Роберт Оппенгеймер: портрет на фоне атомного века. Великое открытие и личная трагедия: жизнь гения, изменившего судьбу мира

Сама эта идея восходит, разумеется, к философам Древней Греции, однако с античных времен ее отстаивали и продвигали только в исходном виде – как догадку философов, без сомнения гениальную, но не имеющую экспериментального обоснования. На смену этому философскому атомизму (представленному Левкиппом и Демокритом, подхваченному Эпикуром, Лукрецием, а позже и Гассенди) пришел атомизм научный: его основы заложил в начале XIX века британский химик Джон Дальтон (1766–1844). Однако лишь в начале XX века сторонники атомистической теории восторжествовали над своими противниками, эквивалентистами, которые отказывались верить в существование атомов, невидимых никому. Эту победу обычно датируют 1913 годом, когда французский физик Жан Перрен (1870–1942) опубликовал книгу «Атомы». В ней он обобщил все аргументы и экспериментальные данные в пользу атомистической теории, среди них были и данные по исследованиям Альберта Эйнштейна о движении атомов и молекул, или броуновском движении, опубликованные в 1905 году.

Едва только утвердилась идея, что материя состоит из атомов (их тогда представляли себе наподобие крошечных шариков), как пришлось признать очевидное: эти атомы вовсе не неделимые, поскольку и эти частицы в свою очередь тоже делятся! Первым из ученых пришел к этому выводу Джозеф Джон Томсон (1865–1940). Он исследовал так называемые катодные лучи. Эти лучи образуются в катодных трубках, где электрический ток проходит через вакуумное пространство между отрицательным полюсом (анодом) и положительным полюсом (катодом) и выходит через отверстие в последнем. Отсюда, собственно, и название. В 1897 году в ходе своих исследований Томсон открыл первую из частиц, которые позже назвали субатомными (то есть меньше атома), – электрон. Ему удалось определить заряд этой частицы, а также ее ничтожно малую массу (примерно в 2000 раз меньше атома водорода, самого легкого из всех элементов). Поскольку электрон несет отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, ученый предположил, что электрон встроен в атомную массу с положительным зарядом. Для описания своего представления о расположении электронов в «своем» атоме Томсон предложил весьма зримый образ – изюминки, равномерно распределенные в сливовом пудинге. Именно поэтому первая атомная модель в истории получила название «пудинг с изюмом», или «пудинговая модель».

В 1911 году Эрнест Резерфорд (1871–1937), в прошлом ученик Томсона, поставил под сомнение его модель атома. Он провел серию экспериментов, которая показала, что электроны не могут быть встроены в ядро подобно изюму в пудинге, а вращаются вокруг положительно заряженного атомного ядра. Резерфорд был родом из Новой Зеландии, откуда перебрался в Великобританию и стал одним из величайших ученых этой страны. Он на протяжении многих лет изучал различные виды радиоактивных излучений, после того как сам феномен радиоактивности был открыт в 1896 году Анри Беккерелем и супругами Кюри.

Признанный отец-основатель ядерной физики, Резерфорд открыл и само атомное ядро. Он также доказал, что радиоактивность вызывает распад элементов, за что в 1908 году получил Нобелевскую премию по химии. В итоге он предложил новую схему для описания строения атома – модель, которая получила название «планетарной» и согласно которой электроны вращаются вокруг атомного ядра, как планеты вокруг своей звезды. Размер атома определяется орбитами, которые описывают его электроны, при этом основная масса сосредоточена непосредственно в ядре, чрезвычайно плотном и несравнимо малом по сравнению с общим размером атома (ядро, однако, значительно больше каждого отдельного электрона). Пример для сравнения: если соотнести весь атом с полем для гольфа, то его ядро было бы размером всего с одну из лунок.

И все-таки планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, имела серьезные недостатки. Прежде всего она противоречила двум принципам физики, которые на тот момент считались незыблемыми. Если бы электроны вращались вокруг атомного ядра, то, согласно законам движения, сформулированным Исааком Ньютоном, они бы испытывали ускорение. Между тем, как следует из уравнений электромагнетизма, которые были выведены в XIX веке Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879), электрический заряд, движущийся с таким ускорением, терял бы энергию, излучая ее, и в конечном счете упал бы на ядро, тем более что положительный заряд ядра его бы притягивал. Следовательно, тот атом, который описан в планетарной модели Резерфорда, был бы нестабилен, а это не соответствует реальным атомам: они стабильны.

Эрнест Резерфорд, отец ядерной физики, лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года

Фото Archives Larbor.

