В Гёттингене, где был один из ведущих исследовательских центров в области квантовой физики, а потом в Голландии и Швейцарии Оппенгеймер работает с рядом ученых, которые стали первопроходцами в этой новой науке. Затем он возвращается в США, чтобы преподавать в Калифорнии.
Если на предыдущие несколько лет пришлась череда научных потрясений, результатом которых стало рождение квантовой теории, то события 1926 и 1927 годов нанесли классической физике последний удар. После того как это случилось, речь шла уже не о новой теории, призванной сменить старую, а о пересмотре того, что прежде считалось незыблемыми основами.
Первым сотряс каркас картезианской науки Макс Борн, возглавлявший Институт теоретической физики Гёттингенского университета. Этот университетский центр был наиболее активен в развитии квантовой физики, опережая Копенгагенский (под руководством Нильса Бора) и Мюнхенский, где работал Арнольд Зоммерфельд.
В сентябре 1926 года Борн опубликовал статью «Квантовая физика процессов столкновений», которая стала поворотным моментом в истории физики и науки в целом. Поставив под вопрос свято почитаемый принцип причинно-следственного детерминизма (если одни и те же причины порождают одни и те же следствия, то, зная первые, можно предсказать и вторые), он разделил физиков на два лагеря. Один лагерь составили «вероятностники», которые его неожиданную интерпретацию квантовой механики приняли. В другом лагере оказались те, кто, подобно де Бройлю, Шрёдингеру или Эйнштейну, от детерминизма отказываться не пожелал. Эйнштейн резюмировал свое несогласие в письме Борну одной фразой, ставшей знаменитой и многократно впоследствии процитированной: «Бог в кости не играет». На это как будто бы через год на коллоквиуме ему ответил Бор: «Не указывайте Богу, что ему делать».
Борн нашел решение – и оно было по меньшей мере неожиданным и радикальным – той проблемы, которая оставалась гордиевым узлом всей квантовой физики: как объяснить этот странный корпускулярно-волновой дуализм? Каким образом свет, электроны и все прочие составляющие атом частицы могут быть одновременно и рассеянными волнами, и частицами, которые можно локализовать? В отличие от де Бройля, который считал, что частицы «направляются» волнами, или Шрёдингера, придерживающегося полностью «волновой теории», Борн полагал корпускулярную природу первостепенной. А то, что частицы проявляют себя как волны по ходу многих экспериментов, следует, по его мнению, считать «волной вероятности» – реалиям физики такое поведение частиц не соответствует, это плод исключительно теоретических представлений. Эти волны позволяют предсказать процент вероятности обнаружения частицы в том или ином месте.
Нильс Бор (1885-1962), создатель первой квантовой теории атома и достойный конкурент Альберта Эйнштейна
Фото AM Fotografi APS Coll. Archives Larbor.
Наиболее распространенным и наглядным представлением волны являются морские волны или круги, разбегающиеся от брошенного в воду камня. В отличие от частиц, волны не поддаются локализации, они постоянно в движении. У них есть пики (или гребни) и впадины, которые все время перемещаются, но относительно фиксированной точки (например, стоящей на якоре лодки) кажется, что они колеблются вверх и вниз.
Для волновых функций вероятности Борна, эволюция которых во времени описывается уравнением Шрёдингера, эти пики и впадины представляют собой бóльшую или меньшую вероятность того, что изучаемая частица (электрон, фотон и т. д.) находится в данный момент в определенной точке пространства.
Настоящая революционность статьи Борна состоит в утверждении, что вероятности – это максимум знаний, которые мы можем иметь об объектах в квантовом мире. Мы можем, например, знать, с каким процентом вероятности обнаружим частицу в таком-то месте, а результаты многократных экспериментов подтверждают эти статистические прогнозы с поразительной точностью. Таким образом, можно утверждать, что квантовая физика работает – именно поэтому она была почти единодушно принята научным сообществом; исследования в этой области продолжаются по всему миру. Однако предсказать точное местоположение частицы в данный момент времени эта наука не может. Изучая столкновения субатомных частиц, Борн обнаружил, что их траектории не детерминированы и не могут быть предсказаны с той же точностью, как траектории «классических» объектов в рамках ньютоновой физики. Детерминизм в XIX веке персонализирован в образе «демона Лапласа» – это своего рода плод мысленного эксперимента. Согласно этому допущению, если бы некий суперинтеллект (речь изначально идет о существе гипотетическом, вымышленном) мог в один конкретный момент получить полную информацию о положении всех тел во Вселенной и обо всех силах, оказывающих на них воздействие, то он смог бы не только предсказать их состояние в будущем, но и восстановить их прошлое. Такой тезис выдвинул французский математик и физик Пьер-Симон Лаплас (1749–1827), внесший немалый вклад в развитие теоретической физики, основы которой были заложены Ньютоном. Лаплас обеспечил для этой теории прочную математическую основу. Так вот, в квантовой механике всё иначе. Для упрощения мы можем лишь сказать, что, к примеру, данная частица после столкновения с другой частицей будет иметь равные шансы продолжить движение в том или ином направлении, однако предсказать, какой именно путь она выберет в каждом конкретном случае, мы не можем.
При этом в своей научной статье, имевшей поистине историческое значение, Борн с похвалой отзывался о квантовой обработке задачи двух тел, выполненной очень молодым американским исследователем, который в то время работал в Кембридже. Речь шла о Роберте Оппенгеймере. Весьма примечательно, что один из ведущих ученых, директор самого престижного и привлекательного для исследователей института физики, находящегося на переднем крае новой квантовой науки, высказался таким образом о своем тогда еще неизвестном коллеге, опубликовавшем всего две статьи и даже не имевшем докторской степени. О коллеге, которого всего за несколько месяцев до того считали неудачливым и безнадежным экспериментатором. Это дает ясное представление о том, какой впечатляющий поворот произошел в карьере молодого ученого.
Отмеченный за работы по квантовой теории, свободно владеющий иностранными языками, в особенности немецким, Оппенгеймер удостоился чести перевести статью Борна на английский для журнала Nature. Статья представляла собой переработанную версию доклада на съезде Британской ассоциации содействия развитию науки. С того момента у Роберта не оставалось больше сомнений, что его место не в Кембридже, несмотря на присутствие там Дирака и других талантливых теоретиков, а в новом храме современной физики, формирующемся в институте под руководством Макса Борна в Гёттингенском университете.
