Георгий гамов и его открытия

Учёба в Ленинградском университете (1922—1928)

В 1922 году Гамов решил поступить на физико-математический факультет Петроградского университета, который был центром зарождавшейся советской физической науки. Чтобы иметь дополнительные средства к существованию, после прибытия в Петроград в июле 1922 года Гамов устроился наблюдателем на Метеорологическую станцию Лесного института, трижды в день снимая показания приборов. Он оставался на этой работе, полученной по протекции старого знакомого его отца профессора В. Н. Оболенского, до сентября 1923 года, совмещая её с учёбой в университете.

С сентября 1923 по октябрь 1924 года Гамов заведовал полевой метеорологической обсерваторией 1-й Артиллерийской школы, читал там лекции по физике. В октябре 1924 года Гамов был приглашён Дмитрием Рождественским в Государственный оптический институт, где молодой сотрудник занимался разработкой методики отбраковки оптического стекла и изучением аномальной дисперсии света в парах калия. Это сотрудничество продолжалось до апреля 1925 года, когда Гамов решил окончательно сосредоточиться на теоретических исследованиях. Он хотел специализироваться в области общей теории относительности, и вскоре его руководителем стал Александр Фридман . После безвременной смерти последнего (в сентябре 1925 года) руководство Гамовым принял Юрий Крутков , ученик Пауля Эренфеста. Дипломная работа Гамова была посвящена некоторым вопросам теории адиабатических инвариантов. Безусловную пользу молодому учёному принесли лекции, которые в то время в университете читали такие известные физики и математики как Орест Хвольсон, Всеволод Фредерикс, Александр Тудоровский, Владимир Смирнов, Юрий Крутков.

Во времена студенчества формируется тесный кружок молодых физиков-единомышленников, названный его участниками «Джаз-бандой». Его ядро первоначально составили Гамов, Дмитрий Иваненко, Андрей Ансельм и В. А. Кравцов. Вскоре к ним присоединились Лев Ландау, Матвей Бронштейн и Виктор Амбарцумян. Трое друзей из этого кружка, Гамов, Иваненко и Ландау, опубликовали в начале 1928 года в Журнале Русского физико-химического общества статью «Мировые постоянные и предельный переход», в которой дали иерархию физических теорий на основе системы фундаментальных констант, включающих скорость света, гравитационную постоянную и постоянную Планка (так называемая cGh-система)

Несмотря на то, что сами авторы считали эту работу всего лишь шуткой и никогда на неё не ссылались, впоследствии она привлекла внимание исследователей своими идеями, которые касаются фундаментальных основ физики и принципов её развития.

Поздняя карьера и жизнь

Могила Гамова на кладбище Грин Маунтин, Боулдер, Колорадо, США

Башня Джорджа Гамова в Университете Колорадо в Боулдере

Гамов работал в Университете Джорджа Вашингтона с 1934 по 1954 год, когда он стал приглашенным профессором Калифорнийского университета в Беркли . В 1956 году он перешел в Университет Колорадо в Боулдере , где оставался до конца своей карьеры. В 1956 году Гамов стал одним из членов-основателей Комитета по изучению физических наук (PSSC), который позже реформировал преподавание физики в средней школе в годы после появления спутника . В том же 1956 году он развелся со своей первой женой. Позже Гамов женился на Барбаре Перкинс (редактор одного из его издателей) в 1958 году.

В 1959 году Гамов, Ганс Бете и Виктор Вайскопф публично поддержали возвращение Фрэнка Оппенгеймера к преподаванию физики в университете Колорадо , поскольку красная паника начала исчезать ( Дж. Роберт Оппенгеймер был старшим братом Фрэнка Оппенгеймера, и оба они работали над Манхэттенским проектом до того, как их карьера в области физики была подорвана маккартизмом ). Находясь в Колорадо, Фрэнк Оппенгеймер все больше интересовался обучением науке посредством простых практических экспериментов, и в конце концов он переехал в Сан-Франциско, чтобы основать Exploratorium . Гамов не доживет до открытия своим коллегой этого инновационного музея новой науки в конце августа 1969 года.

В 1961 году книги атома и его ядро , Гамы предложили , представляющие периодическую систему из химических элементов в виде непрерывной ленты, с элементами в порядке атомного номера раунда раны в трехмерной спирали, диаметр которого ступенчато увеличивается ( в соответствии с тем длиннее строки обычной таблицы Менделеева).

Гамов продолжил преподавание в Университете Колорадо в Боулдере и все больше сосредоточился на написании учебников и книг по науке для широкой публики. После нескольких месяцев плохого здоровья, операций на кровеносной системе, диабета и проблем с печенью Гамов умирал от печеночной недостаточности , которую он назвал «слабым звеном», которое не могло противостоять другим стрессам.

В письме, написанном Ральфу Альферу 18 августа, он написал: «Боль в животе невыносима и не прекращается». До этого у него был долгий обмен письмами с его бывшим учеником, в котором он искал новое понимание некоторых концепций, использованных в его более ранней работе, с Полем Дираком. Гамов полагался на Альфера для более глубокого понимания математики.

