Игорь Тамм. Жизнь и научные достижения Нобелевского лауреата
страница №2
...ассматривалась (механической или химической), есть состояние неустойчивого равновесия, в поддержании которого и заключается жизнь".В статье о Нильсе Боре Тамм указывал, что, в частности, Бор не раз писал о применении принципов неопределенности и дополнительности в биологии.
Тамм цитирует взгляды Бора на природу жизни, которые интересно эволюционировали за время немногим более 20 лет.
"Природа жизни" еще до Бора привлекала внимание молодого Френкеля, и, воспроизводя две цитаты из статьи Тамма, мы хотим подчеркнуть не только эволюцию взглядов Бора, о которой пишет Тамм, но и сходство интересов двух теоретиков Бора и Френкеля (не сравнивая, конечно, роль этих ученых в развитии физики).
Первое высказывание Бора относится к 1937 году: "Мы вынуждены принять, что собственные биологические закономерности представляют законы природы, дополнительные к тем, которые пригодны для объяснения свойств неодушевленных тел. В этом смысле существование самой жизни следует рассматривать как в отношении ее определения, так и наблюдения, как основной постулат биологии, не поддающийся дальнейшему анализу".
В 1959 году Бор писал следующее: "Совсем новые перспективы постепенного разъяснения биологических закономерностей на основе прочно установленных принципов атомной физики появились за последние годы. Это произошло благодаря открытию поразительно устойчивых структур специального назначения, несущих генетическую информацию, а также благодаря все более полному проникновению в процессы, которыми эта информация передается. Таким образом, у нас нет причин ожидать какого-либо внутреннего ограничения для применимости элементарных физических и химических понятий к анализу биологических явлений".
Тамм особенно интересовался вопросами генетики, в частности расшифровкой генетического кода. Его привлекали и другие биологические явления и процессы, например, он интересовался работами по получению пищевых белков из нефти с помощью микроорганизмов. Тамм признавал огромную важность этих работ. Находясь в Стокгольме, Тамм с большим интересом знакомился не только со шведскими научно-исследовательскими институтами по физике, но и с работами шведских биологов. Он рассказывал, что во время посещения Института гистологии в Гетеберге видел очень интересные результаты просвечивания биологических объектов. Эти методы регистрации были, по словам Тамма, настолько тонко разработаны, что находившиеся с ним физики-экспериментаторы задумались над тем, чтобы перенести их в физику.
Большое впечатление произвело на Тамма посещение института, руководимого крупным радиобиологом Густавсоном. Он познакомился с работами по качественному изменению семян путем их облучения.
Тамм рассказывал, что под влиянием ионизированного облучения получаются новые мутации и производится отбор новых полезных видов культур. Такие методы вошли уже в практику и дают хорошие результаты для ячменя, овса, горчицы и др.
Тамм считал, что развитие биологической науки в нашей стране представляет собой важнейшую задачу. Тамм способствовал развитию советской научной биологии и созданию новых институтов, лабораторий и отделов для разработки проблем биологии, в частности, очень перспективной, по его мнению, радиационной генетики.
При активной поддержке и участии Тамма в ФИАНе ряд лет функционировал семинар по биологии, на котором физики и биологи обсуждали различные проблемы научной биологии.
После окончания второй мировой войны Тамм выполнил важные работы по термоядерному синтезу. Он участвовал в разработке метода магнитного удержания плазмы. Это предложение послужило основой исследований в области управляемых термоядерных реакций, ведущихся в нашей стране.
В 1956 году по решению Советского правительства все работы по управляемому термоядерному синтезу, ведущиеся у нас, были рассекречены. И.В.Курчатов подробно рассказал об этих работах во время посещения британского атомного центра в Харуэлле, руководимого известным физиком-атомником Джоном Кокрофтом. Большая часть доклада Курчатова была посвящена установкам, созданным в СССР на основе принципа магнитного удержания плазмы.
