Главная страница

Главная страница | Архив | Содержание номера

Номер 5(342) 03 марта 2004 г.

Мирон АМУСЬЯ , Марк ПЕРЕЛЬМАН (Израиль)

ТРИ ЕГО ОТКРЫТИЯ БЫЛИ ДОСТОЙНЫ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ

Г.А.Гамов

Нобелевские премии по науке (в отличие от премий Мира, да отчасти, пожалуй, и по литературе) давно уже считаются высшей и наиболее объективной наградой за крупные открытия. Но премии присуждаются людьми, и потому досадные пропуски, а иной раз и пристрастия или даже некое давление на членов Нобелевского комитета — неизбежны. За прошедшие 103 года этих премий удостоены более двухсот физиков, но можно назвать и многих других выдающихся учёных, безусловно эти премии заслуживших: А.Зоммерфельд, П.Ланжевен, Л.И.Мандельштам и Г.С.Ландсберг, Лиза Мейтнер (её называют «еврейской бабушкой» атомной бомбы), Е.К.Завойский, Э.Хаббл, В.И.Векслер. Несколько премий могли быть присуждены и Альберту Эйнштейну, а ею отмечена лишь его квантовая теория света. По две премии получили только четыре человека: Мария Кюри (физика и химия), Л.Полинг (химия и премия Мира), Дж. Бардин (обе по физике) и Ф. Сэнджер (обе по химии).

И был лишь один человек, три открытия которого должны были быть отмечены Нобелевскими премиями, но премии за эти открытия или их приложения и развитие получили другие, продолжившие его работы. Имя этого человека — Георгий Антонович Гамов, столетие которого отмечается 4 марта 2004 года, а три его основных, «Нобелевских» открытия включают теорию квантовых туннельных переходов, на основе которой, в частности, были развиты представления о работе квантовых устройств современного хай-тека, теорию Большого Взрыва, т.е. происхождения Вселенной, и теорию генетического кода, способов передачи наследственной информации.

Но вести рассказ о выдающемся учёном, его удивительной судьбе и его открытиях нужно с начала.

Георгий Гамов родился в Одессе. Отец его преподавал русский язык и литературу в гимназии, среди его учеников был Л.Д. Троцкий, помянувший об этом в автобиографии. По происхождению Гамовы были запорожскими казаками, так что Г.А., неисправимый шутник, включил в автобиографию репродукцию с известной картины Репина.

Дед по матери был одним из высших иерархов Православной церкви, настоятелем Кафедрального собора Одессы, мать рано умерла, и воспитанием, тщательным и широким, занимался отец. О полученном им образовании говорит и знание языков — в анкете Гамов писал: «Читает и переводит со словарём — древнегреческий, читает и может объясняться — французский, владеет свободно — немецкий, английский, датский», однокашники отмечали его образованность, умение писать и рассказывать. И это не слова: научно-популярные книги Г.А.Гамова, написанные по-английски, завоевали широкую популярность, некоторые из них сейчас наконец-то переведены и на русский язык, а единственная награда, которой он был удостоен при жизни, — это первая премия Калинги, самая престижная в мире премия по популяризации науки, присуждаемая ЮНЕСКО.

Вернемся, однако, к хронологической последовательности событий. Книг в доме было много, мальчик начитался Жюль Верна: «В возрасте семи лет я читал Жюля Верна… и мечтал о путешествии на Луну… Уже в то время мною было сделано некоторое исследование по физике: я пытался сконструировать электрический звонок, присоединяя обычный маленький звонок к электрической батарейке» (Здесь и ниже цитаты по книге: Дж. Гамов «Моя мировая линия (неформальная автобиография)». М., Наука, 1994, к книге приложены и воспоминания ряда современников).

Увлечение телескопом и микроскопом привели его к первому «открытию». Вот как его описывает сам Гамов: «Однажды отец купил мне маленький микроскоп, и я решил провести важный эксперимент по проверке церковной догмы. В русском православии считается, что во время причастия красное вино и хлеб, опущенный в него, превращаются в кровь и плоть нашего Спасителя, Иисуса Христа. Как-то раз священник дал мне чуточку превращённого вина и крошку хлеба на позолоченной ложке, я сохранил кусочек хлебной крошки за щекой, быстро прибежал домой и положил её под микроскоп. Для сравнения я заранее приготовил маленькую хлебную крошку, вымоченную в красном вине. Смотря в микроскоп, я не мог увидеть разницы между двумя образцами. Микроструктура двух кусочков хлеба была совершенно одинаковой и совсем не походила на микроструктуру тонких кусочков моей кожи, которую я предварительно срезал с пальца острым ножом. Цвет образца (…) был всё ещё красноватым, но мой микроскоп был недостаточно сильным, чтобы увидеть (…) отдельные эритроциты. Поэтому это было только полудоказательство, но я думаю, это был эксперимент, который сделал меня учёным».