Радикальную идею, позволяющую выйти из тупика, предложил Нильс Бор, который сначала поработал с Томсоном в Кембридже, а затем – в лаборатории Резерфорда в Манчестере. Вместо того чтобы латать модель Резерфорда, Бор кардинально изменил… законы физики! Вдохновившись работами Планка и Эйнштейна, он предложил собственную модель атома, которая присваивала каждому электрону определенный «энергетический уровень», соответствующий его орбитали[17] вокруг атомного ядра. Свои орбиты соответствовали стабильному энергетическому состоянию, и, лишь когда электроны «перескакивали» с одной из них на другую, они поглощали или испускали энергию в виде света. «Перескакивали» здесь верное слово, потому что в противоречии со всеми принципами, принятыми в классической физике, электроны мгновенно переходили с одной орбиты на другую, ни разу не пересекая пространство, которое разделяет эти орбиты. Такая модель атома, предложенная Бором, позволяла, опираясь на законы классической физики, сделать смелый шаг на неизведанную территорию квантового мира, что объясняло спектр излучения и поглощения атома водорода, простейшего из существующих. Длины волн, поглощаемые или излучаемые, соответствовали переходу электронов с одного энергетического уровня на другой, пропорционально постоянной Планка, которая в этом контексте уже не просто выглядела как математический фокус, а отражала нечто более значимое…

Так Бор сделал еще один шаг в направлении к «новой физике» – квантовой. Впоследствии его модель была усовершенствована немцем Арнольдом Зоммерфельдом (1868–1951), труд которого Роберт Оппенгеймер читал на языке оригинала, если верить тому списку литературы, что был представлен им Кемблу.

Словом, в 1923 году, когда Оппенгеймер столь же внезапно, сколь и эффектно шагнул на сцену физики, эту науку захлестнула первая волна квантовой теории, которая, впрочем, еще не достигла своего апогея. После новаторских работ Планка, а затем Эйнштейна исследования Бора по структуре атома породили в свою очередь ряд вопросов, решение которых должно было перевернуть мир физики, выведя квантовую механику (или квантовую физику) на передний план.

В том же 1923-м Оппенгеймер посетил две лекции, которые Бор прочитал в Гарварде, и был от них в полном восторге. Бор, в ореоле только что прославившей его Нобелевской премии по физике, которую он получил годом ранее за работы по структуре атома, уже тогда, по словам Перси Бриджмена[18], «почитался по всей Европе как научное божество». Он произвел сильнейшее впечатление на всех присутствующих студентов и профессоров, но особенно он поразил Роберта, который скажет позднее, что трудно «выразить словами», в какой степени Бор его «восхищает». Оппенгеймер всю жизнь искренне восхищался «учителем из Копенгагена», который шел в авангарде квантовой революции, больше, чем любым другим физиком.

Нужно сказать, что в характере датчанина было всё, чтобы покорить такого человека, как Роберт: увлеченный философией, Бор любил расспрашивать, работать с парадоксами и творчески мыслить.

Для молодого американского студента он стал олицетворением новой физики, которая ставила под сомнение всё, вплоть до основ классической науки.

Эдвин Кембл, несмотря на молодой возраст (ему было 34 года, когда учиться к нему пришел Оппенгеймер), был единственным настоящим физиком-теоретиком в Гарварде. При этом он был единственным, кто разбирался в теории, поставившей мир физики на грань революции, – в квантовой механике. Свое письмо Оппенгеймер отправил вовсе не наобум – именно к новейшим разработкам этой науки его и влекло. Блеф удался: на заседании кафедры физики ему разрешили в порядке исключения посещать курс «Физика 6а», хотя он и не закончил, как того требовали правила, курс «Физика C», предусмотренный для последнего года преддипломной подготовки. Как ему сообщили уже много лет спустя, на том заседании кафедры профессор Джордж Вашингтон Пирс после прочтения письма Оппенгеймера высказался будто бы следующим образом: «Если он утверждает, что прочитал все книги из списка, то это очевидная ложь. Однако он заслуживает докторской степени уже за то, что знает их названия!»

Оппенгеймер не просто получил разрешение посещать занятия, предназначенные для элиты университетских физиков, – он оказался среди тех, кто был старше его и изучал эту дисциплину не менее четырех лет. Это отставание он принял как вызов и вскоре стал одним из тех, кто блистал на занятиях.

При этом Роберт не отказался ни от своей основной специальности, ни от других интересов: на втором году обучения в Гарварде он записался на три курса по химии, на два по математике, а также продолжал изучать французский и философию.

Наряду с теоретиком Кемблом, ключевым сотрудником кафедры физики в Гарварде был Перси Бриджмен (1882–1961), чей талант проявлялся скорее в искусстве эксперимента. В 1946 году он получил Нобелевскую премию по физике за свои исследования в области высоких давлений.

