Высшее образование Оппегеймера будет столь же блестящим, сколь и хаотичным, но по его окончании он сумеет найти свое предназначение – выберет путь теоретической физики. Путь этот, однако, будет долгим, извилистым, а порой и болезненным…
Воспрявший духом после Нью-Мексико, Оппенгеймер был принят в престижный Гарвардский университет в сентябре 1922 года, в возрасте 19 лет. Да, он потерял почти год из-за проблем со здоровьем, но его интеллект был все так же силен и разносторонен.
В качестве специализации Роберт выбрал химию, которой отдавал в то время предпочтение среди прочих наук, при этом он еще далек от того, чтобы выбрать свой путь окончательно. Вероятно, он подумывал о карьере горного инженера или преподавателя, но без особого энтузиазма. Зная, какой научный путь его ждет впереди, можно поражаться подобному отсутствию честолюбия и мотивации, однако юноша все еще не вышел из возраста неопределенности – ему было трудно определиться с тем, что его интересует больше всего.
Он по-прежнему оставался верен своим разносторонним интересам в науке и продолжал с увлечением постигать самые разные области знаний, поэтому записался не меньше чем на шесть курсов по различным предметам: больше просто не разрешалось (минимум составлял четыре курса), но многие дисциплины Роберт посещал еще и как вольный слушатель.
Помимо двух базовых курсов по своей специальности, химии (качественный анализ и органическая химия) и двух по математике (аналитическая геометрия и введение в дифференциальное исчисление).
Он записался на курсы риторики и стилистики английского языка, французской прозы и поэзии, а также истории философии. Этот последний курс ему особенно нравился, и он на всю жизнь сохранил явную склонность к философской рефлексии – прежде всего в вопросах, связанных с научной деятельностью, хотя и не только в них.
Роберт также продолжал регулярно читать и писать стихи – часто верлибром и в стиле, близком к творчеству Томаса Стернза Элиота (1888–1965), одного из его любимых поэтов в ту пору, чье разочарование перекликалось с его подростковой хандрой. В первый год обучения Оппенгеймер также написал много рассказов, в которых чувствуется влияние Антона Чехова (1860–1904) и Кэтрин Мансфилд (1888–1923) – британской писательницы новозеландского происхождения, близкой к Вирджинии Вулф (1882–1941), которая, говоря о Мэнсфилд, однажды призналась: «Я завидовала тому, как она пишет, и это единственная манера письма, которой я когда-либо завидовала». Роберт также восхищался Харви Фергюсоном, братом его друга Фрэнсиса, который уже стал признанным писателем. Он постоянно представлял свои прозаические произведения на суд Фергюсона, а также своего бывшего учителя Герберта Смита: суждениям этих двух человек он больше всего доверял в вопросах литературы, как и во многих других областях. Когда они одобряли его литературные опыты, казалось, что для Роберта это намного важнее, чем академические успехи в научных дисциплинах, преобладавших в его учебном плане. Как бы то ни было, их критика и собственные сомнения в конце концов оттолкнут Оппенгеймера от писательства, и он осознает, что это не его призвание.
В целом же в тот период он производил впечатление подростка, который ищет себя и не может определиться не только в выборе своего жизненного пути, но и в том, что он представляет из себя как личность.
В письмах и разговорах он изъяснялся иногда чересчур изысканно, впадая в какой-то заимствованный напыщенный тон, – так, словно примерял на себя маски и поведение персонажей, которым на самом деле не соответствовал.
Нужно отметить, что после встреч в Нью-Мексико, которые позволили ему открыться внешнему миру и вырваться из семейного и интеллектуального кокона, студенческие годы стали периодом ухода в себя: он сделал шаг назад в своей социализации.
Роберт стал студентом, когда в Гарварде складывалась крайне напряженная обстановка. Президент университета Эббот Лоуренс Лоуэлл, утверждая, что заботится о незыблемости устоев вверенного ему учреждения, пытался ввести правила, ограничивающие прием евреев в учебное заведение. Его аргументация – мягко говоря, сомнительная, чтобы не сказать лицемерная, – сводилась к следующему: он не хочет запрещать поступать в Гарвард евреям, но, если их пропорция увеличится, это отпугнет «англосаксов». Очевидный социологический факт, отражающий уровень доступа к высшему образованию детей еврейских эмигрантов предыдущего поколения (процент студентов еврейского происхождения в Гарварде за десятилетие вырос с 10 до 20 %), использовался для прикрытия призрака расизма и антисемитизма, который и вдохновлял на эти дискриминационные меры. И хотя Лоуэллу не удалось добиться утверждения политики квот, ограничивающих прием евреев, были введены правила, обязывающие зачисленных в Гарвард студентов информировать администрацию о происхождении их семьи, а также религиозной принадлежности. Подобный подход вскоре станет распространенной практикой и в Европе, но в куда более драматичных масштабах и обстоятельствах.