После школы Гамов поступает в Одесский университет, но вскоре переводится в Петроград. Здесь он слушает лекции гениального, рано скончавшегося Александра Александровича Фридмана (1988-1925), математика, метеоролога, воздухоплавателя и физика, первым показавшего, что из общей теории относительности может следовать вывод о расширении Вселенной.

Здесь же в университете учится Л.Д. Ландау, он на четыре года младше, но явно опережает свой возраст. Гамов и Ландау, по-видимому, слишком разные — во всяком случае, у них нет совместных работ: Ландау виртуозно владеет математической техникой и с самого начала своей деятельности стремится в равной степени и на одной основе охватить всё здание физики, воспитать учеников по образу своему и подобию; Гамов по складу ума скорее интуитивист и индивидуалист, его интересуют качественные закономерности, в то время как математическая техника откровенно слаба (в этом из выдающихся учёных своего времени он схож, наверное, лишь с Нильсом Бором).

Университетский курс Гамов прошел за три года, окончил его в 1924 г. и занялся, в ожидании лучшего, вопросами отбраковки оптического стекла в Государственном Оптическом институте. Однако экспериментальная работа не шла: «Все эти неудачи в моей экспериментальной работе в конце концов убедили меня, что недостаточно просто желания иметь собственную комнату в институте, чтобы стать физиком-экспериментатором, и я также понял тщетность моего плана быть наполовину экспериментатором и наполовину теоретиком».

В 1928 г. Ленинградский университет получил, благодаря Фонду Рокфеллера, возможность командировать одного из молодых сотрудников в Германию, в Гёттинген, ведущий центр квантовой физики, наряду с Копенгагеном, Мюнхеном и Лейденом.

В один из первых же дней в Гёттингене Гамов прочёл свежую статью Рёзерфорда о ядерных реакциях при бомбардировке урана быстрыми альфа-частицами тория, увидел слабость идеи Рёзерфорда и написал революционную работу о туннелировании альфа-частиц1. (Почти одновременно необходимость существования туннельного эффекта, как он позже был назван, была отмечена гораздо более опытными американскими физиками Э.Кондоном и Э.Гёрни). Явления туннелирования лежат в основе термоядерных реакций, множества процессов в квантовой электронике — в полупроводниках, сверхпроводящих контактах и т.д. и т.д.

Для того чтобы оттенить новаторство Гамова, заметим, что эффекты туннелирования наблюдались, фактически, много раньше: еще Ньютон видел «незаконное» явление нарушенного полного отражения, частичного захода света в область, в классической теории запрещенную. Но никто на протяжении более двухсот лет не смог эти явления объяснить…

Статья Гамова была сразу же опубликована, по его словам, основную часть работы он выполнил за два дня, сумев к тому же впервые вычислить радиус атомного ядра. Но Гамов не был бы Гамовым, если бы не вспомнил потом такие детали своей работы: «Для оценки этой формулы нужно было вычислить интеграл выражения, а я не знал, как это сделать. Поэтому я пошёл навестить своего друга Н.Кочина — русского математика, который тоже проводил лето в Гёттингене. Он не мог поверить, что я не могу взять такой простой интеграл, и сказал, что поставил бы «неуд» любому студенту, который не справился бы с такой элементарной задачей. После того, как я написал статью для публикации, в конце её я выразил благодарность Кочину за помощь в математических расчётах. Позже, когда статья появилась, он написал мне, что стал посмешищем среди своих друзей, когда те узнали, какого рода «интеллектуальную» математическую помощь он оказал мне».

С Дж. Кокрофтом (слева).

Первое же практическое применение этого туннельного перехода произошло так. В лаборатории Рёзерфорда работал Дж. Кокрофт. Вместе с П.Л.Капицей он разрабатывал мощные магниты и решил применить их для ускорения тех же альфа-частиц. Но как это сделать? Все альфа-частицы одинаково заряжены и потому друг от друга отталкиваются. Но тут Кокрофт прочитал статью Гамова 1928 г. о том, что альфа-частицы могут туннелировать сквозь барьер, хотя, согласно классической теории, это невозможно. Когда Гамов посетил Кавендишскую лабораторию, Кокрофт расспросил его о возможности обратного процесса, о том, могут ли альфа-частицы малой энергии проникнуть в ядро, несмотря на силы отталкивания. Гамов подсчитал, что такие случаи можно обнаружить, если направить на ядро достаточно большое число альфа-частиц, т.е. фактически заложил основы теории таких ускорителей. И в 1932 г. ускоритель Кокрофта-Уолтона был построен (его создание и полученные результаты увенчаны Нобелевской премией по физике 1951 г., Гамов в решении Нобелевского комитета не упоминался. Впрочем, за открытия, в основе которых лежат явления туннелирования, присуждено с тех пор много таких премий).