Экспериментальными исследованиями на установках с магнитным удержанием плазмы руководил известный советский физик академик Л.А.Арцимович (1909...1973). Он объяснял принцип магнитного удержания плазмы так: "Если мы поместим плазму в сильное магнитное поле, созданное таким образом, чтобы силовые линии этого поля со всех сторон обволакивали ее, то при этом мы можем получить клубок горячей плазмы, который будет висеть в вакууме и не взаимодействовать со стенками сосуда, в котором он находится. Такова сущность магнитного удержания. Она основана на том, что заряженные частицы, из которых состоит плазма, не могут перемещаться свободно поперек магнитного поля. Они могут двигаться только вдоль силовых линий поля".
Была создана целая серия советских экспериментальных установок "Токамак", в которых горячая плазма удерживается магнитным полем в торроидальной камере.
Исследования, проводимые на установках этого типа, а также на установках других типов, например "Огра", увенчались большими успехами. Относительно "Токамака " профессор Игорь Николаевич Головин - один из специалистов по плазме писал в 1970 году: "Успехи на "Токамаках" важны потому, что ломают лед недоверия, начавший окружать затянувшиеся исследования плазмы".
Тамм был глубоко убежден, что исследования по управляемому термоядерному синтезу приведут к полному успеху. Он говорил, что "методы, которые дадут возможность освоить термоядерную энергию, в принципиальном отношении ясны уже теперь. Пока, однако, еще нельзя сколько-нибудь точно оценить, сколько времени, труда и изобретательности потребуется для преодоления очень серьезных трудностей, стоящих на пути осуществления этих принципов".
Тамм высказывал уверенность, что термоядерные реакции со временем станут основой энергетики.
Большую часть своей жизни Тамм вел борьбу против нападок невежд, ретроградов и просто нечестных людей на новые физические теории, в первую очередь на квантовую механику и теорию относительности Эйнштейна. С необычайной смелостью и бескомпромиссностью он выступал против догматического и крайне вредного псевдофилософского объяснения актуальных вопросов физической теории.
Тамм был создателем обширной научной школы физиков-теоретиков. Он обладал всеми качествами первоклассного научного руководителя, его собственная работа являла собой исключительный пример того, как должен работать теоретик.
Академик И.М.Франк говорил: "Не только талант ученого, не только исключительная живость ума и острый интерес ко всему новому сделали Игоря Евгеньевича главой большой теоретической школы, но в неменьшей степени огромный моральный авторитет и личное обаяние".
Тамм всегда искал талантливых молодых людей для исследовательской работы по теоретической физике. Студента или аспиранта, проявившего склонность и способности к научной работе, Тамм заботливо опекал и давал ему свободу выбора темы и методов исследования, никогда не навязывая своих идей и решений. Он считал, что очень важно постоянно производить отбор научных сотрудников, оставляя в научно-исследовательских институтах тех, кто проявлял способности к научной работе, а других переводя на педагогическую или производственную работу. Одним из самых главных недостатков научных учреждений он считал "фактическую несменяемость состава научных сотрудников".
Большую роль в воспитании молодых физиков играл руководимый Таммом теоретический семинар, проводившийся много лет в ФИАНе.
Один из участников этого семинара живо описывает обстановку, в которой он проходил, и дает динамический портрет самого Тамма как руководителя теоретиков ФИАНа.
"Рассказывая о чем-то на семинаре, он (Тамм) не стоял на месте, а ходил довольно быстрым и мелким шагом перед доской взад и вперед, не глядя на слушателей, заложив руки за спину, ссутулившись. Было такое ощущение, что он не рассказывает, а думает вслух. В то же время живость его ответов на любой вопрос слушателей превращала доклад в беседу, спор, деловое обсуждение. Люди не стеснялись спрашивать, перебивать докладчика, высказывать свое мнение.
Тамм дорожил любым высказыванием по теме своего доклада. По-видимому, для него доклад на семинаре был не итогом научной работы, а ее продолжением; ему было важно для себя сделать доклад, чтобы что-то неясное сформулировалось более отчетливо, чтобы во время обсуждения что-то лучше уяснилось в голове.
Он не стеснялся спрашивать, если что-то было непонятно ему самому. В этих случаях он ставил проблему перед всеми слушателями. Возникали интереснейшие дискуссии по важнейшим вопросам теоретической физики.