Разделение на экспериментаторов и теоретиков, которое становилось все более заметным в начале XX века, возможно, не вполне понятно тем, кто не связан с научным миром. Физики наблюдают явления (например, в астрономии), но в рамках своих экспериментов нередко эти явления и провоцируют. Это позволяет им лучше контролировать условия, точнее замерять результаты, а также воспроизводить эти явления преднамеренно. Затем они стремятся объяснить полученные результаты, выявляя связывающую их математическую зависимость, поскольку уверены в том, что Галилей выразил своей знаменитой формулой: «Книга природы написана на языке математики».

Долгое время и помыслить было нельзя, чтобы ученый не сочетал в себе оба эти таланта: если он хотел, чтобы его работа была оценена коллегами, надлежало самому разрабатывать и проводить эксперименты, а также предлагать их релевантную интерпретацию. Между тем в области физики эти две стороны научного гения начали обособляться. Разумеется, выдающиеся ученые, прославившие свои имена в этой науке до начала XX века, были «универсалами» – искусными и умелыми экспериментаторами, а также проницательными теоретиками в одном лице. К специализации подталкивала растущая техническая сложность оборудования, необходимого для экспериментов, а также то, что работа с таким оборудованием требовала все больше практических знаний и навыков. Вместе с тем усложнение математических инструментов, которые позволяли интерпретировать результаты экспериментов в рамках новых теорий, заставляло некоторых ученых посвятить себя исследовательской деятельности исключительно «на бумаге».

В то время, когда Оппенгеймер блестяще дебютировал в физике, необходимость выбора между этими двумя амплуа была еще не столь очевидна: молодой американец усваивал эту истину на собственном горьком опыте. Помочь в том, чтобы его допустили к изучению физики, он просил Кембла, но самое большое влияние за два последних года обучения в Гарварде на Роберта оказало преподавание Бриджмена.

И это при том, что, если бы ему самому пришлось выбирать, Оппенгеймер был бы однозначно на стороне теоретиков, поскольку интеллектом он своих преподавателей впечатлял, «мастером на все руки» однозначно не был, а его практические работы часто были катастрофическими.

Скажем, когда Бриджмен, который относился к Оппенгеймеру с большим уважением, поручил ему эксперимент, требовавший создания медно-никелевого сплава, выяснилось, что Роберт просто «не знает, за какой конец надо держать паяльник».

Хотя Бриджмен и был прежде всего экспериментатором, на работу физика он умел смотреть философски. Он продвигал, в частности, теорию научного познания, известную как «операционализм» (или «операционизм»), которую изложил в двух своих книгах – «Анализ размерностей» (1922) и «Логика современной физики» (1927). Принцип этой теории близок к позитивизму – философскому направлению, толчок которому дал француз Огюст Конт (1798–1857), отвергавший все метафизические претензии на знание, поскольку человек должен исходить лишь из того, что может наблюдать и познавать опытным путем. Бриджмен так же смотрел на вещи: физик, по его мнению, должен определять научные концепции операционально, то есть как возможный результат череды операций (измерений, экспериментов), а не постулировать существование гипотетических явлений и смыслов. Как мы увидим далее, такой образ мышления оказал решающее влияние на первопроходцев квантовой физики, к которым Оппенгеймер присоединился через несколько лет и с которыми он тесно сотрудничал. Именно тот взгляд на науку, которого придерживался его наставник из Гарварда, и подготовил молодого студента к тому, чтобы принять перемены, происходившие в области знаний, где теперь были сосредоточены его интересы.

Бриджмен был весьма впечатлен его способностями, но особой привязанности к Оппенгеймеру не испытывал, так как тому случалось проявлять крайне неприятное самодовольство. Например, во время одного из редких визитов к своему преподавателю, когда тот с гордостью показал фотографию храма, сделанную на Сицилии, утверждая, что храм построен за 400 лет до нашей эры, Роберт довольно сухо заметил, что высеченные на колонне буквы указывают на то, что храм этот построен минимум на полвека раньше.

Бурная страсть Оппенгеймера к физике не умерила его любопытства и к прочим предметам. В последний год обучения в Гарварде он посещал, в частности, курс по философии науки, который читал Альфред Норт Уайтхед (1861–1947). Прежде чем посвятить себя философии и обосноваться в Соединенных Штатах, этот британский математик и логик вместо со своим бывшим студентом Бертраном Расселом написал «Основания математики» (1910–1913) – трехтомный труд, в котором они пытались вывести все теоремы арифметики из элементарных логических правил. Роберт искренне восхищался Расселом, с которым впоследствии тесно общался и которому предстояло сыграть важную роль в борьбе против ядерного распространения. Когда Оппенгеймер начал посещать курс Уайтхеда в 1924 году, тот только что получил свой пост в Гарварде и преподавал перед крайне малочисленной аудиторией: его лекции Роберт посещал вдвоем с другим студентом. Оппенгеймер утверждал, однако, что особо ценил этот курс, по ходу которого Уайтхед сам выступал как преподаватель и студент одновременно. Он заново открывал со своими учениками этот ставший эталоном труд, который, по собственному утверждению, подзабыл.