Гамов продолжал заниматься в Гёттингене ядерной физикой. Он предложил, в частности, первую модель ядра как капли жидкости (такие модели до сих пор используются при расчете ядерных реакций), вместе с другими разрабатывал теорию ядерных реакций в звёздах. Затем, на обратном пути в Ленинград, Гамов знакомится с Н.Бором, который добивается для него еще одной годичной командировки. Работа кипит, статьи выходят одна за другой.

Но всё когда-то кончается, и в 1931 г. Гамов возвращается в Ленинград, начинает работать с Курчатовым и Алихановым, экспериментаторами, в Ленинградском Физико-Техническом институте, тогда институте А.Ф.Иоффе. К этому времени относятся многочисленные истории и анекдоты, бытующие до сих пор в научном фольклоре, о бесчисленных его шутках, карикатурах (Гамов нередко иллюстрировал ими свои популярные книги). Необычным по тому времени было его поведение, стиль одежды: экстравагантный в манерах и одежде, он выделялся из группы физтеховской молодёжи, этого «детского сада» «папы» Иоффе. Это видно и на фотографиях: высокий стройный блондин с прямой трубкой в зубах, в популярных на Западе гольфах и элегантной куртке — английский джентльмен на фоне характерной тогда рабоче-крестьянской серости.

На родине Гамова как будто ждало признание: в 1932 г. в возрасте 28 лет его избирают членом-корреспондентом Всесоюзной академии наук (так она тогда называлась). Однако, несколько раньше, в 1931 г., произошло, по словам Гамова, «римское фиаско»: ему не разрешили поездку в Италию, на конгресс, куда был представлен его доклад по физике ядра. Гамов понял, что политический климат в стране меняется, стиль советской жизни его явно не устраивал, и он стал взвешивать возможности эмиграции.

В том же 1931 г. Гамов женился, его избранницей стала студентка-математик Любовь Вахминцева, которую он называл Ро. Даже это событие он не может описывать серьёзно: «Причина нашей женитьбы была основана на законах генетики или, можно сказать, хиромантии. Дело в том, что расположение трёх линий на моих ладонях имеет вполне определённый смысл для цыганских предсказателей судьбы. Две нижние линии никогда не сходятся, в то время как у большинства они сходятся… Так вот, на обеих ладонях Ро линии не сходились, так же как не сходились, как она сказала мне, линии на руках её отца. Возник вопрос о том, является ли эта характеристика наследственной, и существовал единственный возможный способ найти ответ. И в самом деле, когда значительно позже, в ночь на 4 ноября 1935 г., я примчался в родильный покой женского госпиталя в Джорджтауне, чтобы впервые увидеть моего новорождённого сына Рустема-Игоря, сестра, которая вынесла мне ребёнка, была крайне удивлена, когда первым делом я посмотрел на его ладони. На обеих ладонях линии не сходились вместе!»

Теперь уже нужно было думать, как выехать вдвоём. Поскольку официально сделать это представлялось невозможным, единственным выходом был побег, переход границы. Первоначальный план, переход по сухопутью в Финляндию, был быстро признан нереальным. Гамовы решаются на ещё более фантастический — переплыть на байдарке из Крыма в Турцию: Гамов — одессит и уверен в своих мореходных знаниях.

Они правдами и неправдами организовывают совместный отдых в Крыму, запасаются продовольствием — и безлунной ночью, с одним компасом, отправляются в путь. Может, авантюра и удалась бы, но долговременных прогнозов еще не было, начинается осенняя буря, выгрести против таких волн невозможно и их выносит почти на крымские скалы. Хорошо, подвернулись рыбаки, незадачливых путешественников вытащили и даже поверили в случайность романтической поездки: никому в голову даже не пришло, что эти молодые люди плыли — на байдарке! — в Турцию…

В 1933 году они с женой добиваются всё же разрешения на поездку в Бельгию на международный конгресс: Гамов в одиночку ехать отказывается, а его доклад должен закрепить славу советской науки. Разрешение им, по просьбе Бухарина (того просил П.Ланжевен), дал лично Молотов. Уехав на конгресс, Гамов затем переезжает во Францию — для работы, по приглашению Марии Кюри, в Институте радия.