Чужие доклады Тамм слушал внимательно, замечания его были немногочисленны, но касались самого главного. После каждого доклада Игорь Евгеньевич делал краткое заключение. Не все докладчики рассказывали понятно, поэтому нередко слушатели семинара ждали этого заключительного слова, чтобы понять, что же было сделано. Нередко и тут разгорались оживленные дискуссии, из которых, как правило, докладчик выносил более полное Понимание и того, что им уже доложено, и того, что надо делать дальше. Все высказывания Игоря Евгеньевича, независимо от того были они одобрительными или содержали возражения, были доброжелательными, поэтому его самая суровая критика воспринималась без всякой обиды, а наоборот, пробуждала новые силы и желание работать.
Польза от такого семинара была колоссальной. Начинающий теоретик быстро входил в круг проблем теории поля и начинал активно работать.
Все дискуссии на семинаре преследовали только одну цель - выяснение истины. Ничего личного Тамм никогда с дискуссией не связывал. Все могут ошибаться, ошибался изредка и Тамм, и в этих случаях он, бывало, обнаружив свою ошибку, с сокрушенным видом признавал ее".
Ученик Тамма академик В.Л.Гинзбург писал о фиановском семинаре: "Созданный И.Е.Таммом теоретический отдел Физического института - лучшее воплощение творческого духа Игоря Евгеньевича (если, конечно, не говорить о его работах), его отношения к молодежи, его взглядов на многие вопросы науки и общественной жизни. Это коллектив, старейшие сотрудники которого за все годы существования отдела не припомнят ни одной ссоры между сотрудниками, хотя научные дискуссии нередко бывают весьма горячими. Членов этого коллектива связывает прочная дружба".
Яркость личности Тамма проявлялась не только в его научном творчестве, где он достиг вершин. Это был также на редкость эрудированный человек с огромными познаниями во многих сферах.
В качестве примера достаточно сказать, что он владел пятью иностранными языками: английским, немецким, французским, голландским и итальянским. На трех первых во время своих заграничных поездок он нередко делал доклады. Разумеется, выросший на Украине, он свободно владел украинским языком и читал выдающихся украинских писателей и мыслителей в оригинале.
Тамм умел излагать проблемы науки ясно и на высочайшем литературном уровне. Вот, например, что он писал о радиоактивности в научно-популярной статье, названной им "Гибель и создание атомов":
"Мало сейчас найдется образованных людей, которые сомневались бы в том, что мир вечен. А между тем есть одна область явлений, которая, казалось бы, должна приводить к выводу, что мир не вечен и что он возник сравнительно недавно - недавно, конечно, с точки зрения астрономов, привыкших исчислять время тысячами миллионов лет. Это явление радиоактивного распада и превращения элементов".
В двадцатых годах Тамм довольно часто выступал с научно-популярными статьями, разъясняющими широкому читателю актуальные вопросы физики. Одним из журналов, публиковавших популярные статьи молодого Тамма, был "Искра" - журнал, в свое время достаточно известный.
Тамм принадлежал к редким в наш век - век концентрированной научной специализации - ученым с необычайно развитым стремлением к познанию, к восприятию и накоплению информации. Эта информация не только возбуждала научные идеи, но и органически необходима была ему для расширения и обогащения духовного мира.
Напряженная умственная работа Тамма требовала серьезной разрядки и отвлекающего отдыха. Тамм увлекался альпинизмом и путешествиями. Оба увлечения можно назвать классическими для ученых. Тамм много путешествовал по различным континентам и странам, кстати, совмещая эти путешествия с альпинизмом. В Швейцарии он поднимался на Юнгфрау, на вершину Матерхорна, на перевал Сен-Бернар. В Англии он занимался восхождением на скалистые вершины Шотландских гор. Кавказские горы и Памир были излюбленными местами его путешествий. Он любил отдыхать на Балтийском и Черноморском побережье, совершая во время отдыха длительные пешеходные прогулки. Он был не только азартен, как подобает настоящему спортсмену, но и глубоко профессионально знал альпинизм во всех его деталях и формах. Федерация альпинизма СССР в день 70-летия Тамма направила ему адрес, в котором расписались многие выдающиеся советские альпинисты.
