Игорь Евгеньевич Тамм
Игорь Евгеньевич Тамм
Жизнь и научные достижения Нобелевского лауреата
В 1960 году в переполненном актовом зале Физического института имени П.Н. Лебедева читал лекцию уже очень пожилой Нильс Бор. Он рисовал на грифельной доске замысловатые изображения и с явным удовольствием комментировал их.
За столом сидел Игорь Евгеньевич Тамм. Он внимательно слушал и рассматривал сложные рисунки, которые Бор очень искусно делал. Бор читал лекцию по-английски. Когда наступала пауза для перевода, Бор садился и разжигал свою погасшую трубку. Тамм стремительно поднимался со своего места и быстро объяснял сущность того, о чем рассказывал Бор. Он, собственно, не переводил лекцию Бора, а излагал ее на своем родном языке.
Пока Тамм говорил, двигаясь вдоль доски, Бор отдыхал. Он с интересом слушал Тамма, хотя и не понимал по-русски, внимательно и с удовольствием наблюдал за его движениями и за реакцией аудитории. Когда слушатели проявляли оживление, Бор счастливо улыбался. С большим вниманием он также следил за тем, что Тамм писал на доске.
Тамм прекрасно понимал речь Бора, его особенный язык, насыщенный весьма сложными нюансами. Бор говорил свободно по-английски, но с поразительным только одному ему присущим «скандинавским» акцентом, который правильнее было назвать «боровским» акцентом.
После лекции Бор нежно благодарил своего друга. Он сказал, что по выражению лиц слушателей, большинство которых знало английский язык, можно судить, что перевод гораздо более ясно и ярко излагает проблемы, чем его лекция в оригинале. Бор сказал Тамму, что те знаки и формулы, которые Тамм выписывал на доске, заставили его, Бора, сделать некоторые полезные уточнения своего доклада.
Те, кому приходилось общаться с Таммом — его ближайшие сотрудники, ученики, зарубежные ученые, — неизменно отмечали, что в этом человеке воплощены лучшие черты, свойственные людям и особенно людям науки. Его простота в обращении с людьми, доброжелательность и твердость убеждений создали ему огромнейший авторитет и уважение в научных и университетских кругах.
Вот какой портрет Тамма нарисовали его ученики — известные советские физики: «Человек физически и духовно смелый; мощный и тонкий физик-теоретик; ненавязчивый, тактичный учитель, который учил примером и доброжелательной критикой, а не детальным „руководством“ и поучениями старшего; верный друг; человек веселый и серьезный, обаятельный и упорный. Человек, вызывавший любовь и радостное уважение многих и сам широко раздававший свою дружбу. Непреклонный в достижении трудной цели — будь то сложнейшая из научных проблем или горная вершина».
Игорь Евгеньевич Тамм родился 8 июля 1895 года во Владивостоке в семье инженера. Когда ребенку было 4 года, семья переехала из Владивостока в Елисаветград (ныне Кировоград — город на юге Украины). Для этого пришлось проделать многодневный путь через большую часть территории России. В Елисаветграде, который в те времена был одним из важных культурных и промышленных украинских городов, отец Тамма поступил на ответственную должность инженера городской управы. Своей деятельностью на благо города он скоро приобрел известность среди местных жителей и их уважение.
Тамм окончил Елисаветградскую гимназию в 1913 году. Родители рекомендовали сыну поступить в Эдинбургский университет в Шотландии. Это старинное учебное заведение имело хороших профессоров, в том числе выдающихся физиков и математиков.
Но в Эдинбургском университете Тамм проучился всего год. В 1914 году началась война. В это время Тамм как раз проводил свои каникулы дома в Елисаветграде. В связи с военными действиями, он, естественно, решил более не возвращаться в Эдинбург, а продолжать прерванную учебу в России.
Тамм поступил на физико-математический факультет Московского университета. Окончил он его в 1918 году. Вместе с немногими наиболее одаренными молодыми выпускниками университета он был оставлен при кафедре для «подготовки к профессорскому званию».
Незадолго до окончания университета Тамм женился на Наталии Васильевне Шуйской, с которой был знаком еще с гимназических лет. Однако получив диплом, он не остался в университете, а уехал из Москвы в Крым.