Здесь решается вопрос о том, возвращаться в СССР или нет. П.Ланжевен, выдающийся учёный, симпатизирующий советской власти, говорит Гамову, что он обязан вернуться: Ланжевен поручился за него — ситуация безвыходная, подвести Ланжевена Гамов не может. К счастью, о конфликте узнаёт Мария Кюри: она-то ведь урождённая подданная Российской империи и куда лучше прекраснодушного идеалиста понимает, что может ждать Гамова по возвращении. И Ланжевен сдаётся — Гамовы остаются.

Вскоре Гамов переезжает в Кембридж к Рёзерфорду, затем в Копенгаген к Бору, а потом в Америку — читать лекции в Мичиганском университете. В Россию он уже никогда не вернётся.

Вскоре он становится профессором Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, где и протекала основная часть его научной работы. Здесь Гамов начинает активно сотрудничать с Эдвардом Теллером, замечательным физиком, эмигрантом из Венгрии — будущим «отцом американской водородной бомбы». Теллер был яростным антикоммунистом. По его словам, он стал им еще в 1919 году, во время коммунистического путча в Венгрии, и укрепился в своих взглядах под влиянием бесед с Гамовым и известий об аресте Ландау в СССР.

Теллер откровенно высказывал свое мнение о советском строе, особенно после начала «Холодной войны»: он настоял на разработке водородной бомбы, утверждая — и, как позже подтвердилось, правильно, — что Советы обязательно такую сверхбомбу создадут. Поэтому от него отвернулись, объявили ему бойкот многие либерально-настроенные американские ученые, а в советской прессе Теллера называли кровожадным империалистом и людоедом. Гамов был гораздо осторожней в высказываниях, помнил об оставшихся друзьях и т.д., но всё равно в советских газетных статьях 40-50-х годов он фигурировал как «мракобес и прислужник мирового империализма Джордж Гэмоу». Истиной в этих инвективах было только то, что в Америке его называли Джорджем, это написание сохраняется сейчас и в русских переводах его книг.

С Вольфгангом Паули (справа)

Гамов и Теллер построили один из вариантов теории радиоактивного распада: правила Гамова-Теллера вошли в ядерную физику именно под таким названием. Но еще большее влияние на развитие науки оказало их общее увлечение астрофизикой: в последней совместной работе Гамов и Теллер разрабатывают теорию красных гигантов2.

Теорию эволюции звёзд Гамов продолжал и потом. Неожиданное её подтверждение принесло чрезвычайно редко наблюдаемое явление — взрыв Сверхновой 1987 г. в Большом Магеллановом Облаке, ближайшей к нам галактике. Оказалось, что интенсивность потока нейтрино, дошедших к нам из нее, как раз подтверждает теорию взрыва звёзд, развитую Гамовым вместе с Шёнбергом еще в 1941 г.

Однако полную теорию ядерных реакций в звёздах смог построить только Ганс Бете: он знаменит необычной даже для физиков-теоретиков скрупулёзностью и точностью расчётов. В последующем Бете, эмигрант из Германии, возглавил теоретические работы по атомной бомбе, но Гамова к ним не привлёк — вероятно, потому, что их подходы к расчётам, более качественные у Гамова, резко различались.

Гамов же продолжал интересоваться астрофизикой и от неё перешёл к проблемам космологии. С космогонией, т.е. с представлениями о том, как возникла Вселенная (если вообще возникла, а не существовала вечно), дело обстояло совсем худо: Второй закон термодинамики, в котором уже никто не сомневался, утверждает, что все процессы в мире идут так, что энергия от более горячих тел переходит к более холодным, но ни в коем случае не наоборот. Значит, температуры различных тел должны постепенно сближаться, а источники свободной энергии — истощаться. Но если Вселенная существует вечно, то все эти источники должны были давным-давно иссякнуть, а звёзды — потухнуть. Так почему они всё же существуют?

После создания Эйнштейном общей теории относительности в 1916 году появились некоторые новые возможности подхода к этим проблемам: сам Эйнштейн в 1917 г. рассматривал Вселенную как некое статическое, не меняющееся во времени образование. Но А.А.Фридман в 1922-24 годах и независимо аббат Жорж Леметр в 1927 г. нашли, что уравнения Эйнштейна допускают и такое решение: вся Вселенная первоначально сосредоточена в одной точке, которую назвали «папа-атом», затем он начинает расширяться — так появляются галактики и звёзды в них. Таким образом, противоречия с термодинамикой снимаются — Вселенная вовсе не существует вечно, потому её источники энергии и не успели еще истощиться. (Эйнштейн вначале был против, даже считал работу Фридмана ошибочной, но потом с ним согласился).