С Таммом можно было говорить почти на любую тему и казалось, что все они представляют для него большой интерес. Он быстро откликался на попытки завязать с ним разговор о самых различных вещах.
Последние семь лет жизни Тамм пытался создать универсальную квантовую теорию путем радикального обобщения основ существующей квантовой теории. Он работал с огромной энергией и свойственным ему неиссякаемым увлечением.
В 1968 году Тамму (совместно с английским ученым С.Пауэллом) была присуждена Золотая медаль имени М.В.Ломоносова. В связи с этим Тамм подготовил доклад, но из-за резко ухудшившегося состояния здоровья не мог его сделать на общем собрании Академии наук СССР. Доклад прочитал ученик Тамма. В нем с исключительной ясностью Тамм изложил свою точку зрения относительно того, какой должна быть универсальная квантовая теория.
Создание теории относительности и квантовой механики - два важнейших этапа физики нашего века. Без них невозможно представить себе прогресса физики, для которого они послужили основой. Тамм подчеркнул, в частности, что современная ядерная физика целиком базируется на квантовой теории, которая многие годы встречала сильное возражение у физиков главным образом старшего поколения, в том числе и крупнейших ученых.
Тамм напомнил, что создатель теории относительности гениальнейший физик Альберт Эйнштейн, очень много сделавший для развития квантовой теории, до конца своей жизни так и не признал некоторые ее основы.
Такое трудное восприятие квантовой теории объяснялось, по мнению Тамма, тем, что до нее в основе физики лежало убеждение в строгой определенности (детерминизме) всех физических процессов. Это значит, что состоянием физической системы в данный момент времени точно и однозначно определяется вся ее дальнейшая эволюция, ход всех происходящих в ней процессов. Так было в классической физике, где ученые имели дело с макросистемами.
Но другое дело в субмикроскопическом мире - мире сверхмалых величин, которые не могут регистрироваться прямыми методами. Квантовая теория показала, что в мире элементарных частиц ряд закономерностей носит лишь вероятностный статистический характер (в этом принципиальное отличие от детерминизма классической физики). Состояние системы определяет в этом случае лишь относительную вероятность того, какие именно процессы произойдут в дальнейшем.
"В этом пет противоречия с тем, - утверждал Тамм, - что законы природы в доступных нашему непосредственному восприятию макроскопических явлениях детерминистичны - в таких явлениях (субмикромира) участвуют мириады элементарных частиц и из вероятностных закономерностей для отдельных частиц непосредственно вытекает с громадной точностью классический детерминизм макроявлений".
Эйнштейн не мог принять отказ от применимости классического детерминизма в микромире.
Эрнест Резерфорд - основатель ядерной физики, величайший экспериментатор века тоже не мог вначале согласиться с квантовыми представлениями, выдвинутыми его учеником Нильсом Бором для объяснения резерфордовской ядерной модели атома. Но Бору, правда, с большим трудом удалось объяснить Резерфорду суть квантовых идей.
Говорят, что на Эйнштейна статья Бора о квантовых представлениях, объясняющих, почему электроны непрерывно вращаются вокруг ядра, не падают на ядро, произвела ошеломляющее впечатление. Эйнштейн сказал знаменитую фразу: "Если это правильно, то физика, как наука, кончилась".
Тамм говорил, что статистический (недетерминистский) характер законов микромира отнюдь не плод неполноты нашего познания этих законов, как предполагалось некоторыми исследователями, а лежит в природе вещей.
Тамм очень наглядно иллюстрировал это утверждение, обращаясь к одному из основных принципов квантовой теории - принципу неопределенности. Он гласит, что нет и не может быть таких состояний элементарной частицы, в которых одновременно и ее координаты (т.е. положение) и ее скорость имели бы точно определенное значение. Если координаты имеют точно определенное значение, то скорость частицы неопределенна и существуют лишь определенные вероятности различных значений ее скорости, и, наоборот, если скорость имеет определенное значение, то для координат имеет место статистический разброс.
Здесь автор не ставит своей задачей изложение квантовой теории, для понимания которой необходима серьезная специальная подготовка читателя, но показывает пример ясной подачи сложного материала, которая была присуща Тамму.
