Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации - Геннадий Горелик

Не надо думать, что молодой человек — Ландау — упивался своей смелостью. Ему, как и Эйнштейну, было интереснее происходившее на доске и важнее, как соотносятся написанные мелом формулы с устройством природы. То есть он любил саму науку, а не себя в ней. Любил самозабвенно, хотел взаимности, но не грустил, когда взаимность доставалась не ему, а кому-то другому.

После Берлина Ландау отправился в Цюрих, где царил Вольфганг Паули, о котором в гимне Джаз-банда пелось:

…но Паули принцип та-ТА-та та-ТА-таВ руках, в головах и в работах у всех!

Знаменитый принцип Паули выразил новое свойство элементарных частиц. Любые два электрона похожи друг на друга гораздо больше, чем две капли воды. Они абсолютно одинаковы, совершенно неотличимы. Размышляя над подопытными фактами микромира, Паули понял, что кое-что в этих фактах можно объяснить, если одинаковым частицам, подобным электрону, запрещено находиться в одинаковых состояниях. Строжайший запрет — не собираться даже по двое. Так в 1924 году Паули открыл закон природы, совершенно неведомый в мире обыденных явлений, но явления эти объясняющий, — к примеру, почему вещества отличаются друг от друга, как воздух от воды.

К 1929 году, когда Ландау прибыл в Цюрих, в физике зияли две огромные проблемы, о которых пелось в гимне Джаз-банда:

…Опять не известна теория света,Еще не открыты законы ядра.

Альфа-частичный успех Гамова в физике ядра оказался лишь удачной партизанской вылазкой, не более. Неподступным оставался главный вопрос: из какого сверхпрочного материала сделаны стенки ядерного горшка, в котором прыгают альфа-лягушки? Неподступной оставалась и загадка электронов, выпрыгивающих из ядра, — то есть бета-частиц. Казалось очевидным, что электроны содержатся в ядре — раз они оттуда вылетают, но по нескольким причинам им там нельзя было находиться. Невыносимо-необъяснимое поведение внутриядерных электронов побудило Гамова сделать печатку, которую он прикладывал каждый раз, упоминая бета-электроны в своих текстах: под черепом вместо костей скрестились две буквы «бета».

Печатка Гамова (ок. 1931) — череп и бета-кости.

В те времена считалось, что кромешную ядерную тьму может рассеять не свет, а теория света, которая уже четверть века была «опять не известна». Ведь поведение электронов должно определяться электромагнитными силами, а свет — проявление тех же сил. Загвоздка была в том, что электромагнитная теория света споткнулась об атомную физику в 1905 году, когда Эйнштейн предположил, что свет состоит из частиц — фотонов. Гипотеза прекрасно объяснила фотоэффект, принесла Эйнштейну Нобелевскую премию, но… не лезла ни в какие теоретические ворота.

Поиски квантовой теории света оставались безуспешными до 1929 года, когда за дело взялся Паули, и у него что-то начало получаться. Потому-то для Ландау нестоличный Цюрих с Паули был привлекательнее столичного Берлина с Эйнштейном. И не только для Ландау. Незадолго до того ассистентом Паули стал уроженец Берлина Рудольф Пайерлс. Биографически и психологически очень разные молодые физики приглянулись друг другу и нашли себе совместную работу, как раз связанную с проблемой «частиц света». Работа превратилась в статью и подружила их на всю жизнь.

Ландау, несмотря на его просоветский и антибуржуазный задор, понравился ироничному Паули тем, что, можно сказать, утер ему нос. За два года до того, рассматривая поведение электронов в металле, Паули открыл новое явление, называемое «парамагнетизмом Паули». А новичок из России обнаружил другое свойство тех же самых электронов в металле — свойство противоположное по знаку. Паули понял, что новичок прав, и порекомендовал благотворительному фонду Рокфеллера дать Ландау стипендию еще на год. А новое свойство назвали «диамагнетизмом Ландау».

Таким образом сделав себе имя в мировой физике, сам Ландау, однако, в отчете о командировке назвал эту работу лишь одной из частных задач. А центральной счел «узловую проблему», которая «привела к грандиозным затруднениям», — «проблему объединения в одно целое двух наиболее общих современных теорий: принципа относительности и теории квант».