Однако, физика — наука экспериментальная: физики привыкли многократно повторять свои измерения, чтобы избежать ошибок. А как проверить такую основополагающую теорию?

Выдающийся астроном Эдвин Хаббл доказал своими тщательными измерениями, что давно известные туманности, ранее считавшиеся всего лишь облаками газа (например, туманность Андромеды), являются галактиками, ничуть не меньшими нашей и удалёнными порой на миллиарды световых лет, и что эти галактики движутся, «убегая» от нас со скоростями, тем большими, чем дальше они отстоят. Наиболее вероятное объяснение открытия Хаббла — некогда все галактики, вся материя Вселенной находилась в одной точке. Но почему и как она вдруг столь прихотливо распределилась по миру?

И вот тут на сцену снова вступает Гамов. Он показывает, что этот самый Папа-атом не просто начал вдруг расширятся во Вселенную (так называемая «холодная модель»), он должен был взорваться. Модель эту — Big Bang (Большой Взрыв), как он её назвал, Гамов изложил в заметке 1946 г., а затем в статье 1948 г. «Происхождение химических элементов», написанной вместе с его учеником Ральфом Альфером.

В этой статье Гамов тоже не смог обойтись без розыгрыша. Как пишет известный физик А.Абрахам, близко его знавший, Гамов и Альфер «… взяли в соавторы Бёте (не спрося его) лишь потому, что Гамову понравилась комбинация «альфа, бета, гамма»… Как позже вспоминал Гамов, он просил своего сотрудника Германа, также работавшего над этой теорией, сменить фамилию на «Дельтер», чтобы ряд был полным, но тот «…с тупым упрямством отказывался», как сокрушался Гамов». Теория эта довольно долго так и цитировалась: «теория альфа-бета-гамма …».

Розыгрыш этот далеко не единственный. Тот же Абрахам вспоминает и такое: «Он был большой шутник. Например, в своей книге о строении ядра, выпущенной издательством Оксфордского университета в 1937 году, он ссылается на публикацию Ландау в несуществующем журнале «Червоный гудок», название которого выдумал», а зарубежные библиотеки пытались выписать новый журнал со странным названием…

Теория Гамова позволила распределить по времени и по температуре стадии образования Вселенной: сейчас общепринятыми стали выражения (и, конечно, теории): «стадия образования кварков», «стадия нуклеосинтеза», «отделение излучений», «формирование групп галактик» и т.д. Первоначально споры между сторонниками холодной и горячей моделей не утихали. Самым принципиальным вопросом был следующий: если такой взрыв имел место, то уже на довольно ранних стадиях должно было возникнуть пронизывающее весь мир электромагнитное излучение, распределение частот которого должно было соответствовать температуре в момент излучения (многие миллиарды градусов). Но по мере расширения Вселенной частоты этого первичного (его назвали «реликтовым») излучения должны были, вследствие так называемого эффекта Допплера, убывать, и к настоящему времени, по оценкам Гамова, соответствовать температуре около трех-четырех градусов Кельвина, т.е. быть сосредоточены в районе длин волн в несколько сантиметров.

Заключение это казалось абсолютно абстрактным, а теория Гамова — совершенно фантастической. Ещё в начале 60-х, в статье в журнале «Успехи физических наук», посвящённой моделям Вселенной, в особенности «холодной», превалировавшей в Советском Союзе, выдающийся советский физик Я. Б. Зельдович назовёт Гамова, автора «горячей модели», «человеком жалкой судьбы»3.

И вдруг, в 1965 году А.А.Пензиас и Р.В.Вильсон, конструировавшие антенны для радиотелескопов, обнаруживают равномерно идущее во всех направлениях электромагнитное излучение, соответствующее температуре в 3 Кельвина! Тщательные поиски неисправностей аппаратуры или посторонних шумов ни к чему не привели. Теоретики в соседнем университете посоветовали им посмотреть старые статьи Гамова, и учёные поняли, что совершили нежданное открытие: это было то самое излучение, свидетельствующее о Большом Взрыве, которое предсказал Гамов4!

В первой статье Пензиас и Вильсон даже не упомянули имени Гамова. Это, конечно, его огорчило в какой-то степени, но такие вещи никогда не стояли у него на первом месте. Тем не менее, через несколько месяцев у Гамова всё же представился случай заявить о своём первенстве в этом открытии — когда он председательствовал на конференции, посвященной обнаруженному Пензиасом и Вильсоном излучению. Вот описание этого эпизода самим Пензиасом: «Свои замечания он завершил комментариями, которые, если мне не изменяет память, звучали примерно так: «Если я потерял монетку, а кто-то другой нашел монетку, я не сумею доказать, что она принадлежала мне. Но я-то потерял монетку в том самом месте, где ее нашли». Последовали долгие и продолжительные аплодисменты из зала».