Что касается молодого Роберта Оппенгеймера, то он никак не проговаривается об этой гнетущей атмосфере в своих письмах. В этом нет ничего удивительного, учитывая его напряженные и неоднозначные отношения с собственной еврейской идентичностью. При этом можно не сомневаться, что он страдал, пусть подсознательно, от этого замаскированного антисемитизма, который царил в университетском кампусе и во всем американском обществе.
В переписке с друзьями, в частности с Гербертом Смитом, он ничем не выдает себя и описывает беззаботную и счастливую студенческую жизнь. Реальность, несомненно, гораздо мрачнее.
Оппенгеймер довольно замкнут и с головой погружен в учебу. При этом ему по крайней мере удалось вырваться из семейного гнезда, которое было уютным, но и удушающим. Его личность начинает проявляться. Черты, которые проступают, весьма эксцентричны. Например, питается он в основном шоколадом, пивом и спаржей, на завтрак предпочитает тосты с арахисовым маслом – это лакомство так и останется его слабостью на всю жизнь. Единственная разгрузка – продолжительные прогулки в таком темпе, что друзья не поспевают за ним. Прогулки эти, как правило, поздние и затягивающиеся до глубокой ночи.
Роберт Оппенгеймер в Гарварде
Фото © AIP Emilio Segre Visual Archives – Все права защищены.
Даже внешне Оппенгеймер привлекает внимание: его вид с ходу поражает новых знакомых. Всё такой же худой, он двигается резко, неуклюже, даже как-то по-детски. Его уже отличает какая-то странная, необычная красота: черты лица четкие, скулы выступают, уши заострены, рельефный нос, глаза пронзительной голубизны – то печальные, то пронзительные; копна каштановых волос, столь же непокорных, как и нрав их мрачного обладателя. Этот портрет юного Оппенгеймера, набросанный со слов близких друзей, вкупе с немногочисленными фотографиями того времени и в самом деле дает представление о том, до какой степени его внешность – в сочетании, разумеется, с перегретым интеллектом и бунтарским темпераментом – способствовала созданию той особой ауры, которая уже исходила от будущего физика.
Фредерик Бернхейм, студент-медик, который со второго курса был его соседом по комнате и близким другом, расскажет впоследствии о властном, собственническом и порой даже ревнивом характере своего однокурсника. Эгоцентричный Роберт навязывал ему свои настроения и желания, задавал тон всей их студенческой жизни. Комнату он украсил восточным ковром, произведениями искусства, взятыми из коллекции родителей, и обустроил в ней самовар на углях, чтобы готовить чай на русский манер. Он не желал делить друга с остальными и был очень недоволен, если у Фредерика возникали с кем-то еще слишком тесные отношения, дружеские или романтические. У Бернхейма возникло чувство, что Роберт стремился удержать их обоих в «команде», из которой исключался любой посторонний – правда, за одним исключением.
В то время еще одним близким другом Роберта (на этом список его близких друзей исчерпывался) стал Уильям Клаузер Бойд, с которым Оппенгеймер познакомился на занятиях по химии. Выходец из Миссури, Бойд не был евреем. Быстро разглядев, что его новый знакомый знает химию лучше всех на курсе, Оппенгеймер показывал ему свои работы и просил оценить их, что возмущало других студентов. Бойд, однако, против такого рвения не возражал и сразу же отметил достоинства Роберта. Позже он сделал блестящую карьеру в иммунохимии (исследование химии иммунной системы) и написал также несколько научно-фантастических рассказов в соавторстве со своей женой Лайл под псевдонимом Boyd Ellanby (на слух – «Эл энд Би», по первым буквам их имен – Лайл и Билл). В одном из этих рассказов, опубликованном в 1956 году под названием «Цепная реакция», речь идет о группе ученых, которые с лихорадочным нетерпением ожидают, подтвердятся ли расчеты одного из коллег и приведет ли испытание новой бомбы к полному уничтожению планеты… Вместе с признанным корифеем жанра (также биохимиком по образованию) Айзеком Азимовым (1920–1992) Бойд в 1955 году написал научно-популярную книгу о расах и народах, в которой они использовали свои знания по генетике для развенчания расистских и антисемитских теорий и предрассудков.
