Эпоха и личность. Физики. Очерки и воспоминания
Шрифт:
Но главное здесь, конечно, в том, что впервые в физике движение многих взаимодействующих частиц было сведено к газу квазичастиц. Значение этого шага трудно переоценить. Однако с тех пор квазичастицы разных типов, в частности фононы, так прочно вошли в физику, стали таким привычным понятием, что, заглянув в какую-либо специальную физическую или общую энциклопедию, вы в статьях «фонон» или «квазичастица» не найдете даже упоминания о том, что в физику они были введены Таммом.
Вслед за этим сразу последовала другая важная работа Игоря Евгеньевича — о рассеянии света на свободном электроне, т. е. теория комптон-эффекта. Это опять частный процесс, но результаты снова имеют принципиальное значение.
Игорь Евгеньевич пересмотрел вопрос о комптон-эффекте, последовательно квантуя поле по Паули и Гейзенбергу, т. е. используя вторичное квантование. Окончательная формула совпала с той, которую получили Клейн и Нишина за год до того, применяя метод соответствия. Что же, Тамм просто подтвердил их результат, и его работа принадлежит к разряду так презиравшихся Ландау «Verkl"arungen» и «Neubegr"undungen» (разъяснения и новые обоснования)? Отнюдь нет. Дело в том, что при вторичном квантовании в рассмотрение входят промежуточные состояния. И вот Игорь Евгеньевич обнаружил, что промежуточные состояния, при которых дираковский электрон оказывается в состоянии с отрицательной энергией, играют фундаментальную роль. Даже в предельном случае рассеяния длинных (инфракрасных) волн, когда в результате получается классическая формула Томсона, эти состояния с отрицательной энергией совершенно необходимы.
Надо вспомнить, что в то время наличие в теории Дирака состояний с отрицательной энергией было «головной болью» для физиков. Ведь все реальные электроны, имеющие положительную энергию, должны были бы упасть на уровень с бесконечно большой отрицательной энергией.
С этой статьей связан личный эпизод, ради которого, быть может, стоит отвлечься. Сохранилось письмо И. Е. Тамма к П. Эренфесту от 24 февраля 1930 г. Из него видно, что Игорь Евгеньевич сначала послал статью с небольшой ошибкой. Вот выдержка из этого письма:
«Дорогой Павел Сигизмундович, Вы, наверное, получили мою телеграмму. Мне страшно, страшно стыдно. Я, как писал, трижды проверял свои вычисления перед тем, как послать Вам заметку. Затем сел писать работу полностью для печати — при этом я всегда делаю все выкладки заново, не глядя в ранее написанное. И вот оказалось, что в самом начале я всюду путал знак у синуса). Если сделать все правильно, то в окончательной формуле никакого отличия от формулы Клейна-Нишины нет!
Вся эта история мне тем более обидна, что мне теперь удалось привести вычисления в нравящуюся мне изящную форму. Если их совсем немного видоизменить, то можно, например, вычислить вероятность спонтанного перехода электрона из состояния положительной энергии в состояние энергии отрицательной. Этим я сейчас занимаюсь и закончу на днях.
Ужасно мне неприятно, что я второй раз обращаюсь к Вам с просьбой о напечатании и второй раз с такими промахами (в прошлом году не симметризовал волнового уравнения)…
P. S. Конечно, все сказанное о преобладающей роли переходов через состояние отрицательной энергии остается справедливым. Иг. Т.».
В своих воспоминаниях об Игоре Евгеньевиче (см. выше очерк «Тамм в жизни») я написал, что у него не опубликовано ни одной ошибочной работы и что в печать направлялось только тщательно и многократно проверенное. Оказывается, все же были моменты, когда он спасался от опубликования ошибки в последнюю минуту. Заметим, что, как видно из письма, в исправленную статью он внес дополнения, в частности, формулу для сечения аннигиляции электрона и позитрона.
