Оппенгеймер. Триумф и трагедия Американского Прометея
Шрифт:
В отличие от друга Оппенгеймер проявлял безразличное отношение к роли денег в своих исследованиях. Когда один из аспирантов попросил его письмом собрать денег на конкретный проект, Оппи ответил в свой причудливой манере: «[От исследований] как и от вступления в брак и написания стихов следует отговаривать, и происходить они должны исключительно вопреки отговору».
Четырнадцатого февраля 1930 года Оппенгеймер закончил писать судьбоносный научный труд «О теории электронов и протонов». Отталкиваясь от уравнения электрона Поля Дирака, Оппенгеймер утверждал, что у электрона должен быть положительно заряженный близнец и что его масса должна быть равна массе электрона. Вопреки утверждению Дирака, протон не мог быть этой частицей. Оппенгеймер предсказал
Поначалу Дираку самому не нравилась собственная гипотеза. Вольфганг Паули и Нильс Бор с жаром ее отвергли. «Паули назвал ее бессмыслицей, — впоследствии говорил Оппенгеймер. — Бор считал ее не только бессмыслицей, но и совершенно невообразимой вещью». В 1932 году физик-экспериментатор Карл Андерсон доказал существование позитрона — положительно заряженной античастицы, противоположной электрону. Открытие Андерсона было сделано ровно через два года после того, как Оппенгеймер предсказал существование частицы путем теоретических расчетов. Еще через год Дирак получил Нобелевскую премию.
По всему миру физики спешили разрешить один и тот же перечень задач, между учеными шло ожесточенное соревнование. Роберт стоял в стороне от этой гонки, но тем не менее одерживал успех за успехом. Работая лишь с небольшой группой студентов, он умудрялся перескакивать с одной критической задачи на другую и вовремя публиковать короткую заметку по конкретному вопросу, на месяц или два опережая конкурентов. «Просто удивительно, как Оппенгеймер с его группой успевали что-то сказать о решении задачи одновременно с конкурентами», — вспоминал коллега по Беркли. Результат подчас бывал не очень изящен и даже не совсем точен, после чего его подчищали другие. Зато Оппенгеймер безошибочно ухватывал суть. «Оппи очень хорошо видел физику целиком и умел сделать расчеты на почтовом конверте, получая все нужные параметры. <…> Что касалось красивого завершения работы, характерного для Дирака, это было не в духе Оппи». Он работал «быстро и неизящно, подобно тому, как американцы клепают машины».
В 1932 году из английского Кембриджа в Беркли приехал и получил возможность понаблюдать за работой своего бывшего студента один из преподавателей Оппи по Кембриджу Ральф Фаулер. Вечерами Оппи побуждал Фаулера по нескольку часов разыгрывать особенно сложные варианты своей игры в блошки. Через несколько месяцев, когда Гарвард пытался переманить Оппенгеймера из Беркли, Фаулер писал, что «его работа из-за невнимательности изобиловала ошибками, однако сама работа в высшей степени оригинальна и оказывает невероятно стимулирующее воздействие на теоретическую школу, в чем я имел возможность убедиться осенью прошлого года». Роберт Сербер соглашался: «Физика Оппи хороша, но арифметика ужасна».