Придя к этому выводу, Оппенгеймер добивается разрешения от администрации Колледжа Христа провести 1926–1927 учебный год в этом университетском центре, который, будучи моложе Кембриджа, уже завоевал солидную международную репутацию. Под руководством выдающихся математиков XIX и XX столетия – Карла Фридриха Гаусса, Бернхарда Римана и Давида Гильберта – Гёттинген стал одним из мировых центров математической мысли. Именно у Гильберта и его знаменитых коллег Феликса Клейна и Германа Минковского (того самого, что разработал математическое обоснование общей теории относительности Эйнштейна – четырехмерную геометрию пространства-времени) Борн и начинал свое обучение. Под руководством Гильберта он получил докторскую степень по математике.
С момента прибытия в Гёттинген Оппенгеймер стал протеже Борна, который не скупился на похвалы в адрес нового американского сотрудника. Порой даже казалось, что они поменялись ролями: Борн не только восхищался Робертом, но и как будто робел перед ним. Немецкий физик, надо признать, и в самом деле был человеком довольно робким: он старался оставаться незаметным, при этом был полон сомнений и неуверенности. Оппенгеймер же в свою очередь уже не имел ничего общего с закомплексованным студентом из Кембриджа. За считаные месяцы он обрел удивительную уверенность, в ней иногда даже проскальзывала та дерзость, которая была ему свойственна в юные годы в Америке. До нас дошло немало историй, из которых складывается портрет человека, способного без зазрения совести иной раз переступать грань, которая отделяет дерзость от наглости. Так, когда Борн попросил его проверить расчет в статье, которую он собирался представить в журнал, Роберт с апломбом ответил: «Я не нашел ни единой ошибки. Вы действительно сами всё это сделали?» Это был и в самом деле перевернутый мир, ведь Борн учился у величайших математиков своего времени и был дипломированным специалистом в этой области, где его компетенции значительно превосходили знания Оппенгеймера, который, по его собственному признанию, имел лишь неполное математическое образование, а впоследствии заработал репутацию человека, расчеты которого, как правило, приблизительны.
Столь поразительную бесцеремонность Оппенгеймер проявлял не только по отношению к Борну: на семинарах Роберт имел обыкновение перебивать других студентов и даже преподавателя, а также бестактно указывать на их ошибки. Товарищи по учебе в конце концов возмутились и предупредили Борна, что впредь такое поведение американца терпеть отказываются, а если преподаватель его не усмирит, студенты начнут бойкотировать его занятия. Однако, как позже признался сам возмутитель спокойствия, Борн, который был, по сути, «хозяином Гёттингена», не решился пойти на прямую конфронтацию с Робертом. Он прибегнул к уловке: в день, когда заносчивый ученик должен был зайти к своему преподавателю, тот выложил петицию с ультиматумом на самое видное место на своем столе. Выбранный метод смелым не назовешь, но действие он возымел: как только Роберт увидел этот документ, он побледнел, замер, а затем постарался обуздать свое бесцеремонное поведение.
В течение года, проведенного в Германии, Оппенгеймер чувствовал себя совершенно комфортно, иногда даже слишком. Несмотря на свой непростой характер, он вошел в коллектив, был уважаем и почитаем как преподавателями, так и многими студентами. Однако в городской атмосфере уже появились первые признаки нацизма. В глаза бросалось прежде всего то, что страна обеднела: один из сотрудников Института теоретической физики предпочитал парковать свой дорогой автомобиль за городом из опасения вызвать зависть. Что касается самого Роберта, то материально он по-прежнему чувствовал себя совершенно уверенно благодаря поддержке отца – и щедро одаривал товарищей по учебе.
В частности, Оппенгеймер прославился тем, что раздаривал свои вещи тем, кто ими восхищался.
Подарки эти, впрочем, были не всегда бескорыстными. Так, во время поездки на поезде в Гамбург с группой исследователей Шарлотта Рифеншталь (1899–1993), в ту пору юная немецкая студентка, заметила великолепный кожаный чемодан, резко отличавшийся от потрепанного багажа других пассажиров. На вопрос, кому этот чемодан принадлежит, директор Института экспериментальной физики Джеймс Франк (1882–1964) ответил: «Оппенгеймеру, кому же еще?» По прибытии на вокзал Шарлотта не удержалась и сделала Роберту комплимент по поводу того, какой у него красивый багаж. Вскоре он ей этот чемодан подарил, что было, очевидно, неуклюжей попыткой соблазнения. А по возвращении в Соединенные Штаты через несколько лет он пригласил Шарлотту с другими бывшими однокурсниками в родительскую квартиру в Нью-Йорке с явным намерением добиться ее расположения и, возможно, даже сделать ей предложение. Увы, без особого успеха: ее уже вовсю добивался другой физик, Фридрих (Фриц) Хоутерманс (1903–1966), сын голландского банкира и немецкой еврейки. Несмотря на свое происхождение и коммунистические взгляды, он также окажется спустя много лет участником ядерной гонки, только в противоположном лагере… Тем не менее в тот момент именно Хоутерманс завоевал сердце, а затем и руку прекрасной Шарлотты.
Вот уж что никак, похоже, не изменилось для Роберта в лучшую сторону, так это отношения с женщинами. Ни в каких романах за время пребывания в Гёттингене он замечен не был, если не считать этой безответной влюбленности в Шарлотту Рифеншталь. Та уверенность, которую Оппенгеймер обрел в профессии и социальных связях, отнюдь не распространялась на завоевание женских сердец. Впрочем, такое положение дел беспокоило его куда меньше, чем в пору обучения в Гарварде и Кембридже: работа оставляла ему мало времени на флирт.
За год обучения в Гёттингене Оппенгеймер стал автором или соавтором не менее семи научных статей (четыре из них были написаны на немецком). Эти публикации хоть и не были столь эпохальными, как работы Гейзенберга, Дирака, Шрёдингера или Борна, но внесли значительный вклад в квантовую физику. А она продолжала кардинально менять мир науки.