В 1918 году после провозглашения в Крыму Советской республики Тавриды в Симферополе был организован Таврический университет. В течение 1919 и 1920 года Тамм работал здесь ассистентом кафедры физики. Он познакомился с молодым физиком-теоретиком доцентом Таврического университета Яковом Ильичом Френкелем, с которым дружил всю жизнь.
Из Крыма Тамм переехал в Одессу. В 1921 и 1922 годах он работал преподавателем в Одесском политехническом институте. Кафедрой физики заведовал профессор, позднее академик Леонид Исакович Мандельштам, который оказал большое влияние на научное творчество Тамма.
В Одесском политехническом институте работал также выдающийся радиофизик, впоследствии академик Николай Дмитриевич Папалекси (1880...1947). Он руководил специальной лабораторией по конструированию новых типов радиоламп для использования на радиоустановках судов Черноморского флота, — в этой лаборатории некоторое время трудился Тамм.
В 1922 году профессор Л.И. Мандельштам переезжает в Москву; вскоре туда едет и Тамм. С 1922 по 1925 год Тамм работал в Коммунистическом университете имени Я.М. Свердлова; с 1924 года он стал доцентом, а затем профессором Московского университета по кафедре физики, которой заведовал Мандельштам.
Осенью 1924 года, когда Тамму было 29 лет, на одном его научном докладе присутствовал известный голландский физик Пауль Эренфест, некоторое время живший еще в дореволюционной России и знавший поэтому русский язык. Доклад Тамма Эренфест нашел выдающимся. Мнение Эренфеста сыграло определенную роль в дальнейшей судьбе Тамма.
В 1925 году был создан специальный фонд Лоренца для материальной помощи молодым физикам, желающим проходить стажировку в Голландии. В числе попечителей этого фонда был Пауль Эренфест и другие крупные физики, в том числе Абрам Федорович Иоффе (от Советского Союза). Эренфест предложил предоставить стипендию Тамму. Решение было одобрено, и в конце января 1926 года Тамм приехал в Голландию. Через несколько дней ему предстояло присутствовать на лекции великого Лоренца. Но Лоренц неожиданно заболел и 4 февраля 1928 года скончался. Эйнштейн свою речь над могилой Лоренца закончил словами: «Жизнь Лоренца — драгоценное произведение искусства».
В Лейдене (Голландия) Тамм познакомился с молодым, но тогда уже известным английским физиком-теоретиком Полем Дираком. Они близко подружились, а позднее, в 1928 году, опубликовали совместную работу, выполненную в Кембридже, куда Тамм приехал в командировку на два месяца. Дирак — один из создателей релятивистской квантовой механики и Тамм имели очень близкие интересы. Их дискуссии, без сомнения, сыграли большую роль в развитии теоретической физики.
В начале 1928 года Леонид Исакович Мандельштам совместно с другим известным физиком профессором университета, позднее академиком Григорием Самуиловичем Лансбергом открыл эффект комбинационного рассеяния света. Это крупнейшее экспериментальное открытие в физике XX века было сделано также индийским физиком Раманом и в литературе получило название Раман-эффекта. Тамм выполнил важные исследования по квантовой теории эффекта комбинационного рассеяния света.
В одной из этих работ Тамм впервые ввел в теорию квазичастицу — фонон. Эта блестящая идея Тамма послужила началом быстро прогрессирующей «эпохи квазичастиц» в физике твердого тела. После того, как в теорию вошли таммовские кванты звука — фононы, Я.И. Френкель ввел в физику экситоны. Л.Д. Ландау предложил еще одну новую квазичастицу для описания свойств жидкого гелия — квант вращения. Тамм придумал для нее название «ротон».
В 1930 году Тамм вывел формулу, описывающую рассеяние света свободным электроном. В теории эта формула известна под тройным именем — формула Клейна — Нишины — Тамма.
В 1931 году, когда Тамм вторично побывал в Англии, он путешествовал с Дираком по стране и даже пытался приобщить Дирака к альпинизму, которым сам увлекался всю жизнь. Тамм и Дирак неоднократно встречались не только за границей, но и в СССР, куда Дирак часто приезжал. В Москве Дирак всегда останавливался в квартире Тамма, предпочитая ее гостиничным номерам.