Роберту не хватало терпения подолгу задерживаться на одной задаче. В итоге он нередко оставлял открытой дверь, в которую заходили и делали крупные открытия другие. В 1930 году он написал получившую большую известность работу о бесконечной природе спектральных линий с точки зрения прямой теории. Расщепление спектральной линии водорода предполагало наличие небольшого перепада в уровне энергии между двумя возможными состояниями атома водорода. Дирак утверждал, что эти два состояния водорода должны иметь одинаковую энергию. В своей работе Оппенгеймер придерживался иного мнения, однако полученные им результаты были неубедительны. Через несколько лет задачу решил один из аспирантов из группы Оппенгеймера, физик-экспериментатор Уиллис Ю. Лэмб-младший. Так называемый «сдвиг Лэмба» правильно отнес разницу между двумя уровнями энергии на счет процесса взаимодействия заряженных частиц
За эти годы Оппенгеймер написал важные и даже основополагающие работы о космических лучах, гамма-излучении, электродинамике и электрон-позитронных потоках. В области ядерной физики он и Мельба Филлипс рассчитали выход протонов при реакциях дейтерия. Филлипс, родившаяся на ферме в Индиане в 1907 году, была первой соискательницей на докторскую степень, учившейся у Оппенгеймера. Их расчеты выхода протонов получили широкую известность как «процесс Оппенгеймера — Филлипс». «Это был человек идей, — вспоминала Филлипс. — Он не делал великих открытий, но посмотрите, какие чудесные идеи он выдвигал вместе со своими студентами».
Физики едины во мнении, что наиболее поразительную и оригинальную работу о нейтронных звездах Оппенгеймер выполнил в конце 1930-х годов; само явление астрономы смогут наблюдать только в 1967 году. Интерес к астрофизике пробудила дружба с Ричардом Толменом, познакомившим Роберта с астрономами, работавшими в обсерватории Маунт-Уилсон в Пасадене. В 1938 году Оппенгеймер вместе с Робертом Сербером написал работу «Устойчивость ядер нейтронных звезд», исследующую характеристики некоторых крайне плотных звезд под названием «белые карлики». Через несколько месяцев он принял участие в подготовке с еще одним студентом, Джорджем Волковым, новой работы — «О ядрах массивных нейтронных звезд». Сделав тщательные расчеты на логарифмической линейке, Оппенгеймер и Волков предположили существование верхнего предела массы нейтронных звезд, получившего название «предела Оппенгеймера — Волкова». В случае превышения предела звезды теряли устойчивость.
Прошло еще девять месяцев, и 1 сентября 1939 года Оппенгеймер и еще один студент, Хартланд Снайдер, опубликовали статью под названием «О непрерывном гравитационном сжатии». В историю эта дата, разумеется, вошла как день нападения Гитлера на Польшу и начало Второй мировой войны. Однако эта публикация тоже стала выдающимся событием. Физик и историк науки Джереми Бернштейн назвал ее «одной из величайших научных работ XX века в области физики». В свое время она не привлекла много внимания. И лишь значительно позже физики поймут, что в 1939 году Оппенгеймер и Снайдер открыли дверь в физику XXI века.
Они начали работу с вопроса — что произойдет, если массивная звезда выгорит, истощив все топливо. Их расчеты показали, что вместо коллапса и превращения в «белого карлика» звезда с ядром массой выше определенного предела — предположительно в два-три раза превышающей массу Солнца — будет бесконечно сжиматься под воздействием собственной гравитации. Основываясь на общей теории относительности Эйнштейна, они утверждали, что подобная «сингулярность» сожмет звезду до такой степени, что даже световые волны не смогут преодолеть притяжения ее всепоглощающей гравитации. Если смотреть на нее издали, такая звезда попросту исчезнет, скроется на фоне вселенной. «Сохранится лишь ее гравитационное поле», — писали Оппенгеймер и Снайдер. Таким образом она превратится в черную дыру, хотя в статье этот термин не использовался. Идея звучала интригующе, но слишком уж экстравагантно. Поэтому научную работу проигнорировали, а расчеты приняли за очередной математический курьез.
И только начиная с 1970-х годов, когда технология астрономических наблюдений догнала теорию, астрономы обнаружили множество таких черных дыр. В это время компьютеры и технический прогресс радиотелескопов сделали теорию черных дыр центральным элементом астрофизики. «Работа Оппенгеймера и Снайдера, если оглянуться назад, представляла собой на удивление полное и точное математическое описание коллапса черной дыры, — заметил Кип Торн, физик-теоретик из Калтеха. — Людям той эпохи было трудно понять их статью, потому что вещи, выявленные с помощью математики, сильно отличались от умственных представлений о том, как должны себя вести объекты вселенной».