В марте 1927 года Вернер Гейзенберг опубликовал статью, которая стала еще одним серьезным вкладом в строительство здания квантовой физики. В ней он представил концепцию, которую часто называют «принципом неопределенности». Из-за недопонимания, которое вызвало последнее слово, Гейзенберг заменил его на «неточность», а «принцип» (который в контексте математике имеет слишком произвольный подтекст) – на «соотношение». Поэтому более правильно говорить о «соотношении неточностей» (или «неопределенностей»), поскольку речь идет о математической связи между двумя взаимосвязанными переменными (измеримыми величинами).
Вернер Гейзенберг (1901-1976), теоретик бесконечно малого
Фото © AIP Emilio Segre Visual Archives – Все права защищены.
Гейзенберг вынашивал эту идею во время пребывания в Копенгагене, где плодотворно общался с Нильсом Бором (тот заведовал кафедрой физики местного университета). Исходя из положений квантовой теории в том виде, в котором он их сам же и сформулировал, но в рамках математического формализма Дирака, Гейзенберг показал, что если эта теория верна, то существует предел точности, с которой можно определить состояние физической системы. До сих пор считалось, что точность измерений ограничена лишь несовершенством приборов, однако тот предел, который выявил Гейзенберг, оказался принципиально иным: это был фундаментальный предел, заложенный в самой природе вещей – и в силу этого непреодолимый. При измерении двух взаимосвязанных наблюдаемых величин невозможно достичь оптимальной точности для одной из них, не пожертвовав при этом точностью в измерении второй величины. Например, нельзя точно определить положение электрона (его координаты в пространстве), не отказавшись от точного измерения его скорости, равно как и наоборот. Это выводилось из фундаментальных уравнений квантовой физики.
Концепция соотношения неопределенностей Гейзенберга – это то, что нанесло последний удар по классическому представлению о науке, поставив под сомнение еще один из основополагающих принципов: существование реальности, независимой от наблюдателя.
В классической физике и в науке в целом принято считать, что акт наблюдения не вносит изменений в наблюдаемую действительность, которая была бы точно такой же и в том случае, если бы за ней не наблюдал ни ученый, ни вообще кто-либо из людей. Однако, согласно выводам Гейзенберга, есть причина, по которой невозможно одновременно с оптимальной точностью измерить скорость и положение частицы в пространстве (или, в общем случае, две коррелированные наблюдаемые величины, которые физики называют «сопряженными величинами», – например, время и энергию). Состоит же эта причина в том, что при измерении одной из этих величин мы «искажаем» другую – вносим изменения в ее восприятие.
Развивая ту же мысль, Дирак обращал внимание на эту странность квантовой физики: в зависимости от порядка измерения двух сопряженных переменных (например, скорости и положения в пространстве) результат мог быть разным. Математически эта особенность выражается в особом свойстве скобок Пуассона (системе обозначений, которую Дирак выбрал для построения формального математического аппарата квантовой механики), а именно – в некоммутативности: она определяет операции, для которых порядок объектов меняет результат. (Для примера: в элементарной арифметике сложение и умножение коммутативны, а вычитание и деление – нет).
Этот эффект вмешательства, или влияния наблюдателя на наблюдаемую систему, а также некоммутативность, выявленная Дираком, побудили многих ученых отвергнуть квантовую физику и считать ее ошибочной или несовершенной. Эйнштейн, в частности, так никогда и не принял идею о том, что наблюдение или измерение могут сами по себе изменить наблюдаемый результат.
В итоге статья Гейзенберга еще больше обострила разногласия между физиками. Одни ученые были готовы принять подобное переосмысление принципа причинно-следственных связей, из которого вытекала возможность научных прогнозов, а также пересмотреть постулат о том, что наблюдаемый объект не зависит от наблюдателя. Другие считали квантовую теорию несовершенной и полагали, что доработана она может быть лишь в том случае, если будет вновь вписана в схему классической науки.
Оппенгеймер не скрывал своего восхищения Гейзенбергом, с которым у него было много общего. Но между двумя физиками начинало зарождаться соперничество, пусть им и в голову не могло прийти, что оно продолжится много лет спустя и совсем в другой области.
В Гёттингене Оппенгеймер снова встретил еще одну значимую фигуру квантовой физики – Поля Дирака. Тот прибыл в немецкий город в феврале 1927 года и остановился в том же пансионе, где жили Роберт и другие молодые физики. Со времени их знакомства в Кембридже Оппенгеймер поддерживал с Дираком близкие отношения, насколько с ним можно было сблизиться в принципе. Обоих молодых исследователей объединяла страсть к теоретической физике, но во всех иных областях они были очень различны. Все увлечения Оппенгеймера за пределами физики – жадное чтение, любовь к поэзии, иностранным языкам или философии – представлялись Дираку пустой тратой времени.
В Гёттингене, напротив, широкая эрудиция Оппенгеймера и разнообразие его интересов в немалой степени подпитывали то восхищение, которое он вызывал у своих однокурсников и преподавателей. В Кембридже «полиматов» – так прозвали интеллектуалов, владеющих разнообразными (poly) знаниями в различных областях (это и соответствует первоначальному смыслу слова mathesis[25]), – было куда больше, и Роберта они затмевали. А вот в немецком университете такая разносторонность была в диковинку, и это позволяло молодому американцу блистать. Ему, казалось, было особенно важно произвести впечатление на тот круг ученых, в котором он сам вращался. Так, например, когда Оппенгеймер узнал, что двое его друзей читают Данте в оригинале, он целый месяц учил итальянский, чтобы иметь возможность декламировать стихи из «Божественной комедии».
Что же касается Дирака, то он не просто не был впечатлен начитанностью и языковыми талантами своего коллеги из США – он был сбит с толку, а возможно, даже и раздражен из-за того, что Роберт так распыляется. «Мне говорят, что вы пишете стихи, продолжая работы в области физики. Как вы можете совмещать эти два занятия?» – удивился однажды Дирак.
«В физике мы пытаемся сказать то, чего никто раньше не знал, используя слова, которые всем известны. В поэзии всё ровно наоборот…»
В другой раз Дирак высказался более резко: «И зачем вы тратите время на такую ерунду? И, по-моему, вы также уделяете очень много времени музыке и вашей коллекции картин». Заметим, что это был первый случай, когда кто-то упрекнул Оппенгеймера в том, что он уделяет слишком много времени музыке. Как знать, может, среди многочисленных перемен, которые произошли с ним в Германии, было и исцеление от «амузии»[26]? Конечно, меломаном он так и не стал, но и неприязни к этому виду искусства уже не испытывал.
