Одессит Георгий Гамов способствовал началу научной революции в двух отраслях — космологии и генетике. И хотя ему самому не довелось стать нобелевским лауреатом, однако он щедро «раздавал» премии своим последователям.
Как переплыть в лодке Черное море, как понять, что происходило во Вселенной в первое мгновение ее существования, как католическая церковь определила победителя в научных дебатах — расскажем в нашей статье про выдающихся ученых.
Одесский период
Георгий (Джордж) Гамов, которого обычно звали Джо, родился в Одессе 4 марта 1904 года. Первые годы его жизни выдались вполне счастливыми, он был единственным ребенком в богатой семье. Отец — полковник царской армии — окончил Одесский университет и преподавал словесность в гимназии, дед по матери был митрополитом, настоятелем Одесского собора.
В 1913 году семью постигла трагедия: умерла мать Георгия. Через год разразилась Первая мировая война. Для маленького мальчика наступило тяжелое десятилетие. В Одессе царили холод и голод: не хватало даже питьевой воды из-за перебоев в работе насосов, а все деревья когда-то зеленого города срубили для обогрева.
Но даже в такие тяжелые времена Джо пытался получить образование. В 1922 году он поступил в Одесский университет, чтобы изучать физику, но все занятия были отменены из-за недоступности инструментов и материалов. Лекции по математике читали в темноте, поскольку не было электричества. Услышав, что в Петрограде дела обстоят лучше, Гамов решил перевестись в тамошний университет. Отец продал последнее семейное серебро и отправил сына в дорогу.
Учебу Джо был вынужден совмещать с работой. В 1924-м он преподавал физику в артиллерийской школе. Его оформили как полевого армейского полковника, выдали военную форму и буденновку с красной звездой. И хотя преподавал он в ранге полковника всего год, эта история повлияла на его карьеру в будущем.
Побег на Запад
После окончания университета Гамов поступил в аспирантуру, а в 1928 году получил трехмесячную стипендию на обучение в Геттингене — древнем немецком городе университетов. Европейское научное сообщество увидело в молодом физике большой потенциал, что позволило ему получить еще несколько более длительных стипендий. Георгий пробыл в Европе три года. Над своими научными проектами он работал в Оксфордском университете и в Институте теоретической физики в Копенгагене. Джо планировал продолжить исследования за границей, однако срок действия его визы истек. Советское представительство в Дании рекомендовало ему вернуться в СССР, чтобы получить новый паспорт. Ученый приехал на родину, но в выдаче документа ему было отказано, поэтому он стал невыездным.
Времена изменились. Сталинизм превратился в репрессивную машину даже в такой абстрактной отрасли, как теоретическая физика. Подозревали каждого, кто имел желание выехать за границу.
Однажды Джо читал популярную лекцию по квантовой механике в Доме ученых. Его прервали посреди рассказа о соотношении неопределенности Гейзенберга. Слушателей отпустили, а ученому запретили поднимать эту тему, поскольку она не соответствовала догмам диалектического материализма.
Гамов начал обдумывать план побега. Однажды ясным летним утром вместе с молодой женой Любовью Вохминцевой (в семейном кругу ее называли «Ро» — как греческую букву) он сел в двухместную лодку и от крымского берега отчалил в направлении Турции. Ночью на следующие сутки их путешествия начался шторм. Джо пытался удержать лодку, а Ро вычерпывала воду. Под утро они увидели песчаный берег и из последних сил доплыли к нему. Супруги оказались всего в нескольких километрах от места, откуда стартовали.
Через год Джо и Ро все же смогли сбежать. Определенную роль в этом сыграл Нильс Бор. По его инициативе Поль Ланжеван, руководитель элитного Сольвеевского конгресса, в 1933 году обратился к советскому руководству с просьбой, чтобы Гамова как представителя СССР направили на это научное мероприятие, чтобы ученый принял в нем участие. План сработал. Георгий получил паспорт и разрешение вместе с супругой посетить Брюссель. Оттуда они больше не вернулись.
Если бы ученый не уехал из сталинского Советского Союза в 1933 году, то почти гарантированно был бы арестован в ходе репрессий конца 1930-х. Лучший друг Джо — физик Лев Ландау — в то время чуть не погиб, проведя год в тюрьме.
От ядерной физики до ядерной астрономии
В начале лета 1934 года супруги на пароходе прибыли в Соединенные Штаты. В том же году Джо приступил к работе в Университете Джорджа Вашингтона. Первым проектом профессора Гамова была организация ежегодной неформальной конференции по теоретической физике, которую частично финансировал университет. Со временем мероприятие приобрело популярность, его посещали десятки действующих и будущих нобелевских лауреатов.