Это была вторая Нобелевская премия, которой Гамов не был удостоен…

Теперь нужно перейти к третьему замечательному открытию Гамова и к третьей неполученной премии. Но сначала некоторые замечания.

Мы уже говорили, что математическая техника Гамова была не на высоте. «Будучи ещё студентом в Одессе, вспоминает Гамов я собирался стать математиком, и для меня настоящая «чистая» математика ассоциировалась с такими её областями, как теория чисел, топология и теория множеств. Но так называемые исчисления, охватывающие обыкновенные, в частных производных и интегро-дифференциальные уравнения, никогда не были для меня хоть сколько-нибудь привлекательными, и я всегда терялся в них. Разумеется, я знал, что они абсолютно необходимы для решения сложных научных и инженерных задач, но всё равно не любил их».

Довольно долго Гамов занимался, если можно так выразиться, нумерологией: как и выдающийся физик П.Дирак он верил, что можно найти некие достаточно простые соотношения между основными физическими величинами, и они смогут просто объяснить основные законы мироздания — увлечение, связанное у обоих с любовью к теории чисел.

Тут мы опять отдаём слово самому Гамову. «В 1954 году я сделал довольно экстравагантное отклонение в биологию. Это был год, когда американский биолог Джеймс Уотсон и британский кристаллограф Френсис Крик успешно сконструировали правильную модель ДНК… Прочитав в Nature в мае 1953 г. статью Уотсона и Крика, которая объясняла, как наследственная информация хранится в молекулах ДНК в форме последовательности четырёх групп, известных как «основания» (…) я задался вопросом, как эта информация переводится в последовательность двадцати аминокислот, которые образуют молекулы протеина. Простая идея, которая пришла мне в голову, состояла в том, что можно «получить 20 из 4» подсчётом числа всех возможных триплетов, образующихся из четырёх различных сущностей».

Тут, конечно, требуются некоторые пояснения. Уже довольно давно было установлено, что наследственные элементы должны содержаться в хромосомах клеток и что в них помимо белков имеются длинные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Но как они соотносятся друг с другом? Где хранится наследственная информация и как такие малые особенности организма, как форма линий на ладони, передаются потомкам? Задача не менее, если не более сложная, чем история происхождение Вселенной…

Мы не можем вдаваться здесь в историю этих поисков (они великолепно, хоть и не совсем беспристрастно, описаны в книге Дж. Уотсона «Двойная спираль»). Для нас сейчас важно только напомнить, что, как показали Уотсон и Крик, две длинные молекулы ДНК свиваются в длинную двойную спираль, участки которой соединяются мостиками: либо парой пуринов аденин-гуанин (АГ), либо парой пирамидинов цитозин-тимин (ЦТ). Эта спираль может раскручиваться и разделяться на две длинные молекулы, к каждой из которых пристраиваются недостающие части, таким образом, происходит удвоение хромосом — теперь они могут разойтись в две тождественные, если не считать возможных «сбоев» конструкции, клетки.

Итак, начинает проясняться механизм дублирования наследственного материала, но как в этом материале записана информация? Имеется всего два типа соединительных мостиков между молекулами ДНК, сами молекулы, в первом приближении, совершенно однородны по всей длине, а информацию хранят колоссальную — вот вам и проблема…

Г.А.Гамов

Гамов подходит к этой проблеме с позиций столь любимой им теории чисел: имеется двадцать разных аминокислот и две пары оснований. Так может быть, каждой аминокислоте соответствует определённое количество оснований-мостиков? Перебираются разные возможности, и в итоге Гамов придумывает «Первичный алфавит» ДНК: каждой аминокислоте соответствует своя комбинация трех оснований. Так, если мы обозначим пары по их первой букве, то какой-то аминокислоте соответствует комбинация ААА, второй — ААЦ, третьей — АЦА и т.д. Если при этом учесть тождественность зеркальных отображений и некоторые другие тонкости числовых комбинаций, то получается как раз 20 трехбуквенных сочетаний, соответствующих 20 аминокислотам.

Таким образом, первичный код ДНК построен: теперь можно подсчитать, сколько всего комбинаций возможно и доказать, что они достаточны для хранения и передачи всех наследственных свойств.

По какому-то недосмотру цензуры эта статья Джорджа Гамова была сразу же переведена на русский и опубликована в СССР — мы можем свидетельствовать об ажиотаже, охватившем тогда научное сообщество: такое простое и элегантное решение проблемы несомненно говорило о гениальности автора.