Поль Адриен Морис Дирак почти всю жизнь работал и продолжает работать (1975) в Сейнт-Джонс-колледже Кембриджского университета в Англии. Дирак объединил квантовую теорию с теорией относительности Эйнштейна и создал релятивистскую квантовую механику. В 1933 году Дирак вместе с двумя другими физиками-теоретиками — основоположниками квантовой механики Вернером Гейзенбергом и Эрвином Шредингером получил Нобелевскую премию. В Сейнт-Джонс-колледже вместе с Дираком работал и Тамм.
В письме к Мандельштаму (22 июня 1931 года) Тамм писал из Кембриджа:
«Больше всего я встречаюсь здесь, помимо Дирака, с которым сошелся очень близко, с Блеккетом, который мне очень нравится, и с Капицей. Капица постоянно с чрезвычайным интересом и теплотой расспрашивает о Вас и питает к Вам самое неподдельное уважение и привязанность.
Резерфорду был официально представлен перед заседанием Royal Society, на которое я приезжал в Лондон. J.J. Thomson нигде не бывает и увидеть его мудрено. Fowler в Америке»...
Тамм на протяжении более тридцати лет дружил с великим датским физиком-теоретиком Нильсом Бором. Много часов провели эти два замечательных ученых в обсуждении актуальных проблем квантовой физики.
Тамм считал Нильса Бора и Альберта Эйнштейна двумя величайшими физиками XX века. Он писал: «Бор был не только основателем квантовой теории, которая открыла человечеству путь к познанию нового мира — мира атомов и элементарных частиц, позволила овладеть атомной энергией. Труды Бора, наряду с работами Эйнштейна, оказали решающее влияние на физику нашего века и на современное научное мировоззрение в целом. Торжество теории относительности и теории квантов, основателями которых были Эйнштейн и Бор, на блестящих примерах продемонстрировало общие закономерности развития научного познания».
В 1933 году Игорь Евгеньевич Тамм был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР. Через год после этого Академия наук перебазировалась из Ленинграда в Москву. Тамм был приглашен на должность заведующего теоретическим отделом Физического института имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР (ФИАН). В этой должности он оставался до конца своих дней. В течение многих лет Тамм совмещал свою работу в академическом институте с должностью профессора университета.
С начала своей научной деятельности и на протяжении всей жизни Тамм проявлял огромную работоспособность. Он рассказывал о многих бессонных ночах, о горах исписанной бумаги, безжалостно выбрасываемой затем в корзину со словами: «Ничего, это уже бывало».
О поразительной работоспособности Тамма писал один из его учеников: «Он мог много ночей напролет проводить за столом в своем кабинете, выкуривая папиросу за папиросой и покрывая расчетами один лист за другим. „У меня очередной запойчик“, — такими словами он нередко встречал, отрываясь от своего стола, своих гостей. В правом углу стола у стены — высокая кипа бумаг (сохранились листы его вычислений, помеченные четырехзначными номерами) ; формулы, формулы, изредка прерываемые короткой фразой или несколькими фразами, записанными его характерным „острым“ почерком. „И что вы думаете ждет все эти страницы? Скорее всего корзинка!“»
В 1944 году умер Мандельштам.
За год до этого Тамм писал: «В Мандельштаме я нашел учителя, которому я обязан всем своим научным развитием; научная связь с ним с годами непрерывно крепла». Теперь Тамм стал заведовать кафедрой теоретической физики Московского университета.
Физический институт имени П.Н. Лебедева, куда был приглашен Тамм, долгие годы находился на Миусской площади. Строительство этого научно-исследовательского института началось еще до революции при жизни инициатора его создания выдающегося русского физика Петра Николаевича Лебедева. Сам Лебедев не дожил до окончания строительства.
В пятидесятых годах для сильно расширившегося института с громадным штатом исследователей и вспомогательного персонала был построен обширный комплекс зданий на Ленинском проспекте. Здесь институт находится и поныне. Его теоретическим отделом заведует ученик Тамма академик Виталий Лазаревич Гинзбург.
Тамм часто встречался с физиками-теоретиками различных стран. Он работал практически во всех областях теоретической физики: в теории относительности, квантовой механике, физике твердого тела, плазмы, ядерной физике. В каждой из этих областей Тамм получил результаты, сами по себе достаточные для того, чтобы его имя вошло в историю физики.