Различия в мировоззрении ничуть не мешали Оппенгеймеру с увлечением следить за работами Дирака, особенно в области теории, которой он впоследствии посвятил много времени, – квантовой электродинамики (КЭД). Это была первая попытка объединить квантовую механику и еще одну ключевую теорию физики XX века – теорию относительности. Согласование этих двух противоборствующих направлений теоретической физики: квантовой механики, описывающей бесконечно малый мир атомных структур, и теории относительности, применимой к бесконечно большому космосу, – и по сей день питает мечту о создании некоей объединительной «супертеории», которая раскрыла бы все тайны материи. И хотя периодически удаются продуктивные попытки сближения двух этих доктрин, в целом они остаются непримиримыми.
Дирак же понял, что к электронам, движущимся со скоростями, близкими к скорости света, уравнения Эйнштейна могут быть применимы. Перевод этой идеи на язык математики и подтверждение ее экспериментальным путем потребовали бы еще годы усилий от физиков, которые вернулись к ней в конце 1940-х годов, чтобы независимо друг от друга завершить ее «перенормировку»[27]: это сделали японец Синитиро Томонага и американцы Джулиан Швингер и Ричард Фейнман. Однако до них, в 1930-е годы, Оппенгеймер посвятил значительную часть своих исследований попыткам определить, что именно не так в первой версии КЭД, предложенной Дираком.
Оппенгеймер пользовался таким авторитетом в Гёттингене, что защита его диссертации воспринималась всеми как простая формальность. Она состоялась 11 мая 1927 года, научным руководителем был директор Макс Борн, а председательствующим профессором – Джеймс Франк, коллега и друг Борна, которого тот поставил во главе Института экспериментальной физики. Иными словами, в комиссии были два главных физика Гёттингенского университета. Оппенгеймер был удостоен докторской степени с отличием, а Франк, покидая защиту, признался, что был рад уйти вовремя. Дело в том, что кандидат, ответив на все заданные вопросы, собрался сам задавать их… и Франк не был уверен, что смог бы ответить на все. Позже Оппенгеймер был весьма самокритичен в отношении своей диссертации и того, как он подошел к теме («Квантовая теория непрерывных спектров»). Тем не менее его коллеги высоко оценили метод расчетов, который был применен в этой работе, – сколь блистательный, столь и сложный. К слову, он и по сей день используется для понимания процессов, которые происходят в ядрах звезд.
Его преподаватели – как новые, так и прежние – не переставали восхищаться работами Оппенгеймера. Еще один американский физик, Эрл Кеннард, называл его одним «из трех гениальных молодых теоретиков», трудившихся тогда в Гёттингене, наряду с Паскуалем Йорданом и Полем Дираком, правда, не мог удержаться и добавлял, что «в этой троице один непостижимей другого». А в США Эдвин Кембл говорил: «Оппенгеймер начинает проявлять себя еще более блестяще, чем мы ожидали, когда он был у нас в Гарварде».
Одно из ярких достижений Оппенгеймера того периода – вклад, который он внес в открытие «туннельного эффекта». Впоследствии оно получило практическое применение: в частности, сделало возможным создание самых мощных из известных на сегодняшний день микроскопов. В основе его лежит явление, которое классическая физика считала невозможным; объяснить его смогла только квантовая теория. Суть состоит в том, что электроны (и другие частицы) способны преодолевать так называемый потенциальный (кулоновский) барьер – своего рода электрический эквивалент стены, через которую тем не менее существуют «проходы» (это и есть тот знаменитый туннель, хотя электроны скорее «просачиваются» через этот барьер, чем «проходят» через него). Это «просачивание» становится возможным именно благодаря волновой природе частиц: они не имели бы достаточно энергии для такого «просачивания», будь их природа только корпускулярной. Именно Оппенгеймер первым дал теоретическое описание этого туннельного эффекта, хотя в то время не осознавал его важности и даже отнес это описание в последнюю из своих «Трех заметок по квантовой теории апериодических эффектов», опубликованных в январе 1928 года. Это квантовое свойство будет, в частности, продемонстрировано в ходе экспериментов по радиоактивному распаду при бомбардировке протонами или в реакциях термоядерного синтеза.
Оппенгеймер стал одним из самых востребованных физиков своего времени: предложения заняться постдокторскими исследованиями или преподавать поступают к нему из крупнейших университетских центров Америки и Европы. Такая перспектива устроила бы и Борна, которому не терпелось избавиться от обременительного ученика: Роберт приобрел слишком большое влияние на своего наставника, и это начало сказываться на уверенности последнего в себе. К тому времени Оппенгеймер и Борн уже работали на равных, и, как бы ни строились их отношения, это сотрудничество было плодотворным. Они опубликовали совместную статью по теме, которая увлекла Оппенгеймера и к которой он уже подступался в Кембридже: применение квантовой механики к молекулам (до этого, напомним, квантовая механика занималась только атомами, причем самыми простыми). Роберт ищет, по сути, ответ на вопрос «Почему молекулы являются молекулами?». Однако квантовое описание такой сложной системы, как молекула, требовало расчетов невообразимой сложности. Для решения этой проблемы оба исследователя и разработали формулу приемлемого упрощения, которое используется и сегодня под названием «приближение Борна – Оппенгеймера».
Публикация этой основополагающей статьи, особенно значимой для начинающейся карьеры Оппенгеймера, вызвала сильное напряжение и, быть может, даже разлад между двумя физиками. Дело в том, что Роберт со своей небрежностью, уже ставшей притчей во языцех, написал пятистраничную рукопись, в которой, по его утверждению, была изложена суть их открытия, и сделал это перед тем, как отправиться на каникулы. Борн же пришел в ужас, обнаружив этот текст, который счел совершенно невразумительным, поэтому он написал гораздо более развернутую и подробную версию, к величайшему неудовольствию Оппенгеймера, который считал свое первоначальное сочинение более чем достаточным.