Существование именно трехбуквенного кода ДНК, каждое такое «слово» было названо кодоном, было подтверждено экспериментально в начале 60-х годов. Нобелевской премии 1968 года были удостоены американские биохимики М.У.Ниренберг, Р.У.Холли и Х.Г.Корана — имя Гамова опять-таки не всплывало…

Гамов продолжал работать. В те годы он придумал для своих студентов занимательную игру: они должны были представить себе цивилизацию высокого уровня, в которой не додумались только до одной вещи — до введения вращающихся элементов, в частности, колёс. В задаче спрашивалось, какие механизмы и машины будут изобретены такой цивилизацией, как там будут жить люди. Студенты увлеклись этой игрой — писались даже романы об особенностях жизни в таком обществе, но между делом было сделано немало вполне практичных изобретений…

И, конечно, Гамов продолжал писать книги, иллюстрированные его же остроумными рисунками и фотографиями, они пользуются во всём мире огромной популярностью. Э.Теллер охарактеризовал их так: «Георгий Гамов… был физиком с редкостным вкусом. По оценке Бете, человека, помешанного на точности, научно-популярные книжки Гамова точны процентов на 90. Я подозреваю, что книжка, точная на 99 и 44 сотых процента может оказаться ужасно нудной».

Георгий Антонович Гамов скончался 20 августа 1968 года в возрасте 64 лет от болезни печени. Наград при жизни, кроме премии Калинги, он не удостаивался. Через 22 года после смерти ученого, в 1990 г., имя Гамова было восстановлено в списках членов Академии наук СССР, откуда его вычеркнули в 1938 г.

Почему же всё-таки при жизни он не был удостоен ни одной из тех наград, которые по праву заслужил. Можно предположить, что неполученные Нобелевские премии — это плата Гамова за его невозвращение в Советский Союз, за право жить в свободном мире: ведь премии не получили и химики-невозвращенцы Ипатьев и Чичибабин, а также эмигрант с 1919 г. В.К. Зворыкин, изобретатель телевидения. Можно не сомневаться, что шведы всерьёз и не без оснований опасались коварного соседа (они, несомненно, получили дипломатическую взбучку за Нобелевскую премию по литературе И.А.Бунина 1933 г. и за отказ в ней М.Горькому).

Но с позиций вечности — всё это несущественно. Время — безжалостный, но единственно объективный судья в науке. И в этом смысле Георгий Антонович Гамов — человек великой судьбы, ибо все его революционные идеи оказались верными.

·

В заключение несколько штрихов из воспоминаний дружившего с Гамовым знаменитого польско-американского математика Станислава Улама:5 «В нём не было ничего от бездушного сухаря. Воистину «трёхмерный» человек, он источал энергию, был полон жизни и очень неравнодушен к обильной пище, любил анекдоты и коварные шутки, которым мог отдаваться, не зная меры… Было удивительно наблюдать, как при тех сложных и труднопостижимых уровнях, на которых применялась нами математика, он мог заходить так далеко в использовании интуитивных образов и аналогий, черпая их из исторических и даже художественных сопоставлений. (…)

Будучи стопроцентным дилетантом в области биологии (некоторые его завистники сказали бы, что даже шарлатаном), Гамов, следуя своим поразительно непогрешимым инстинктам, предложил несколько идей о том, как на самом деле работает генетический код… В его деятельности, помимо всех других выдающихся его достоинств, можно усмотреть, пожалуй, последний пример дилетантизма в науке, представленного в столь грандиозном масштабе. (…)

Всем его письменным трудам присущ естественный поток идей, простое, лишенное витиеватости представление, легкий, ни в коем случае не громоздкий, занимательный, но никогда не фривольный стиль. Он писал легко, быстро… После обеда он любил читать для своих друзей славянского происхождения длинные отрывки из русской поэзии: он мог целый час декламировать Пушкина или Лермонтова…».

·

Книги Гамова на русском языке (помимо указанной автобиографии): «Приключения мистера Томпкинса», «Мистер Томпкинс внутри самого себя» (совместно с М. Ичесом), «Занимательная математика» (совместно с М.Стерном), «Биография физики», «Звезда по имени Солнце», «Планета, называемая Землей», «Сотворение Вселенной», «Атом и его составляющие», «Атомная энергия (во Вселенной и в человеческой жизни)». Все они вышли или выходят в издательстве РХД, Москва-Ижевск.


1Альфа-частицы, ядра атома гелия, испускаемые при радиоактивном распаде некоторых элементов, в то время были единственным орудием исследований атомных ядер.