Тамм очень просто объяснял причины принципиального расхождения классической и квантовой теории.
Физические понятия, выработанные путем анализа явлений окружающего нас макромира, далеко не полностью применимы для описания явлений в микромире. "Так у нас есть понятия частицы и волны, - говорится в Ломоносовской лекции Тамма, - волны на воде или волны звуковой, световой, т.е. упорядоченного движения в среде. Очевидно, что не может существовать объекта, который одновременно являлся бы и частицей и волной. Между тем в микромире дело обстоит именно так: элементарная частица, например, электрон или протон, обладает одновременно свойствами и частицы и волны".
Тамм видел в современной квантовой механике серьезные недостатки, ограничивающие ее применение. Он считал, что она нуждается в обобщении. Хотя квантовая теория правильно и точно описывает и объясняет огромный круг явлений, но ее неполнота обнаруживается при ультрамалых пространственных расстояниях и при больших энергиях. Тамм указывал, что эта фундаментальная трудность в квантовой теории выявилась еще в тридцатых годах, вскоре после завершения стройной системы квантовой механики (во второй половине двадцатых годов). Один из создателей квантовой механики немецкий физик Вернер Гейзенберг тогда считал необходимым радикальное обобщение теории. Тамм утверждал, что подобно тому, как теория относительности и квантовая теория ввели в физику две фундаментальные постоянные (скорость света в вакууме - c и постоянную Планка - h), так и в новую обобщенную, универсальную теорию должна войти новая фундаментальная постоянная, определяющая границы применения современной квантовой механики.
Задача создания новой квантовой теории, которая бы описывала и те явления, которые выходят за рамки применимости существующей квантовой механики, оказалась чрезвычайно трудной. Она требовала титанического труда и, разумеется, выдающегося таланта.
Тамм говорил, что поиски такой теории идут в самых различных направлениях, но пока неизвестно, какое из этих направлений приведет к желаемому результату.
Тамм был глубоко убежден, что эта универсальная теория будет создана в сравнительно недалеком будущем. Он говорил, что она будет, как остроумно заметил Нильс Бор, "сумасшедшей", но не в смысле нелогичности или непоследовательности, напротив, эта теория должна быть строго логичной и последовательной. Слово "сумасшедшее" здесь надо понимать в смысле необычной, кажущейся парадоксальности. Ведь в свое время многим физикам казались "сумасшедшими" и теория относительности Эйнштейна, и квантовая теория.
Тамм до конца своих дней мечтал о такой универсальной теории. Но завершить эту работу, по его мнению, мог бы только гениальный физик, подобный Эйнштейну, физик, который еще не заявил о себе. Тамм говорил: "Я не знаю, где он появится ("новый Эйнштейн") - в Новосибирске, Алжире иди Америке, - но он появится, и новая физическая теория, последовательно охватывающая как все ранее бывшие нам известными физические явления, так и явления, протекающие в только открывающемся перед нами мире элементарных частиц больших энергий, будет создана".
Отмечая, что крупный американский физик Фримен Дайсон в своей статье утверждал, будто новая теория появится лишь в следующем столетии, Тамм не соглашался с таким пессимистическим прогнозом. По словам Тамма: "Великие мыслители масштаба Эйнштейна рождаются редко, но теперь, когда фундаментальными проблемами физики занимается в сотни раз больше людей, чем в начале нашего столетия, вероятность появления нового гения в области теоретической физики увеличилась соответственно во много раз. Мое глубочайшее убеждение, что недалеко то время, когда появится новый Эйнштейн".
В 1967 году Тамм тяжело заболел. Последние три года жизни из-за паралича диафрагмы он был прикован к дыхательной машине.
И тем не менее он продолжал упорно работать. Только за полгода до смерти, наступившей 12 апреля 1971 года, Тамм прекратил работу, его силы катастрофически слабели.
Нобелевский лауреат академик И.М.Франк в речи над могилой Тамма сказал:
"Игорь Евгеньевич никогда не позволял нам говорить о его научных заслугах. Теперь это становится нашей обязанностью. Мы всегда понимали, как велик вклад, внесенный им в науку, но сегодня мы вряд ли можем подвести итог. Это дело будущего".