Тем не менее Борн, несмотря ни на что, Оппенгеймера не оставил – наоборот, он очень переживал за его будущее и позаботился о том, чтобы подыскать Роберту нового научного руководителя, который бы лучше соответствовал столь вспыльчивому характеру. Наиболее подходящим кандидатом он счел Пауля Эренфеста (1880–1993). Борн написал Эренфесту письмо, в котором представил Оппенгеймера весьма необычно – искренне восхваляя достоинства молодого ученого, Борн в то же время жаловался на то, что ему пришлось «пережить» в его обществе. В этом письме он дошел даже до драматических утверждений о том, что его душа «разрушена этим человеком», что «его присутствие уничтожило последние остатки научных способностей» самого Борна. Он утверждал, в частности, что был парализован манией Оппенгеймера «всё знать лучше всех и оспаривать любую предложенную идею». «Внешне он очень скромен, но внутренне очень высокомерен», – добавлял Борн без обиняков, но, надо признать, проницательно. Тому же Эренфесту, у которого, похоже, не возникло подобных сложностей в общении с Оппенгеймером, он впоследствии признался: «Я знаю, что он хороший парень. Но что тут поделаешь, если кто-то все время играет у тебя на нервах!»
Получив докторскую степень, Оппенгеймер отправился в Лейден, чтобы работать с Эренфестом. Хотя с этим ученым у него сложились отличные отношения, сама атмосфера была унылой и Роберт счел этого австрийского исследователя, получившего нидерландское гражданство в 1922 году, расстроенным и подавленным. Эренфест уже страдал от тяжелой депрессии, и причин тому было множество. Стремительное преображение науки рождало у него ощущение, что он не поспевает за ее бурным развитием, и, хотя Эренфест и сам принимал участие в этом процессе, ему было все труднее угнаться за прогрессом квантовой физики. Он славился своей тягой к ясности и предпочитал сложным расчетам физику, которая позволяла прояснять проблемы, а не усложнять их.
Личная жизнь ученого тоже складывалась непросто. Его младший сын Василий (которого в семье называли Вассик) страдал синдромом Дауна, и Эренфест беспокоился, что не сможет позаботиться о нем должным образом. В 1933 году трудности, с которыми сталкивался ученый, привели к трагической развязке: будучи в глубокой депрессии и вдобавок опасаясь, что Вассик станет жертвой нацистской евгеники (в Третьем рейхе была установка на уничтожение психически больных, признанных нежелательными), он застрелился, после того как убил своего пятнадцатилетнего сына. В письме, которое Эренфест оставил ближайшим друзьям, в числе которых были Бор и Эйнштейн, он просил прощения за то, что собирался совершить, и объяснял, что не видит другого выхода. Оппенгеймер, испытывавший искреннюю привязанность к Эренфесту, был потрясен этой драмой, как и все, кто с ним общался. «Ни один из нас, учившихся у него, не будет полностью свободен от чувства вины по поводу его депрессии», – написал тогда Роберт в письме Джорджу Уленбеку, бывшему ассистенту Эренфеста, с которым он познакомился в Кембридже.
Лейден, Нидерланды, лаборатория Хейке Камерлинг-Оннеса, 1926 год. В первом ряду, слева направо: Джордж Уленбек, Гельмут Хёнль, Анри Бернар Жозеф Флорин, Адриан Фоккер, Хендрик Энтони Крамерс и Сэмюэл Гаудсмит.
На заднем плане, слева направо и от переднего ряда к заднему: Карл Ниссен, Поль Дирак, Оппенгеймер, Полак, Татьяна Афанасьева, Пауль Эренфест и Ян Вольтьер
Фото © AIP Emilio Segre Visual Archives – Все права защищены.
Хотя сотрудничество с Эренфестом и не принесло ожидаемых результатов, Оппенгеймер еще некоторое время оставался в Нидерландах и даже читал лекции в Лейдене. Как-то он выкинул один из своих фирменных фортелей, что в итоге лишь укрепило его репутацию: прочитал лекцию на нидерландском, который выучил за несколько месяцев, причем дело не обошлось, надо полагать, без помощи его голландской подружки. Впоследствии Роберт скромно приуменьшил свое достижение, уточнив, что «это вряд ли был очень хороший голландский язык», однако аудитория его усилия оценила. Несколько месяцев он провел в Утрехте, где познакомился с нидерландским физиком Хендриком Крамерсом (1894–1952), бывшим учеником и ближайшим сотрудником Нильса Бора. Там, в Нидерландах, он и получил теплое прозвище Опье: эта уменьшительно-ласкательная версия собственной фамилии на голландском так понравилась Роберту, что он с этим прозвищем больше не расставался, хотя позже, в американской версии, оно звучало уже как Оппи.
После голландского эпизода Опье горел желанием отправиться в Копенгаген к своему кумиру Нильсу Бору. Последний был непререкаемым авторитетом в глазах практически всех молодых физиков, работавших над развитием квантовой механики. Именно у него работал Гейзенберг, когда открыл соотношения неопределенности. А вскоре после этого, в сентябре 1927 года, на конференции Бор представил свой принцип дополнительности и тем самым заложил последний камень в теоретическую конструкцию того, что позже будет названо «копенгагенской интерпретацией квантовой физики».
Эта концепция оставила глубокий след не только в физике, но и в философии – в теории познания в первую очередь. Дополнительность, комплементарность – именно такое решение нашел Бор, для того чтобы разрешить противоречия, перед которыми ставила ученых проблема корпускулярно-волнового дуализма. Как объяснить, что все известные в то время элементарные частицы (а также и те, которые откроют позднее) обладали одновременно свойствами и волн, и частиц, природа которых представлялась в принципе несочетаемой? В противовес гипотезе Шрёдингера, учитывающей лишь волновую природу этих частиц, или подходу Борна, который предлагал считать преобладающими корпускулярные свойства, Бор пришел к выводу, что частицы проявляют себя в том или ином качестве в зависимости от того, как за ними наблюдали и каким способом их измеряли. Собственно, сам акт измерения и «заставлял» микрочастицы проявлять себя то как волны, то как корпускулы. Следовательно, оба определения были верны, но только в рамках экспериментов, которые выявляли соответствующие качества. При этом ни одно из этих определений не было исчерпывающим: по отдельности ни одно из них не давало представление об истинной природе частиц. Они были взаимодополняющими, подобно инь и ян в китайской философии: физик из Копенгагена увлекался восточной мудростью и вдохновлялся ею как в своих работах, так и в своих взглядах на мир. Таким образом, Бор завершил теоретическую конструкцию, которую начал Борн с его вероятностной интерпретацией, а продолжил Гейзенберг с его соотношениями неопределенности. Именно на трех этих столпах и строилась концепция квантовой физики, доминировавшая бóльшую часть XX века, несмотря на сопротивление Эйнштейна и ему подобных, не желавших отказываться от принципов, которые провозглашали причинно-следственный детерминизм и то, что наблюдаемая реальность существует независимо от наблюдателя.