Жизнь семьи за океаном налаживалась. 4 ноября 1935 года Ро родила сына Игоря Рустема.
Георгий Гамов вплотную подошел к пониманию процессов деления ядра, он первым начал рассматривать атомное ядро как каплю колеблющейся «ядерной жидкости», а это стало ключом к допущению возможности расщепления его надвое. Впоследствии Джо мог стать участником Манхэттенского проекта и создавать атомную бомбу, однако этому помешал ранг полевого полковника советской армии. Возможность присоединиться к программе появилась уже после Хиросимы.
В середине 1930-х Гамов решил оставить ядерную физику и взяться за какую-нибудь новую научную проблему. Как он отмечал в одном из последних интервью: «Мне нравится быть пионером. Я решил выбрать никем не занятую нишу и остановился на ядерной физике. Но потом эта отрасль приобрела популярность, поэтому я перешел в ядерную астрономию, ядерную астрофизику, космологию».
На тот момент процессы в ядрах звезд показались Гамову подходящей темой. В 1938 году Ганс Бете доказал, что энергия Солнца происходит преимущественно из ядерного цикла превращения водорода в гелий. Однако вопрос о том, как образовались все остальные химические элементы, оставался открытым. Бете подчеркнул, что в обычных звездах не могут формироваться элементы тяжелее гелия. А если это так, то откуда же они берутся?
Джо выдвинул гипотезу о том, что они сформировались в первобытной, очень плотной Вселенной, буквально в первые секунды после начала ее расширения.
Вселенная после первого мгновения
Логичным продолжением этой темы для Гамова стало исследование вопроса, какие же процессы имели место в начале существования Вселенной, прежде чем образовались звезды, планеты и даже атомы. Ученый объединил знания в области космологии, Общей теории относительности и ядерной физики. Таким образом, он впервые выдвинул обоснованное предположение о том, что на самом деле происходило во Вселенной после первого мгновения.
Сценарий Гамова начинается с густого газа нейтронов. По прошествии времени они распадаются на протоны и электроны, в результате дальнейших объединений протонов с нейтронами образуются все более и более тяжелые ядра. В конце концов, Вселенная, которая продолжает расширяться и охлаждаться, достигает точки, когда электроны начинают объединяться с ядрами. Так появляются атомы.
Формирование ядер началось после снижения температуры до точки, когда нейтрон и протон смогли связываться друг с другом и образовывать дейтрон (ядро тяжелого стабильного изотопа водорода — дейтерия). Эта отметка составляла около миллиарда градусов по Цельсию. С тех пор, согласно предположению Гамова, в остывшей и расширяющейся Вселенной началось стремительное образование более тяжелых ядер.
По этим результатам Георгий Гамов и его аспирант Ральф Алфер в 1948 году подготовили краткую статью. Она была опубликована 1 апреля и стала классической шуткой Джо. Хотя всю работу проделали Алфер и Гамов, последний не удержался от альтерационного обращения к греческому алфавиту и внес в список авторов имя своего друга Ганса Бете. Так появилась знаменитая «альфа-бета-гамма-статья». Бете спокойно воспринял известие об этой публикации и даже назвал шутку изысканной.
В 1967 году Бете стал первым астрофизиком, получившим Нобелевскую премию по физике «за вклад в теорию ядерных реакций, а в особенности за открытия, касающиеся производства энергии в звездах».
В том же году к команде Алфера и Гамова присоединился молодой физик Боб Герман. Впрочем, он отказался сменить фамилию на «Дельтер», как хотел Джо.
Работая вместе, ученые поняли, что они забыли внести в энергетический баланс ранней Вселенной фотоны. А это было существенное упущение, поскольку фотоны — кванты электромагнитного излучения — имеют энергию, пропорциональную температуре в условиях, подобных тем, в которых формируются атомные ядра.
Церковь за теорию Гамова
Пока Гамов с коллегами боролись с трудностями и пытались завершить свою картину эволюции Вселенной, к их заботам добавилась конкурирующая теория. Если модель Джо базировалась на расширении Вселенной, которое началось в результате взрыва, то другая модель провозглашала, что Вселенная не имела начала и не будет иметь конца. Ее авторами были трое кембриджских ученых: Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл — математик, инженер и физик соответственно.
