика, одним из пионеров которой был Тамм. А большой наукой для него и его нового аспиранта было тогда понять закон, управляющий жизнью атомного ядра.

Ядерная физика во многом определила судьбу этого аспиранта и судьбу «очень многих, может всех». Поэтому – для любознательных нефизиков, – попробуем объяснить, что же так интересовало Тамма.

Сегодня каждый знает, что все предметы, окружающие его, состоят из атомов. Разновидностей этих стандартных элементов мироздания меньше сотни, что ничтожно мало по сравнению с разнообразием вещей, из них составленных. Еще в XIX веке химик Дмитрий Менделеев обнаружил порядок в свойствах элементов. Он разложил по полочкам все известные тогда элементы и предсказал новые, для которых предназначил пустые места на полочках. Предсказанные элементы были открыты, встали на приготовленные им места, а весь набор «полочек» получил название «периодической системы Менделеева». Совершенно непонятным, однако, оставалось, почему у элементов столь различные свойства. Почему одни – блестящие металлы, а другие – прозрачные газы. Столь же непонятно было, что такое атом, как он устроен. Загадки атомного мира копились, пока истории это не надоело. И тогда, как не раз случалось в истории науки, оправдалась поговорка: «Сто загадок – одна отгадка».

«Сто загадок → одна отгадка»

Не зря же Андрей Сахаров, демонстрируя однажды свою способность писать зеркально, запечатлел эту формулу научного триумфа. Таким триумфом стало открытие – или, лучше сказать, раскрытие, – атома. Сначала, в 1911 году, Эрнест Резерфорд, изучая радиоактивность, экспериментально обнаружил, что атомы в основном состоят из… пустоты. Только самый центр атома, занимающий одну миллиардную его часть, заполнен. Это и есть ядро, вокруг которого на огромных расстояниях движутся электроны, – если ядро увеличить до размеров яблока, то электроны пропорционально удалились бы от яблока-ядра на десяток километров. Это означало, что проблема радиоактивности кроется в ядре, и что радиоактивная внутриатомная энергия должна именоваться внутриядерной или просто ядерной. Когда ядро меняет свое состояние, излишки энергии уносят частицы или световое излучение – a-, b-, и g-излучения. Так первые буквы греческого алфавита, стали первыми буквами ядерной азбуки.

В 1913 году Нильс Бор разгадал законы, по которым движутся электроны в атоме – квантовые законы атомной физики. И на этой основе затем объяснил порядок элементов на «полочках» Менделеева. Именно тогда стало ясно, что свойства атома определяются его ядром.

Ядра различаются зарядом и массой. Разные по заряду ядра – химически разные элементы. Одинаковые по заряду, но разные по массе – это химически неотличимые изотопы одного элемента. Самое легкое ядро у водорода – всего одна частица, которую назвали протоном. Самое тяжелое – ядро урана, в котором двести с лишним частиц.

Тут самое время для второй общей формулы научного прогресса: «В сердцевине отгадки – новые загадки». Устройство ядра оказалось загадкой еще более трудной, чем устройство атома. Ведь противоположно заряженные электрон и ядро связаны силой электрического притяжения – силой давно известной и, можно сказать, одомашненной. А что удерживает вместе одноименные заряды ядра? Что преодолевает огромные силы электрического отталкивания в ядре? Ведь эти силы в миллиарды раз больше атомных из-за того, что ядро в сто тысяч раз меньше атома.

Этот ядерный вопрос до сих пор не получил полного ответа, но один из первых шагов к его решению сделал Игорь Тамм в 1934 году. Незадолго до того экспериментаторы открыли новую частицу – электрически незаряженную, нейтральную и поэтому названную «нейтроном». Во всем, кроме заряда, нейтрон оказался очень похож на протон. Их признали равноправными составляющими ядра и объединили общим названием – нуклон. Уже это решило несколько ядерных головоломок, однако оставался вопрос о силе, связывающей частицы ядра.

Тамм предположил, что связывать протоны и нейтроны ядра может обмен известными легкими частицами (из которых самая известная – электрон) – как будто нуклоны все время перебрасываются мячиками из рук в руки. Это была новая идея. Новая и… неправильная. Тамм сам провел соответствующий расчет, убедился, что сила слишком мала, и опубликовал свой отрицательный результат. По пути, намеченному Таммом, пошел в 1935 году японский теоретик Хидэки Юкава, который не стал заранее назначать частицу, обмен которой связывает нуклоны в ядре. И получил результат – такая частица должна была бы иметь массу в 200 раз больше массы электрона, а поскольку такой частицы никто не наблюдал, грустно заметил он, «изложенная теория находится, по-видимому, на неверном пути»[102]

Однако путь был верный. Через два года, в 1937 году, экспериментаторы открыли частицу с такой массой. Ее назвали «мезон», от греческого слова, означающего «промежуточный» – средний по массе между электроном и протоном. Нашли частицу, но не закон ядерного взаимодействия. Физики не догадывались тогда, что путь им предстоит извилистый: найденная частица – не та, которую предсказал Юкава. Убедятся они в этом только через десять лет, когда к счастью для научного прогресса тут же найдут «ту» частицу и передадут ей имя «мезон».

А пока – все следующее десятилетие, – проблема ядерных сил стояла перед физикой, и все следующее десятилетие Тамм видел эту проблему перед собой.

Десятилетие это было самым черным в жизни Тамма. В 1937-м он лишился троих близких ему людей: младшего брата, друга юности, и любимого ученика. Почему его самого не объявили «врагом народа», понять трудно, но в хаосе Большого террора таких непонятных вещей много. Ясно лишь, что звание члена-корреспондента Академии наук тогда никого не защищало, и ядерной физике было еще далеко до стратегической профессии.

Потери Тридцать седьмого повлекли за собой «оргвыводы», – ректор университета «порекомендовал» Тамму подать в отставку с должности заведующего кафедрой теоретической физики. А после ареста в 1938 году сотрудника ФИАНа Румера «приняли меры» и в Академии наук. Из-за «необеспеченности руководства со стороны заведующего отделом [Тамма], недостаточной работы по подготовке кадров» теоротдел закрыли, а его сотрудников распределили по лабораториям[103].

Затем мрачные годы войны и эвакуации института в Казань до осени 1943 года. Лишь после возвращения ФИАНа в Москву теоротдел восстановили, и Тамм занял свое место. Труднее было с творческой безработицей, – за десятилетие ученый не решил ни одной задачи, сопоставимой с результатами предшествующих лет. Условия военного времени многое могут объяснить, но для страстной натуры Тамма такие объяснения мало что значили – значила бесплодность усилий построить теорию ядерных сил.

К природному энтузиазму Тамма добавлялось то, что в физику он входил в революционное для нее время, когда радикально менялись самые основные ее понятия: пространство, время, причинность. Осуществилась мечта алхимиков – ядерные «алфизики» научились превращать один элемент в другой. Выдающиеся теоретики, начиная с Бора, под впечатлением от удивительных экспериментов и революционного темпа перемен несколько лет даже серьезно обсуждали другую несбыточную мечту – вечный двигатель (но убедились, что это уже чересчур). А Тамму удалось внести вклад в понимание не-элементарности элементарных частиц.