Исследования, выполненные Таммом, несомненно, являются фундаментальными. Они играют большую роль в развитии физики, хотя и не относятся к тем, которые могут быть немедленно использованы в технике.
В тридцатые годы нашего столетия — знаменательные для физики годы — внимание Тамма привлекают теоретические проблемы ядра, элементарных частиц и ядерных сил.
В 1934 году, через два года после того, как ученик Резерфорда Джеймс Чадвик открыл в ядре нейтральную частицу, названную им нейтроном, Тамм проанализировал силы, действующие между протонами и нейтронами.
В этой работе Тамм впервые высказал мысль, что силы и вообще взаимодействия между частицами возникают в результате обмена другими частицами. («Я не знаю, что такое сила!» — восклицал Ньютон.) Он предположил, что в основе взаимодействия протона и нейтрона лежит обмен электрона и нейтрино. Тамм построил количественную теорию ядерного взаимодействия, но конкретная модель оказалась неподходящей. Сама же идея Тамма была очень плодотворной, и все последующие теории ядерных сил строились по схеме, разработанной Таммом.
Через несколько лет после того, как Тамм опубликовал свои работы по теории ядерных сил, где выдвинул идею их обменного характера, в физике произошло весьма важное событие. Японский теоретик Хидеки Юкава, развивая идеи Тамма и ссылаясь на его работы, предсказал существование новых, еще неизвестных ядерных частиц, которые он назвал мезонами.
Свойства мезонов, открытых в конце концов экспериментаторами, совпали с предсказанными Юкавой. Теперь эти частицы называются пи-мезонами. Хидеки Юкава за свое открытие получил в 1949 году Нобелевскую премию по физике.
Таким образом, идеи Тамма привели к большим успехам в понимании ядерных сил. По свидетельству учеников, Тамм считал эту работу одним из лучших своих научных достижений.
В 1943 году Я.И. Френкель и А.Ф. Иоффе в «Записке об ученых трудах И.Е. Тамма» высоко оценивали его научную деятельность. «Игорь Евгеньевич Тамм, — писали они, — является одним из наиболее крупных физиков-теоретиков в СССР. Его многообразные труды, посвященные различным и самым сложным вопросам физической теории — от крайне абстрактных до самых конкретных, — обнаруживают необыкновенную физическую интуицию и вместе с тем мастерское владение математическим аппаратом теоретической физики — сочетание, характеризующее самых одаренных и блестящих физиков».
В 1946 году заместитель директора ФИАНа известный физик В.И. Векслер так охарактеризовал научную работу Тамма: «И.Е. Тамм — один из наиболее выдающихся советских физиков-теоретиков. Его работы, в особенности по вопросам физики атомного ядра, хорошо известны у нас и за границей и имеют высокую оценку. В особенности интересен ряд работ И.Е. Тамма о природе внутриядерных сил. Также общим признанием пользуются исследования И.Е. Тамма по фотоэлектрическому эффекту. Много сделано им также и в области классической электродинамики».
На Ученом совете Института физических проблем 7 сентября 1953 года академик Л.Д. Ландау выдвинул кандидатуру И.Е. Тамма на очередные выборы в Академию наук СССР.
Тамм был избран академиком.
В 1958 году Тамму была присуждена Нобелевская премия по физике. Вместе с ним Нобелевскими лауреатами стали известные физики Илья Михайлович Франк и Павел Алексеевич Черенков. Премия была присуждена этим трем ученым за открытие и объяснение «эффекта Черенкова». Эффект излучения «сверхсветового электрона» был открыт экспериментально в опытах П.А. Черенкова, поставленных под руководством академика Сергея Ивановича Вавилова в 1934 году.
Вкратце история открытия эффекта Черенкова такова. В начале тридцатых годов С.И. Вавилов занимался исследованиями люминесценции. П.А. Черенков был его аспирантом. Он в 1934 году исследовал люминесценцию, возникающую в растворах солей, содержащих уран (уранил). Раствор облучался бета-излучением, возбуждающим люминесценцию. Комната, где работал Черенков, была совершенно затемнена. Наблюдать слабое люминесцентное свечение было мучительно для глаз и быстро. утомляло исследователя. В этих опытах Черенков обратил внимание на еще более слабое, чем люминесценция, синее свечение. Продолжая опыты, Черенков установил, что слабое синее свечение наблюдается не только в растворах солей, но и в чистых жидкостях, например в дистиллированной воде, спирте, толуоле, глицерине и других.