Чтобы прочувствовать, как этот центральный узел воспринимался в 1930 году, последуем за Ландау в Копенгаген, где тогда у Нильса Бора собрался совет знатоков квантовой теории. Их собрал «Новый кризис теории квант», как назвал свою статью Бронштейн, узнавший о событии, надо думать, от Ландау:

Совет заседал в шутливо-торжественной обстановке, в руках у Паули был рог, в который он трубил каждый раз, когда хотел отметить в разбиравшихся теоретических построениях непонятное место или новую трудность. К сожалению, ему приходилось трубить в свой рог слишком часто. Положение было признано безнадежным, что и было отмечено в шуточной резолюции, в которой все присутствующие зарекались впредь заниматься квантовой теорией (Паули якобы решил впредь заниматься математикой, Гейзенберг — музыкой, и только осторожный Бор заявил, что еще подумает).

В такой ситуации совершенно неосторожный Ландау не стал ждать, пока старшие коллеги выяснят, что делать. Он верил, что лучшее решение кризиса — революция, и ему нравилась революционная идея Бора о том, что новая физика пожертвует законом сохранения энергии ради истинной картины мира. Частицы в ядре так плотно прижаты друг к другу, что этого… просто не могло быть по тогдашним теориям. И так же частицы сжаты в центрах звезд, неистощимо светящихся. Так что гипотеза Бора могла осветить оба края тогдашней физики.

Ландау взялся за проблему с двух сторон — и в микрофизике, и в астрофизике. Вернувшись в Цюрих, он занялся обеими задачами и в одну увлек Пайерлса. Горячие дискуссии шли иногда в присутствии Паули, но тот слушал с прохладцей. Как-то раз распаленный Ландау спросил Паули, неужели он считает все, им сказанное, чушью?! Тот ответил остужающе: «О нет, что вы! Произнесенное вами настолько сумбурно, что нельзя даже сказать, чушь это или нет!»

Льва Ландау это не остудило. Он был уверен, что нащупал принципиальный дефект ch-теории электромагнитного поля — невозможность измерить основную величину теории, величину самого поля. А значит, само понятие «поле в точке» не имеет права на существование. Доказав таким образом, что без ch-революции не обойтись, они с Пайерлсом отправились к Бору в Копенгаген со статьей, в которой заявили, что следовали «красивой идее проф. Нильса Бора».

ch-контрреволюция

Вместо благодарности своим последователям Бор, однако, их вывод отверг. Как это выглядело, вспоминал его ассистент Леон Розенфельд:

Я прибыл в Институт в последний день февраля 1931 года, и первым, кого я увидел, был Гамов. Я спросил, что новенького, — он в ответ протянул рисунок: Ландау, привязанный к стулу и с кляпом во рту, а перед ним Бор, с поднятым пальцем говорящий: «Ландау, ну, пожалуйста! Дайте же мне хоть слово сказать!» За несколько дней до того Ландау и Пайерлс привезли свою статью — показать Бору. «Но, — добавил Гамов весело, — похоже, он не согласен с их доводами, и такие вот дебаты идут все время». Пайерлс уехал за день до того, «в состоянии полного изнеможения», как сказал Гамов. Ландау оставался еще несколько недель, и я убедился, что Гамов не слишком преувеличил драматизм ситуации.

Само по себе несогласие Бора не укротило молодого Льва и не помешало ему впредь считать себя его учеником, и только его одного. Отправив статью в печать, он вернулся на родину в приподнятом настроении, что видно по его отчету о командировке:

Пайерлсу и мне удалось на основании анализа возможных экспериментов показать, что основные физические принципы квантовой механики не выполнены — при наличии предельной скорости распространения [скорости света]. Этим заранее обрекаются на неудачу все попытки непосредственного обобщения квантово-механических методов [h-методов] на случай релятивистской теории квант [ch-теории], попытки, за последнее время ставшие весьма частыми в мировой литературе. С другой стороны, установленные нами неравенства, представляющие собой дальнейшее обобщение знаменитого принципа неопределенности Гейзенберга, дают возможность понять основные положения и характер еще не известной нам полной теории вопроса. В частности, такой подход дает возможность объяснить существование при бета-распаде радиоактивных ядер непрерывного распределения скоростей вылетающих электронов — явления, которое, ввиду своего резкого противоречия закону сохранения энергии (Н. Бор), совершенно не могло быть истолковано с точки зрения современных теорий.