Слева направо: Роберт Оппенгеймер, Исидор Раби, Х.М. Мотт-Смит и Вольфганг Паули на Цюрихском озере (Швейцария)
Фото © AIP Emilio Segre Visual Archives – Все права защищены.
Эренфест рассудил, что Оппенгеймеру в качестве наставника лучше подходит не Бор, а Вольфганг Паули (1900–1958), который в то время работал в швейцарском Цюрихе. Эренфест опасался, что Бор не сможет должным образом «контролировать» необузданность американца, и полагал, что Паули приучит его к дисциплинированности. Будучи немногим старше Оппенгеймера, Паули тоже был из вундеркиндов: в 21 год он написал статью о теории относительности, за которую удостоился похвалы самого Эйнштейна. После этого прославился и в квантовой физике – установил «принцип запрета», согласно которому два фермиона (семейство элементарных частиц, к которому относятся электроны) не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии[28]. Этот принцип позволил лучше понять распределение электронов вокруг атомного ядра.
Характер Паули был полной противоположностью характеру Борна. В ситуациях, когда последний вел себя как интроверт, сложный и сдержанный, первый был резким, задиристым и уверенным в себе, да еще и обладал убойным чувством юмора. «Это не только неправильно, это даже ошибкой нельзя назвать!» – такого рода колкие реплики мог позволить он себе во время научных дискуссий. Еще Паули, как и Оппенгеймер, был несостоятелен в экспериментальной работе. Коллеги высмеивали его, сформулировав еще один «принцип Паули», согласно которому все приборы начинали давать сбой, едва только Вольфганг появлялся в лаборатории.
В общем, оба этих ученых были довольно похожи и от их взаимодействия могли посыпаться искры. Тем не менее они прекрасно поладили, и Роберт, несмотря на проблемы со здоровьем (он постоянно кашлял и у него диагностировали туберкулез), смог после некоторого разочарования в Нидерландах обрести рядом с Паули творческий взлет, как во время пребывания в Гёттингене. Впоследствии Оппенгеймер вспоминал: «Опыт с Паули [Речь идет не о физическом эксперименте, а об их совместной работе. – Прим. ред.] показался мне просто идеальным!» Также в Цюрихе он познакомился и подружился с двумя молодыми исследователями – выходцем из Австро-Венгрии Исидором Раби и немцем Рудольфом Пайерлсом.
Нападок со стороны Паули Роберт всё же не избежал. Как и Дирак незадолго до этого, Паули удивлялся разнообразию интересов американца: он даже как-то заявил, что тот «относится к физике как к обязанности, а к психоанализу – как к призванию». Паули тогда, конечно, не подозревал, что и сам через несколько лет станет одним из физиков, глубоко погруженных в психоанализ. В 1933 году, после тяжелого развода и кончины матери, он впал в глубокую депрессию. Тогда Паули и обратился к Карлу Густаву Юнгу (1875–1961) – ученику Фрейда, затем ставшему его соперником. Юнг разработал теорию, основанную на концепциях коллективного бессознательного и архетипов. Паули очень сблизился с этим психоаналитиком, который интерпретировал многие его сны, и они стали соавторами книги. Столь тесное общение с Юнгом привело физика к границам мистицизма, который так почитал швейцарский психоаналитик, и затянуло гораздо глубже в глубины бессознательного, чем туда когда-либо проникал Оппенгеймер.
Но одно очевидно: Паули сумел «обуздать» Оппенгеймера. Он дошел даже до того, что поставил в вину Роберту его слепое и безоговорочное доверие. Опье урок усвоил. В свою очередь, изучив уравнения, выведенные Паули из электродинамики Дирака, именно Оппенгеймер обнаружил их математический изъян: электронам приписывалась бесконечная энергия. «Исправив» старшего коллегу и наставника, Роберт сделал первый шаг к ренормализации («пересмотру») квантовой электродинамики.
В дальнейшем оба физика поддерживали дружеские отношения и были откровенны друг с другом. На одном из семинаров в США, который Паули посетил несколько лет спустя, он позволил себе бесцеремонно прервать Оппенгеймера во время выступления. За что получил выговор от Крамерса: «Заткнись, Паули, и дай нам послушать Оппенгеймера. Ты потом нам расскажешь, в чем он так сильно не прав!»
Из множества предложений и вакансий Оппенгеймер выбрал возвращение в Соединенные Штаты. После трех лет в Европе он скучал по дому. И хотя Гарвард, его альма-матер, также сделал ему предложение, Роберт сделал свой выбор в пользу Западного побережья, причем нацелился не на один университет, а на два – на Калифорнийский университет в Беркли (его название в США часто сокращают до U-Cal или U-Cal Berkley) и Калифорнийский технологический институт (Caltech) в Пасадене. Первый предлагал, так сказать, девственную территорию в области теоретической физики, где почти все надо было начинать с нуля, и обещал реализовать проект, который для Оппенгеймера в то время был одним из приоритетных. Речь шла об основании настоящей американской школы теоретической физики – в данном случае, разумеется, без квантовой физики обойтись не могло. Стоит отметить, что в этой области американцы плелись в хвосте у европейских коллег – в основном немецких или британских. Когда физик Эдвард Кондон, учившийся в Гёттингене вместе с Оппенгеймером, пригласил Дирака посетить Соединенные Штаты в 1927 году, он получил хлесткий ответ: «В Соединенных Штатах нет физиков!» Пусть это утверждение и было преувеличением, но цель Оппенгеймера была понятна: создать исследовательский центр, который будет так же привлекать молодых талантливых ученых, как и крупные европейские центры.