Когда Черенков поместил вещество, излучающее свечение, между полюсами электромагнита, то обнаружил, что свечение распространяется не во все стороны, подобно свету, а только по определенным направлениям, составляющим некоторый угол с траекторией электрона и образующим конус. Яркость свечения возрастет, если электроны отклонить магнитным полем в сторону, откуда смотрит наблюдатель, и, наоборот, станет слабее, если электроны отклонятся от точки, где находится наблюдатель.
Прибор для демонстрации этого характерного и неизвестного ранее свойства излучения Черенкова демонстрировался на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 году. Прибор построил Черенков. Он вызвал большой интерес у посетителей выставки, которые наблюдали, как, изменяя направление магнитного поля, можно заставить поворачиваться пучок синего света.
Тогда еще никто не думал, что благодаря своему удивительному свойству, излучение Черенкова будет практически применено в весьма ценных приборах для исследования ядерных частиц.
Тамм и Франк в 1937 году построили количественную теорию излучения Черенкова. Согласно этой теории электрон, как и любая другая частица, движущаяся в прозрачной среде со скоростью, превышающей скорость света в данной среде (она называется фазовой скоростью), должна сама излучать свет. Частицы иногда обладают такой большой энергией, что могут проходить значительный путь в прозрачной среде.
Быстрые электроны, испускаемые радиоактивными веществами или выбиваемые в веществе гамма-излучением, в большинстве случаев имеют скорость, превышающую скорость света в пустоте на одну десятую и меньше, следовательно, они должны сами излучать свет.
Электрон, движущийся в плотной среде, сопровождается V-образной волной — ее можно сравнить для наглядности с ударной волной, которая образуется за снарядом, летящим со скоростью больше скорости звука в воздухе.
Можно получить экспериментально частицы, двигающиеся со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. Такое движение электронов и вызывает эффект Черенкова. Принцип теории относительности Эйнштейна, гласящий, что частицы не могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света в пустоте, не нарушается.
Излучение Черенкова можно наблюдать не только при взаимодействии электронов с веществом, как в опытах Черенкова. Оно возникает и в случае взаимодействия с веществом других заряженных частиц: мезонов, протонов и т.д.
Теория Тамма и Франка объяснила эффект Черенкова с точки зрения классической электромагнитной теории. Она полностью подтвердилась экспериментами и дала огромный толчок множеству исследований, проведенных в Советском Союзе и во многих странах мира.
Позднее эффект Черенкова был объяснен с точки зрения квантовых представлений учеником Тамма академиком Виталием Гинзбургом.
Б начале считали, что свечение Черенкова не имеет практического значения, хотя само по себе представляет интересное физическое явление. Однако оказалось, что в оптическом диапазоне спектра электромагнитных волн оно может служить очень эффективным методом регистрации отдельных частиц и даже измерения их энергии. При движении через вещество заряженной частицы, например электрона, протона, мезона и других, в нем возникает световая вспышка, которую можно зафиксировать с помощью прибора фотоумножителя. Именно это свойство было использовано для создания счетчиков Черенкова. Эти счетчики получили широкое применение в экспериментальной физике, особенно в физике высоких энергий.
Счетчики Черенкова применяются для регистрации быстрых заряженных частиц и для определения их свойств; направления движения, величины и знака заряда и т.п. Частица, попавшая в счетчик, регистрируется практически мгновенно, это очень важно. Люминесцентные (сцинтилляционные) счетчики частиц не обладают таким быстродействием. Это объясняется тем, что в люминесценции существует так называемое время высвечивания, вызывающее задержку регистрации. Следовательно, если частица короткоживущая, т.е. время ее существования меньше времени высвечивания, то ее нельзя зарегистрировать сцинтилляционным счетчиком.
Свойство счетчиков Черенкова регистрировать частицы мгновенно позволило использовать их в одном из наиболее интересных в последние десятилетия открытий ядерной физики: открытия античастицы — антипротона. Американский физик, итальянец по происхождению, Эмилио Сэгре открыл эту удивительную частицу, использовав в своих опытах целую систему счетчиков Черенкова. Антипротон — короткоживущая частица. За открытие антипротона Эмилио Сэгре получил в 1959 году Нобелевскую премию. Позднее он же открыл антинейтроны.