Дираковской теории электрона посвящены еще две более частные заметки Тамма в 1930 г. (о рассеянии света на двух электронах) и в 1934 г. (там, где в статье обычно указывается название института, в котором работа выполнена, стояло: «Теберда-Кавказ», т. е. она была выполнена на отдыхе в горном курорте).
В 1931 г. Тамм поехал работать в Кембридж к Дираку, которого он называл гением, которым восхищался. По дороге заехал к Эренфесту в Лейден, а на обратном пути — к Йордану, в Росток. Общение с Дираком привело к настоящей дружбе. В письме Л. И. Мандельштаму Игорь Евгеньевич писал: «В Кембридже мне очень хорошо… В научном отношении… самое интересное новая работа Дирака, законченная “на моих глазах”… Он показывает, что квантово-механически возможно существование изолированных магнитных полюсов». Игорь Евгеньевич добавляет, что в связи с этим он «написал математическую работу — исследование забавных свойств собственной функции электрона в поле магнитного полюса».
Дирак обучил Тамма вождению автомобиля и они поехали в Шотландию, где в подходящем месте Игорь Евгеньевич в ответ обучал Дирака альпинизму (перед этим «…в качестве предварительного курса я лично лазал с ним по деревьям», — пишет он в том же письме). После этого, во время приездов Дирака в СССР, Тамм не раз ходил с ним в альпинистские походы на Кавказе.
Но вернемся к физике.
После работ по рассеянию света и теории электрона Дирака Игорь Евгеньевич переключился на новую область — квантовую теорию металлов, тогда только зарождавшуюся. Здесь были исследованы три существенные проблемы.
Едва ли не самая важная из этого цикла — работа Тамма, в которой он обнаружил возможность существования особых поверхностных состояний электронов в металле. Находясь в таком состоянии, электрон не может ни вылететь наружу, ни войти внутрь металла. Эти «уровни Тамма», как их с тех пор называют, оказались исключительно важными для физики поверхностных явлений, а через четверть века — для транзисторной техники и т. п. Уже в 60-е годы эта область так разрослась, что появилась монография С. Дэвисона и Дж. Левина «Поверхностные (таммовские) состояния» (на русском языке изданная в 1973 г.). Кроме того, была опубликована основополагающая работа (совместная с его учеником С. П. Шубиным) по теории фотоэффекта на металле и статья о «работе выхода» электрона из металла.
Наконец, заканчивая рассказ об этом периоде, нельзя не упомянуть, что Игорь Евгеньевич впервые выступил со статьей по методологическим вопросам физики в философском журнале. Защищая новую физику — теорию относительности и квантовую механику — от невежественных нападок партийных философов и консерваторов-физиков, объявивших себя марксистами, он тактично объяснял им истинное значение нового этапа в развитии науки, но добился лишь яростной ненависти к нему, закрепившей его репутацию «буржуазного идеалиста». Она принесла ему в дальнейшем много опасных неприятностей.
Остановимся на минуту и рассмотрим положение в физике в это время, ставшее переломным для нее и в мире, и в нашей стране.
В мире это проявилось в том, что в 1932 г. были экспериментально открыты позитрон (и это блестяще подтвердило предсказание теории Дирака, укрепив авторитет квантовой механики, теоретической физики вообще) и нейтрон (после чего стало ясно, что ядра состоят из протонов и нейтронов и это открыло новую эпоху — эпоху физики атомных ядер). В апреле того же года Кокрофт и Уолтон на созданной ими высоковольтной установке впервые расщепили атомное ядро ускоренными протонами. Все это (как и многие другие успехи физики) изменило всю атмосферу исследований, и начался резкий рост их масштаба. Это изменение хорошо описано в романе Митчелла Уилсона (физика по образованию), изданном у нас почему-то под названием «Жизнь во мгле» (подлинное английское название — «Life with lightning» — «Жизнь с молнией» восстановлено лишь в новом издании, 1990 г.).