В отличие от университета в Беркли, Калифорнийский технологический институт уже имел хорошо зарекомендовавший себя физический факультет. Это позволяло Оппенгеймеру поддерживать связи с ведущими учеными, не слишком уходить в теоретическое затворничество, быть в курсе последних разработок и… подвергаться критике.
Эти взаимодополняющие друг друга учебные заведения имели еще одно важное преимущество: они были расположены в Калифорнии, то есть куда ближе к обожаемому Оппенгеймером Нью-Мексико, чем исследовательские центры Восточного побережья, где он вырос (Нью-Йорк, Гарвард), и все прочие центры, которые могли бы претендовать на него (такие как Принстон, Массачусетский технологический институт в Бостоне или Чикагский университет). При первой возможности Оппенгеймер этим пользовался: срывался в свой любимый штат и там встречался с Кэтрин Пейдж на ее ранчо Лос-Пинос. Он даже отыскал в тех краях в 1928 году небольшой домик, аренду которого оплачивал его отец, прежде чем Роберт смог его выкупить. Когда Кэтрин показала ему в первый раз этот дом и сказала, что он свободен, Роберт воскликнул: «Hot dog!» Это американское сленговое выражение можно перевести как «Обалдеть!» или «Вот это да!». Его подруга, потомок идальго, поправила: «Нет, по-испански это будет „Perro caliente!“» Ранчо так и назвали – Перро Кальенте, и оно стало для Оппенгеймера любимым местом отдыха, куда он любил сбежать от университетской и научной суеты, часто в сопровождении близких друзей или брата Фрэнка.
Итак, Роберт Оппенгеймер приступил к своим обязанностям в Беркли осенью 1929 года, а в Калтехе – в следующем семестре.
Первые шаги в преподавании дались ему непросто. Многие из тех, кто учился у него первый год в Беркли, жаловались, что занятия Оппенгеймера были слишком сложными, порой непонятными. Говорил он быстро и тихо, иной раз почти неслышно. И если первый недостаток Роберт впоследствии еще как-то пытался исправить (нервозность начинающего преподавателя часто проявляется в слишком сбивчивой речи), то со вторым даже не пытался бороться и почти всегда говорил полушепотом. Он писал уравнения на доске вразброс, без всякой организации, постоянно держа сигарету в руках. Один из его учеников позже заметил с юмором: «Я всегда ожидал, как он начнет писать сигаретой, а курить станет мел!» Стоит отметить, что уже к тому времени Оппенгеймер пристрастился курить без перерыва, чередуя сигареты и трубку, а его пальцы были желтыми от никотина.
Но главное, он был невероятно требователен к своим ученикам и преподносил им сложную и новую теорию так, словно это было нечто само собой разумеющееся. Занятия он вел исключительно со студентами магистратуры (теми, кто уже получил диплом бакалавра), часто уже готовящими диссертации, но даже их высокого уровня не всегда хватало, чтобы посещать занятия нового преподавателя. Репутация загадочности, сложившаяся вокруг Оппенгеймера и его предмета, не помешала ему пробудить в своих учениках восхищение и очарование – возможно, она отчасти даже способствовала этому…
Оппенгеймер смог подкорректировать свои изъяны и вскоре стал одним из самых уважаемых и востребованных преподавателей физики в США. За несколько лет ему удалось осуществить свой замысел по созданию американской школы теоретической физики: он привлек в Калифорнию самых перспективных и блестящих молодых исследователей. Джозеф Вайнберг, один из этих счастливых первопроходцев новой физики в Беркли, сформулировал: «Бор был Богом, а Оппи – его пророком». Оппенгеймер сформировал круг учеников, которые не только получали у него знания, но и старались ему подражать, преклонялись перед ним. Они имитировали его причуды и тики, его отрывистую и невнятную дикцию, а также его манеру разделять фразы характерным «ним-ним-ним» – этим негромким назальным звуком, за который саркастичный Паули прозвал Роберта «ним-нимчиком», а круг его юных поклонников – «ним-ним-мальчиками».
Некоторые перенимали даже его стиль одежды, резко контрастировавший с образом типичного университетского профессора. Оппенгеймер предпочитал джинсы и ремни с пряжками, как у ковбоев Нью-Мексико, и почти не расставался со своей широкополой шляпой. Если впоследствии он и стал одеваться более академично, то его знаменитая шляпа pork pie осталась неотъемлемой частью его образа навсегда.
Студенты буквально обожали Оппенгеймера, потому что его методы преподавания разительно отличались от общепринятых в академическом мире. Возможно, вспоминая о сократических методах некоторых своих преподавателей из Школы этической культуры, он стремился вовлекать учеников в дискуссии, поощрял диалог и вопросы. С этой целью он установил ежедневный ритуал: все докторанты собирались в большом помещении, где у Оппенгеймера не было своего письменного стола – был только большой стол посередине, заваленный бумагами. Каждый студент по очереди представлял свои работы, говорил о проблемах, с которыми сталкивался, что позволяло охватить чрезвычайно разнообразные области исследований.
Для многих своих учеников Роберт был не просто наставником и образцом для подражания – он был другом, а иногда и кем-то вроде отца. К тому же для них он всегда оставался Оппи.
Увлечение преподаванием не помешало Оппенгеймеру столь же интенсивно заниматься и научной работой. Одним из качеств, которые в нем больше всего впечатляли коллег, была способность охватывать все области физики и проникать в суть различных проблем, в чем ему помогали, как мы теперь понимаем, его студенты, которые занимались исследованиями по самой разнообразной тематике. В этом, возможно, была также и его ахиллесова пята, поскольку универсальность мешала углубляться в некоторые сферы знаний, путь к которым Оппенгеймер так блестяще прокладывал.
Паули не ошибался, когда в бытность научным руководителем Оппенгеймера в Цюрихе отмечал: «Его слабость состоит в том, что он слишком быстро удовлетворяется неубедительными результатами и не ищет ответы на свои вопросы, часто весьма интересные, по причине недостаточной настойчивости и тщательности, оставляя в итоге поднятые проблемы на стадии неполного осмысления догадки, уверенности или сомнения».