Счетчики Черенкова играют большую роль при изучении частиц, входящих в состав космических лучей. Их устанавливают обычно на космических ракетах, искусственных спутниках и других устройствах для космических исследований.
В начале февраля 1959 года в связи с присуждением Нобелевской премии И.Е. Тамму, И.М. Франку и П.А. Черенкову состоялось их выступление в Москве в Политехническом музее.
Часть своего выступления Тамм посвятил рассказу о том, в какой обстановке вручаются Нобелевские премии. Этот яркий, увлекательный, наполненный живым юмором рассказ позволим себе привести на страницах этой книги относительно подробно, тем более что по нему можно судить о характерной для Тамма манере публичных выступлений.
«Дело происходит следующим образом, — начал Игорь Евгеньевич. — 10 декабря лауреатов утром ведут в Концерт-холл. Там предварительно проделывается весь церемониал. Церемониал заключается в том, что лауреаты стоят за кулисами. Зал наполняется, и когда пришла королевская семья и король — играют фанфары.
...Впереди идут чиновники, разукрашенные лентами и орденами. Потом в строгом порядке следуют лауреаты и возле каждого — шведский академик. Доходят до ковра, каждый до определенного цветочка на ковре. Затем делают поклон и садятся, причем это единственный случай, когда все стоят — и король и королевская семья, а лауреаты сидят, причем в строгом порядке, на первом месте физики, потом химики, затем биологи, а у физиков сначала экспериментаторы и т.д. в строго установленном порядке...
Затем по каждой специальности произносится речь представителем Академии наук, который излагает важность работ, сделанных лауреатом. Торжественная церемония достигает своей кульминации... Потом они в определенном порядке спускаются по ступенькам, и король вручает лауреатам очень тщательно и изящно сделанные дипломы. Причем для каждой специальности художник дает новый рисунок на диплом, имеющий отношение к данному открытию. В частности, в моем случае это было фиолетово-синее свечение неизвестно чего. Затем вручается большая золотая медаль. После того, как закончилось вручение премий физикам, музыка играет определенные вещи Баха. Когда вручаются премии химикам, музыка играет Бетховена и так по каждой специальности своя музыка...»
Во время поездки в Швецию Тамм посетил Альфена, которого он считал крупнейшим шведским ученым. Он говорил, что работы Альфена — самое интересное, с его точки зрения, достижение шведской науки. Альфен создал новую область науки — магнитную гидродинамику.
Вполне понятен глубокий интерес Тамма к этой проблеме, если учесть, что к этому времени он уже участвовал в исследовательской работе по термоядерным реакциям, начатой у нас в Советском Союзе по инициативе И.В. Курчатова.
Тамм самым подробным образом ознакомился с исследованиями Альфена, в частности с его работами по изучению явлений, происходящих в плазме.
Игорь Евгеньевич интересовался биологией и внимательно следил за ее поразительным развитием в наше время.
Тамм, разумеется, был не единственным физиком-теоретиком крупного масштаба, внимательно изучавшим актуальные задачи молекулярной биологии, математической генетики и других областей.
Одним из крупнейших физиков-теоретиков, увлекавшихся биологией, был Нильс Бор. Уже давно ученые пришли к мысли о тесной связи между процессами «живой» и «неживой» природы. Многие физики ставили и ставят перед собой задачу найти пути к универсальным законам, объединяющим в равной степени эти процессы. Такие законы можно было бы выражать с помощью математического аппарата, используемого физиками-теоретиками для описания, например, квантовых законов, ядерных взаимодействий и т.д.
Я.И. Френкель также глубоко интересовался биологическими вопросами. Этот интерес у него проявился еще в молодые годы и оставался на всю жизнь. Однажды на семинаре А.Ф. Иоффе Френкель выступил со «странным» докладом о различии между «живой» и «мертвой» природой. И.Е. Тамм в написанной им биографии Я.И. Френкеля счел нужным привести цитату из этого доклада, изложенного Френкелем в виде статьи под названием «Общий характер жизненных процессов». Вот отрывок из статьи:
«Нормальное состояние всякой мертвой системы есть состояние устойчивого равновесия, в то время как нормальное состояние всякой живой системы, с какой бы точки зрения она ни рассматривалась (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.