Бойда с Оппенгеймером объединял широкий круг интересов, этим оба они отличались от Бернхейма. Бойд тоже читал стихи, в том числе на французском, и сам их писал. Бернхейм же ощущал, что ему нет места в лирических высях, где витают оба его приятеля. В том, что Роберт при малейшей возможности любил цитировать отрывки из Бодлера или Верлена, он видел снобизм, и это его раздражало. При всем том знаменитая строка Верлена «О музыке на первом месте!»[15] вряд ли нашла бы отклик у Роберта, поскольку этот вид искусства оставался абсолютно чуждым ему. Бойд, который был страстным меломаном, с трудом раз в год затаскивал Оппенгеймера и Бернхейма в оперу, и даже тогда Роберт покидал зал до окончания представления: по-видимому, он был не в силах выдержать столь долгое воздействие оперного искусства. Его однокурсник с досадой заключил, что Оппенгеймер «абсолютно немузыкален». Герберт Смит позднее также был удивлен, обнаружив в Роберте «единственного физика …, кто не был бы также и музыкантом». Еще один университетский друг Оппенгеймера, Джеффрис Уайман, тоже описывал его как «слепого к музыке». Оппенгеймер, по свидетельству Уаймана, признавался ему, что испытывает реальную боль, когда слушает музыку.
В первый год обучения в Гарварде Роберт по-настоящему старался влиться в социальную и культурную жизнь университета. Какое-то время он посещал собрания Либерального студенческого клуба, где обсуждались политические и общественные вопросы, волновавшие страну и кампус, в том числе и дискриминационные меры, направленные на ограничение приема евреев. Он признался, однако, что чувствовал себя не в своей тарелке на этих собраниях, которые, как он выразился в одном из писем, отличались «идиотской напыщенностью». Тем не менее именно там он познакомился с третьекурсником с химического факультета Джоном Эдсаллом, который предложил Роберту присоединиться к проекту нового студенческого издания. Оппенгеймер, воспитанный на классической культуре, придумал для него название The Gadfly («Овод») – отсылка к Сократу, который сравнивал себя с этим насекомым, жалившим афинян неудобными вопросами, чтобы вывести их из оцепенения. Впрочем, это издание, где Роберт был заместителем главного редактора первых двух номеров и для которого написал несколько анонимных статей, просуществовало недолго – всего четыре выпуска. Через несколько лет Оппенгеймер опубликовал несколько стихотворений в еще одном новом, но куда более престижном авангардном литературном журнале Гарварда Hound and Horn («Гончая и Рог») – название подсказала строка из стихотворения Эзры Паунда (1885–1972) «Белый олень».
Социальная активность студента Оппенгеймера была весьма ограниченной, и это давало ему возможность тратить всё свободное время на удовлетворение неутолимой жажды знаний.
Уильям Бейд, который часто навещал его в студенческой квартире, заметил всё же, что никогда не застает его за работой, и заподозрил, что Роберт прилагает старания к этому, как будто хочет скрыть то, чем он занимается. Подобно скрипачу-виртуозу XIX века Никколо Паганини, который прятался, чтобы заниматься на инструменте, и никогда на репетировал на публике, чтобы поддержать легенду о врожденной и природой дарованной гениальности, Оппенгеймер, казалось, хотел ввести в заблуждение окружающих. Однако никто на его счет не обманывался: невозможно обрести столь ценные знания, не посвятив их накоплению долгие часы кропотливой работы над книгами или расчетами. Во время учебы в Гарварде Оппенгеймер проглотил три тысячи страниц монументальной «Истории упадка и разрушения Римской империи» английского историка XVIII века Эдварда Гиббона (1737–1794). В ту пору Роберт усердно посещал огромную библиотеку кампуса, о которой позже скажет, что он «разграбил ее, как варвары разграбили Рим». Единственное, на что он позволял себе отвлечься, – это тайное платоническое увлечение хорошенькой соседкой по библиотечному столу, которая писала диссертацию о Спинозе. Хотя он и делился своими чувствами в письмах, подойти к девушке не решился, личная жизнь у него в ту пору еще так и не началась. За три года учебы – никаких отношений с женщинами, даже дружеских. Как утверждали два его друга, Бернхейм и Бойд, составлявшие с ним неразлучную троицу, ни у кого из них не было девушек, так как они были слишком поглощены учебой. В том вычурном и театральном стиле, которого Роберт придерживался в письмах в ту пору, он признался своему другу Полу Хоргану, что переживает «совершенно мефистофелевское испытание», добавив по-французски: «Helas, sans Marguerite![16]»
Роберту нужно было всё больше работать, поскольку его постепенно охватило новое интеллектуальное увлечение.