В годы преподавания в Беркли и в Калтехе Оппенгеймер продолжал активно публиковаться. Почти все статьи того периода написаны им в соавторстве с тем или иным из учеников.
Многие профессора привлекают своих учеников для выполнения рутинной работы, а потом пожинают плоды их усилий; Оппенгеймер же соавторством предоставлял своим студентам трамплин.
Это не говоря о том, что он часто помогал выбираться из тупиков, в которые они забирались в ходе своих исследований.
Оппи с тем большим рвением продолжил свои исследования, что период был крайне благоприятен для теоретической физики. 1932 год оказался особенно щедрым на открытия. Сначала Джеймс Чедвик в Кавендишской лаборатории открыл нейтрон. Затем Карл Д. Андерсон в Калтехе – позитрон. Наконец, снова в Кавендишской лаборатории Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон провели первый эксперимент по искусственному расщеплению атома. Бомбардируя ядра лития при помощи ускорителя протонов, эти два сотрудника Эрнеста Резерфорда и в самом деле добились их распада на две α-частицы (ядра гелия).
Оппенгеймер не всегда был на передовой по всем этим направлениям исследований и даже упустил несколько шансов совершить исторический прорыв в своей области, который, возможно, позволил бы ему получить Нобелевскую премию (в списке достижений Оппенгеймера этой награды нет). Предыдущий год был отмечен для него тяжелой утратой: его мать умерла от лейкемии 17 октября 1931-го. Эта преждевременная кончина – Элле было всего 62 года – способствовала, однако, сближению Роберта с отцом, с которым у него в подростковом возрасте были, как мы помним, сложные отношения. Чтобы смягчить боль утраты и уберечь отца от одиночества, Роберт регулярно приглашал его к себе в Калифорнию и охотно знакомил со своими многочисленными друзьями. Молодой преподаватель тем не менее и сам был глубоко подавлен: он признался Герберту Смиту, наставнику и другу, которым очень дорожил, что после смерти матери ощущает себя «самым одиноким человеком на свете».
Однако только этой скорби недостаточно, чтобы объяснить один из величайших провалов в его карьере, который, как ни парадоксально, является и одним из его самых значительных достижений. История физики действительно зафиксировала, что Карл Андерсон, учившийся в Калтехе в то время, когда там преподавал Оппенгеймер, экспериментально доказал существование позитрона, подтвердив тем самым предсказание, которое содержалось в уравнениях квантовой электродинамики Дирака. Именно это открытие принесло обоим исследователям Нобелевскую премию по физике: Дирак получил ее в 1933 году вместе со Шрёдингером, а Андерсон – в 1936 году вместе с Виктором Францем Гессом. Роль Оппенгеймера в этом открытии, напротив, была практически забыта. Однако именно он в 1930 году обнаружил, что квантовая электродинамика Дирака предполагает существование неизвестной тогда частицы с положительным зарядом, но идентичной электрону по массе. Сам Оппенгеймер, однако, не верил в существование этого антиэлектрона, который позднее переименовали в «позитон», а затем уже – в «позитрон». Роберт видел в этом, напротив, доказательство того, что уравнения Дирака несовершенны. Андерсон же, изучая космические лучи, случайно получил подтверждение существования этих частиц, а заодно открыл целый мир, который был от нас скрыт: мир антиматерии, являющийся негативом или зеркальным отражением известной материи, впервые проявился в открытии позитрона. Что касается Оппи, то он был прав в квантовой электродинамике, но сделал из этого неверные выводы.
Наиболее значимая тема исследований, над которой Оппенгеймер работал в 1930-е годы и которая, по мнению авторитетных физиков, могла бы принести ему Нобелевскую премию, если бы он прожил на несколько лет дольше, тогда была, без сомнения, наименее замеченной. Это служит еще одним подтверждением разнообразия его научных интересов, так как Роберт вторгся в область астрофизики – новой для него сферы.
Что происходит со звездами после их «смерти», когда они исчерпывают свои запасы «топлива» (в данном случае водорода) и сжимаются под действием собственной гравитации. В зависимости от начальной массы звезды это сжатие может проходить через различные фазы, каждая из которых сулит все более «плотное» состояние (белые карлики, нейтронные звезды) и возможные «взрывы сверхновых звезд». Но что же происходит, если это сжатие не прекращается? Ответ содержался в уравнениях общей теории относительности, представленных Эйнштейном в 1915 году, и в их решении, которое предложил в следующем году Карл Шварцшильд (1873–1916). С математической точки зрения это представляет собой сингулярность – выход за пределы разумных значений, когда уравнения словно с цепи срываются и начинают выдавать безумные значения, физическая интерпретация которых выходит за рамки нашего понимания. Реальность, которая соответствовала бы этой сингулярности, крайне трудно себе представить: уплотнившийся до такой степени объект притягивал бы к себе не только окружающую материю, но и свет внутри сферы определенного размера (называемом «горизонтом событий»); мало того, под воздействием его колоссальной гравитационной силы само время изменило бы свой ход. В своей общей теории относительности Эйнштейн показал, что гравитация время «растягивает». А Оппенгеймер и его соавтор Хартланд Снайдер (1913–1962), в ту пору один из самых талантливых математиков в его «берклийской группе», использовали в статье «О безграничном гравитационном сжатии» остроумный метод, который затем применялся во многих научно-популярных работах. Они сравнили восприятие времени внешним наблюдателем с тем, как воспринимает время другой наблюдатель, которого «затянуло» в сердце этого сверхплотного звездного вещества. То, что под их пером было лишь теоретическим предположением, впоследствии стало одним из самых увлекательных направлений исследований в астрофизике – черные дыры, названные так потому, что они поглощают свет в своем окружении. Но в момент публикации новаторский характер этой статьи не был замечен научным сообществом. Вероятно, и сам Оппенгеймер не осознал его значимости. Несмотря на это, с учетом последующего развития физики черных дыр эту публикацию следует признать одним главных достижений Оппенгеймера как исследователя.
На горизонте, однако, уже просматривались другие события – исторические, и они явно затмевали и отодвигали на второй план научные озарения в глазах всех, в том числе и самого автора этих открытий: 1 сентября 1939 года он с тревогой узнал о вторжении войск Третьего рейха в Польшу, что стало началом Второй мировой войны.