Несмотря на такое путешествие в самую суть математики, уровень Оппенгеймера в этой области, хоть и достойный, по многим аспектам все же оставлял желать лучшего – это так и осталось одной из его главных слабостей к тому моменту, когда физика стала его профессией. Тут, однако, не должно быть двусмысленности: нереально достичь того уровня в области физики, которого он достиг, не обладая обширными математическими познаниями и высоким мастерством в работе с объектами, а также в вычислительных операциях, которые характерны для тем, связанных с физикой. При этом одни физики сильнее в математике, чем другие, и они более умело используют сложные математические инструменты, необходимые для того, чтобы подступиться к определенным областям физики.

В июне 1925 года Роберт получил степень бакалавра искусств, которая завершала первый цикл университетского образования (эквивалент нынешней степени магистра во Франции), причем в качестве основной специальности у него по-прежнему значилась химия[19]. Этот цикл обучения он прошел за три года вместо обычных четырех с высшей из возможных оценок – «с отличием», Summa cum laude.

Свой тройной успех на экзаменах вся компания – Оппенгеймер, Бернхейм и Бойд – отметила лабораторным спиртом, поскольку сухой закон в США все еще действовал. Но если двое его приятелей набрались изрядно, Роберт ограничился одним стаканчиком и отправился спать.

Получив диплом, Оппенгеймер решил продолжить работать в Кембридже, но на сей раз по другую сторону Атлантического океана – в престижном английском университетском городе. Роберт хотел идти дальше под руководством великого Эрнеста Резерфорда, в известной Кавендишской лаборатории, в которой отец-основатель ядерной физики сменил своего учителя Дж. Дж. Томсона в качестве руководителя.

Однако с какой стати выбирать этот храм экспериментальной физики, когда у юного Роберта уже явно просматриваются склонности и талант к теоретической работе? Не исключено, что выбор этот объясняется вовсе не научными соображениями. Двое его хороших друзей по Гарварду (а таких он завел немного), Джон Эдсалл и Джеффрис Уайман, теперь учились в Кембридже. Но главное в том, что его самый близкий друг, Фрэнсис Фергюсон, получил престижную стипендию в Оксфорде, еще одном великом университетском городе Англии, сопернике Кембриджа (Фрэнсис уехал туда, когда Оппенгеймер был еще на втором курсе). Желание вновь оказаться среди знакомых лиц и прежде всего рядом с Фрэнсисом, который был не просто близким товарищем Роберта, но и образцом для подражания, весьма вероятно, перевесило чисто академические соображения и карьерные планы. Ну, а если уж выбирать Англию, то лабораторию Кавендиша и команду Резерфорда.

Однако выбор оказался не самым разумным, что в скором времени и подтвердилось. Рекомендательное письмо Бриджмена Резерфорду выдает смущение по поводу весьма ограниченных талантов его протеже в области, которая явно была его ахиллесовой пятой: «Его слабость заключается в экспериментальной работе. Склад его ума ближе к аналитике, а не к физике, и он неловок в лабораторной работе».

Нельзя не отдать должное честности Бриджмена, но в качестве рекомендательного письма про своего студента это послание крайне странное, особенно если учесть, сколь важны эксперименты для Резерфорда! Вдобавок Бриджмен добавил ремарку, которая в полной мере отражает мерзкую атмосферу того времени: «Как можно понять из его фамилии, Оппенгеймер – еврей, но он полностью лишен обычных черт своей расы».

Такого рода высказывания шокируют нас сегодня, но они совсем необязательно говорят о глубоком антисемитизме гарвардского профессора. В контексте своего времени, когда антиеврейские настроения набирали силу как в Соединенных Штатах, так и в Европе, Бриджмен был, без сомнения, убежден, что действует из благих побуждений, предвосхищая возможную дискриминационную реакцию со стороны Резерфорда. Вот только было это абсолютно ошибочно, поскольку великий англо-новозеландский физик никогда подобных предрассудков не проявлял.

Трудно сказать, в чем дело – то ли в этой неуклюжей и излишне осторожной рекомендации, то ли в том, что Резерфорд не жаловал Бриджмена, как будет казаться Оппенгеймеру позже, – но, когда Роберт вернулся с каникул, проведенных в основном в Нью-Мексико, его ждал неприятный сюрприз. Да, он принят в колледж Христа в Кембридже, но работать будет не под руководством Резерфорда. Отъезд в Великобританию не предвещал ничего хорошего…