Хойл, активно пропагандировавший свою теорию «вечной Вселенной», в серии лекций на телеканале BBC насмешливо назвал представления Гамова о происхождении Вселенной «Большим взрывом». По иронии судьбы, дав теории своего оппонента такое запоминающееся имя, Хойл невольно популяризировал ее.
Теория стабильного состояния Вселенной многим казалась более удачной с точки зрения философии и науки. Однако и у теории Большого взрыва также были свои приверженцы. Одним из них оказался римский папа Пий XII. Обратившись в Папскую академию наук, он выбрал победителя в научных дебатах, заявив, что идея Вселенной с внезапным началом — это доказательство существования Творца.
Доказательства теории Большого взрыва
В науке часто так бывает: один человек видит проблему, другой ее формулирует, группы ученых пытаются найти ответ, а потом кто-то предлагает четкую и понятную разгадку. Экспериментально доказать теорию Большого взрыва смогли уже другие продолжатели дела Гамова.
В 1963 году молодые исследователи Арно Пензиас и Роберт Вильсон, работавшие в лабораториях Белла в штате Нью-Джерси, получили разрешение на использование радиотелескопа, обеспечивавшего связь с недавно запущенным спутником Echo 1. Лаборатории Белла спонсировали как фундаментальные, так и прикладные исследования. Их стратегия заключалась в том, что если талантливым ученым дать свободу заниматься любыми темами, работая ради научного поиска, они смогут создать и коммерчески полезный продукт. Ярким примером действенности такой политики стало открытие транзистора.
С помощью телескопа Пензиас и Вильсон стали изучать радиоизлучение звезд нашей Галактики. Но для начала им нужно было избавиться от фонового шума, который они постоянно регистрировали во время наблюдений. Ученые приложили немало усилий, но он так и не исчез. Астрономы поняли, что наблюдают реальное излучение из космоса, но не подозревали, что оно означает.
Одновременно группа из четырех исследователей, работавших в Принстонском университете под руководством Роберта Дике, пришла к выводу, что от ранних событий в истории Вселенной должен остаться «электромагнитный след». Молодой принстонский теоретик Джим Пиблз объяснил, какое именно излучение следует ожидать увидеть, если Вселенная действительно началась с Большого взрыва. Он подготовил отчет в начале 1965 года, осуществив те же расчеты, что и группа Гамова пятнадцать лет назад, только более тщательно и с более точными данными.
Вскоре Принстонская группа узнала про шумы неопределенного происхождения, открытые Пензиасом и Вильсоном. Приехав в Лабораторию Белла, ученые сразу поняли, что их опередили.
Физики договорились отправить в печать сразу две статьи: одну — от группы из Лабораторий Белла с описанием наблюдений, вторую — от принстонской группы с теоретическим обоснованием полученных данных. Увидев эти статьи, Джо обрадовался и в то же время разозлился. Обрадовался по поводу открытия, а разозлился из-за того, что ему, Алферу и Герману не отдали должного за их предсказание.
В 1978 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон разделили Нобелевскую премию по физике «за открытие космического микроволнового фонового излучения». В 2019-м Нобелевский комитет присудил очередную премию по физике, половину которой получил Джеймс Пиблз «за теоретические открытия в физической космологии».
Гамов и ДНК
Эти «нобелевки» — далеко не все награды, связанные с Гамовым. Он обладал чрезвычайной научной интуицией и проницательностью видеть то, что для других было закрытой книгой. В 1953 году заинтересованность ученого «пионерскими» исследованиями привела его в другую область — генетику. Хотя теория Гамова по поводу строения аминокислот оказалась неверной, однако он побуждал к размышлению ученых, которые заложили основы современных представлений в этой области.
В 1954 году Гамов стал инициатором создания так называемого Галстучного клуба РНК. Общество должно было насчитывать 20 участников, каждый из которых получал прозвище по названию аминокислоты (например, Джо стал «аланином»). Этими прозвищами они подписывали письма, в которых говорилось о РНК. Георгий заказал участникам специальные галстуки и шпильки с первыми тремя буквами аминокислот, а также канцелярские принадлежности с лозунгом «Иди до конца или не начинай». Двое участников Галстучного клуба — Френсис Крик и Джеймс Ватсон — выяснили принципы того, как на самом деле ДНК участвует в синтезе белков, за что в 1962 году были также отмечены Нобелевской премией.
Одних лишь научных открытий ему было мало: Джо стал блестящим популяризатором науки и издал почти два десятка книг для широкой аудитории. В 1968 году Георгий Гамов покинул этот мир в Болдере (штат Колорадо), получив заслуженную всемирную известность.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