Именно в первый год обучения в Гарварде происходит решающий поворот, который определит научные интересы молодого Оппенгеймера. Хотя он и поступил на химический факультет, в итоге он отдает предпочтение физике. Позднее эта смена приоритетов покажется ему совершенно естественной. В мир физики его привели темы, которые затрагиваются в рамках курса химии, – изучение термодинамики, рассматривающей обмен энергией в различных формах, или кинетической теории газов, объясняющей состояние и характеристики газа путем статистического анализа поведения множества атомов и молекул. Продолжая посещать занятия, на которые он был записан, Роберт увлекается тайнами физики и самостоятельно штудирует учебники, чтобы освоить эту область научного знания.
Позже, когда он доберется в этой науке до самых вершин, Оппенгеймер отметит, что его образование в области физики, а тем более математики было очень неполным и шатким. В самом деле, к открытию тайн материи его привела непроторенная академическая дорога, у него были серьезные пробелы в знаниях, так как основы во всех областях этой науки Роберт не освоил. Но, несмотря на это, его интеллектуальные способности, невероятная работоспособность и несомненная дерзость позволили ему наверстать упущенное.
По окончании первого курса Оппенгеймер, например, попросил Эдвина Кембла (1889–1984) с кафедры физики разрешить ему посещать продвинутый курс по термодинамике, который был в принципе предназначен для докторантов. Просьба была действительно дерзкой: она исходила от студента всего лишь второго курса, не имеющего никакой степени и к тому же не прослушавшего никаких базовых курсов по физике.
Удовлетворить эту просьбу можно было лишь в порядке исключения. Роберт представил список из полутора десятков работ, которые он прочитал. Впечатляли качество и сложность трудов, упомянутых в этом перечне. Там можно было найти справочные руководства, бóльшая часть которых была опубликована совсем недавно, а потому отражала последние достижения в основных областях физики. К ним относился, в частности, внушительный труд «Метод физической химии» в трех томах, последний из которых был посвящен зарождающейся в ту пору квантовой теории. Список включал в себя и классические работы, в которых большое внимание уделялось философии изучаемого предмета. Представленная Оппенгеймером библиография выдавала также его исключительное владение иностранными языками. В ней были две книги на немецком, в том числе работа Арнольда Зоммерфельда «Строение атома и спектры» (1919), которая в то время считалась библией для всех, кто был на передовой квантовой революции, и одна на французском – «Эволюция современной физики», опубликованная в 1906 году и принадлежащая перу Люсьена Пуанкаре (1862–1920), ученого, который, конечно, был менее известен среди людей науки, чем его знаменитый двоюродный брат Анри Пуанкаре, математик и физик. Эти работы на тот момент еще не были переведены на английский язык.
Прочитал ли Оппенгеймер и в самом деле все эти тексты от корки до корки? Ошибки или неточности в ссылках на перечисленные труды дают основание усомниться в этом, а о некоторых книгах он и сам говорил, что ознакомился с ними «частично». Как бы то ни было, Роберт реально уловил ключевые достижения той науки, к которой его страстно влекло, и его жажда знаний в этой области стала поистине ненасытной. Во время летних каникул после первого курса его можно было увидеть на носу любимого шлюпа «Тримети», пришвартованного в заливе Лонг-Айленда: он с наслаждением окунался в чтение трудов по термодинамике или электромагнетизму. Эти просоленные экземпляры учебников он хранил долгие годы.
Во второй год обучения, когда Оппенгеймер переориентировался на физику, его друг Бернхейм (отныне они делили квартиру) описывал его как человека, постоянно погруженного в глубокие размышления. Роберт проводил целые вечера, запершись в своей комнате, и «пытался что-то там делать с постоянной Планка или еще что-нибудь в этом духе». Если в его переориентации с химии на физику основную роль сыграла термодинамика, то теперь его в первую очередь интересовала только что зародившаяся квантовая теория.
Стартовый толчок развитию этой новой теории дал – невольно! – великий немецкий физик Макс Планк, когда в 1900 году опубликовал статью, в которой ввел понятие «квантов», или «пакетов» энергии. В то время он пытался решить сложную задачу термодинамики, известную как проблема излучения абсолютно черного тела. Цель состояла в том, чтобы прояснить, как в таком теле происходит процесс обмена энергией в виде тепла и света.