Проблема состояла вот в чём. Уран сам при распаде испускает альфа-частицы, но их энергия примерно вдвое меньше, чем у частиц, испускаемых торием, которыми Рёзерфорд облучал ядра урана. Почему же более энергичные частицы не проникают в то ядро, откуда вылетают более медленные, т.е. почему в ядре существует некий барьер, пропускающий частицы только в одну сторону, как он может быть устроен?

Дело еще в том, что если рассчитывать в рамках классической теории энергию альфа-частицы, испущенной ядром тория, то она должна быть равна 26 МэВ (миллионов электрон-вольт), а на опыте оказывалось, что она около 5 МэВ, что явно недостаточно для вылета из ядра. Единственное объяснение, которое смог придумать Рёзерфорд, состояло в аналогии с выходом большого судна из порта: альфа-частица может выйти потому, что её тянут несколько «буксиров», а вот снаружи таких «буксиров» нет, и поэтому вовнутрь её ничто не затягивает. А вот что это за «буксиры», какова их природа это оставалось абсолютно не понятным!

Гамов сразу же понял всю слабость такого объяснения: нужно ли вводить какие-то новые сущности? Ведь только-только, как объяснял Макс Борн, становилось ясно, что в квантовой области все состояния описываются так называемыми волновыми функциями, квадрат которых (точнее, квадрат модуля) даёт вероятность нахождения частицы в той или иной точке. А эти самые волновые функции ядерных частиц на границе ядра не обрываются, не могут резко обращаться в нуль, но тогда для ядерных частиц существует вероятность оказаться снаружи, вне ядра, хотя энергии для такого перехода у них и недостаточно.

Вот аналогия этого чисто квантового явления. Если за высокой непроницаемой и абсолютно гладкой стеной находится узник, то единственный способ сбежать из тюрьмы состоит в том, чтобы подпрыгнуть выше стены, т.е. получить энергию для такого подъёма. А в квантовой теории положение иное: всегда, как мы теперь знаем благодаря Гамову, существует вероятность, пусть и малая, просочиться сквозь стену на уровне своего роста, туннелировать сквозь неё.

2 Красные гиганты — определённый тип звёзд. Образуются они таким образом. При сжатии первоначального газового облака, состоящего в основном из водорода, в протозвезду этот газ разогревается и начинает, как всякое нагретое тело, испускать электромагнитное излучение, давление которого на газ должно вести к расширению протозвезды. Таким образом, уже на ранних этапах эволюции возникают две противоборствующие силы: гравитационного сжатия и радиационного давления. К тому же при достижении определенной критической температуры в звезде начинаются процессы ядерного синтеза: в основном это превращение четырёх ядер водорода в ядро гелия, главный источник излучения звёзд. Картина достаточно запутанная, её исследование продолжается немало лет и по сию пору не может считаться законченным.

Еще в 1911 году датский астроном-самоучка Э. Герцшпрунг и независимо американский астроном Г.Н.Рассел заметили, что существует некая связь между видимым цветом звёзд и излучаемой ими энергией. Расположение всех звёзд на графике с осями цвет-светимость (оба зависят от температуры звезды) называется с тех пор диаграммой Герцшпрунга-Рассела, а разгадка ее особенностей одна из главных задач астрофизики: сейчас принимается, что звезды в ходе своей эволюции проходят из правого нижнего угла диаграммы к левому верхнему, меняя по ходу развития свои светимость и цвет. Такие звёзды находятся, как говорят, на главной последовательности (наше Солнце — примерно в её середине). Существуют, однако, и добавочные ветви. Первым, по воспоминаниям знаменитого астронома В.Бааде, взаимосвязь такой ветви малых по размеру звёзд с главной последовательностью разгадал Гамов: сообщил об этом в частном письме и даже не стал публиковать. Опубликовали они с Теллером только теорию красных гигантов как звёзд (к ним относится известная с древности яркокрасная Бетельгейзе), в которых берут начало цепочки термоядерных процессов.

3 Неприятию его теории способствовала и сохранявшаяся долгие годы неприязнь к «невозвращенцу» со стороны некоторых коллег-физиков; многим казалось, что именно из-за «невозвращенцев» власти запрещают научные командировки на Запад.

4 За это открытие А.А.Пензиас и Р.В.Вильсон в 1978 г., уже после смерти Гамова, были удостоены Нобелевской премии.

5 Станислав Улам. «Приключения математика», Москва, РХД, 2001.

Главная страница | Архив | Содержание номера

Номер 5(342) 03 марта 2004 г.

[an error occurred while processing this directive]