Абсолютно черное тело – объект гипотетический, идеализированный – поглощает все падающее на него световое излучение, не отражая его (потому его и называют «абсолютно черным»). Однако в зависимости от температуры, которую оно имеет, тело излучает свет различной длины волны, что проявляется в изменении цвета в пределах видимого спектра. Максимум его излучения приходится на разные длины волн. В реальном мире тело, поглощающее все излучение, можно представить как герметично закрытую печь с крошечным отверстием. Такое устройство, поглощая свет (или, в более общем случае, электромагнитные волны, частным случаем которых является видимый свет), само излучает энергию из-за своего тепла. Вот только существовавшая тогда теоретическая модель предсказывала для этого абсолютно черного тела аномальные результаты: по мере приближения к более коротким длинам волн (соответствующим ультрафиолетовому излучению) энергия росла экспоненциально до бесконечных значений, что, очевидно, физически невозможно. Это явление, которое окрестили «ультрафиолетовой катастрофой», выявило расхождение между теорией и экспериментальными данными. И вот в 1900 году Планк предложил другую математическую модель для описания спектра излучения черного тела и объяснения этого парадокса. В выведенной им формуле и встречается константа, которой позже дали его имя; она обозначается буквой h, и именно она так занимала Оппенгеймера во время учебы в Гарварде.
Статья Планка перевернула представление о непрерывности энергии, которое физики той эпохи считали священной и неприкосновенной истиной. Из статьи следовало, что энергия может принимать любые значения. Однако своей идеей «кванта» – своего рода неделимой порции энергии – Планк подразумевал, что обмен энергией происходит «пакетами» (или «порциями»), которые могли иметь лишь заданные значения (кратные его постоянной h). Сам он изначально рассматривал это лишь как способ вычисления, математический прием, который позволяет выйти из тупика, связанного со спектром излучения абсолютно черного тела. Следующий шаг сделал в 1905 году Альберт Эйнштейн (1879–1955), приступив к изучению фотоэлектрического эффекта. Это явление состоит в испускании электронов некоторыми металлами под воздействием световых волн определенной длины. Именно на этом феномене основана, в частности, технология фотоэлектрических элементов, ведь электричество есть не что иное, как поток электронов. Позаимствовав у Макса Планка концепцию квантов (множественное число от кванта), Эйнштейн имел смелость применить ее к свету.
Идея Эйнштейна о том, что сам свет всегда представляет собой поток квантов или частиц, которые много позже назовут фотонами, получила единодушное одобрение далеко не сразу. По сути, под сомнение ставилось господствовавшее тогда представление о свете как о волне, а не как о потоке частиц. В свою очередь это представление стало итогом крайне продолжительных споров между сторонниками корпускулярной теории, которую отстаивал прежде всего Ньютон (1643–1727), и волновой концепцией, которую предложил голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629–1695), а затем развивали англичанин Томас Юнг (1773–1829) и француз Огюстен Френель (1788–1827). Эйнштейн не только вновь актуализировал корпускулярную теорию, но еще больше усложнил ситуацию, так как его открытие в итоге подвело к выводу о том, что свет одновременно имеет и волновую природу, и является потоком частиц, то есть может последовательно проявлять и те и другие свойства в зависимости от обстоятельств, а также тех экспериментальных устройств, которые используются для исследования. Эта идея была встречена научным миром в штыки. В 1913 году в рекомендательном письме, написанном Максом Планком (который стоял у истоков квантовой революции!) и рядом других ученых с целью поддержать кандидатуру Эйнштейна в Берлинскую академию наук, похвалы гению физики разбавляет ложечка дегтя:
«Это правда, что он иногда терял цель в своих размышлениях, например, в случае с гипотезой световых квантов; но упрекать его за это не стоит, поскольку невозможно внедрить идеи действительно новые, даже в самые точные науки, без того, чтобы иной раз не рисковать».
В свою очередь датский физик Нильс Бор (1885–1962) подвергал сомнению реальность световых квантов вплоть до 1924 года (впрочем, по иным причинам), что не мешало ему при этом относиться к Эйнштейну с большим уважением.
Как бы то ни было, но именно Бор сделал следующий шаг к тому, что затем назовут первой революцией в квантовой физике. В своих работах он сосредоточился на проблеме, разработка которой, а также драматическое эхо этих исследований в истории человечества окажутся тесно связаны с судьбой Оппенгеймера. Речь идет о строении атома.
Как ни удивительно, сама идея о том, что материя состоит из бесконечно малых частиц, атомов, лишь совсем недавно получила широкое признание в научном сообществе. Само греческое происхождение слова (приставка a- означает отрицание, она стоит перед корнем tomos — делить) подсказывает: атом – это «то, что больше не делится», иначе говоря, нечто неделимое. Атом, таким образом, можно считать основной единицей, неделимым кирпичиком материи, которая строится из самых различных комбинаций атомов.
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…