19 августа 1968 года Гамов умер в возрасте 64 лет в Боулдере, штат Колорадо , и был похоронен там, на кладбище Грин-Маунтин. В его честь названа башня физического факультета Университета Колорадо в Боулдере.

Книги

Популярный

  • Рождение и смерть Солнца (1940, исправлено в 1952 году)
  • Биография Земли (1941)
  • Один, два, три … Бесконечность (1947, переработка 1961), Viking Press (авторское право возобновлено Барбарой Гамоу, 1974), Dover Publications, ISBN   0-486-25664-2 , иллюстрировано автором. Посвященный его сыну Игорю Гамову , он остается одним из самых популярных в научно-популярном жанре. Книга простирается от математики до биологии , физики , кристаллографии и многого другого.
  • Луна (1953)
  • Гамов, Георгий; Стерн, Марвин (1958). Головоломка-математика . Викинг Пресс. ISBN   978-0-333-08637-7 .
  • Биография физика (1961)
  • Гравитация (1962) Dover Publications, ISBN   0-486-42563-0 . Профили Галилея , Ньютона и Эйнштейна
  • Планета под названием Земля (1963)
  • Звезда по имени Солнце (1964)
  • Тридцать лет, которые потрясли физику: история квантовой теории , 1966, Dover Publications, ISBN   0-486-24895-X .
  • Моя мировая линия: неофициальная автобиография (1970) Viking Press, ISBN   0-670-50376-2

Серия мистера Томпкинса

В этих книгах мистер Томпкинс представлен как «CGH Tompkins», чтобы подчеркнуть понятие физики компьютерной графики .

  • Мистер Томпкинс в стране чудес (1940) Первоначально опубликовано в серийной форме в журнале Discovery (Великобритания) в 1938 году.
  • Мистер Томпкинс исследует атом (1945)
  • Мистер Томпкинс узнает факты из жизни (1953), о биологии
  • Мистер Томпкинс в мягкой обложке (1965), объединяет мистера Томпкинса в стране чудес с мистером Томпкинсом исследует атом , Cambridge University Press, 1993 Canto edition с предисловием Роджера Пенроуза
  • «Мистер Томпкинс внутри себя» (1967), переписанная версия книги « Мистер Томпкинс изучает факты жизни», дающая более широкий взгляд на биологию, включая последние достижения в области молекулярной биологии. В соавторстве с М. Якасом.
  • Новый мир мистера Томпкинса (1999), соавтор Рассел Стэннард обновил мистера Томпкинса в мягкой обложке ( ISBN   9780521630092 является твердой обложкой)
  • Конституция атомных ядер и радиоактивности (1931 г.)
  • Структура атомных ядер и ядерные превращения (1937)
  • Атомная энергия в космической и человеческой жизни (1947)
  • Теория атомного ядра и источников ядерной энергии (1949), соавтор, К.Л. Кричфилд
  • Сотворение Вселенной (1952)
  • Материя, Земля и небо (1958)
  • Physics: Foundations & Frontiers (1960), соавтор, Джон М. Кливленд
  • Атом и его ядро (1961)
  • Мистер Томпкинс становится серьезным: главное Джордж Гамов (2005). отредактированный Робертом Ортером, Pi Press, ISBN   0-13-187291-5 . Включает в себя материал Материи, Земли и Неба, а также атома и его ядра . Несмотря на название, эта книга не является частью серии о мистере Томпкинсе .

Книги А. П. Гамова

У хорошего журналиста за время его профессиональной деятельности собирается много материала и рано или поздно возникает желание написать книгу. Произошло такое и с Александром Гамовым.

В свое время журналист много общался с Виктором Ченомырдиным, и на основе этих диалогов была написана и издана (в Харьковском издательстве «Фолио» в 2007 году) книга «Хотели как лучше… Девятнадцать вечеров с Виктором Черномырдиным, или Как рождались крылатые слова эпохи».

Позже, в 2008 году, эта книга, переработанная и дополненная, была издана в Москве издательствами «Международные отношения» и «ЧеРо» уже более серьезным тиражом — в 10 тысяч экземпляров.

Следующая книга Александра Петровича — «Непарадные портреты» была издана московским издательством «Вагриус» в 2010 году.

Она написана в стиле «интервью без галстуков». В ней описываются интересные встречи и общение журналиста с известными людьми в неформальной обстановке. В частности, катание на горных лыжах с В. Путиным, игра в хоккей с С. Шойгу, боксирование в ринге с Р. Кадыровым, соревнование в беге с С. Степашиным и многое другое.

У многих известных личностей, таких как В. Черномырдин, Б. Немцов, П. Бородин, А. Проханов, В. Жириновский, автор брал интервью в бане. Также в книге представлены портреты женщин — В. Матвиенко, Л. Путиной, Л. Слиски, Д. Поллыевой. Заключительная глава, написанная вместе с журналисткой Любовью Гамовой, посвящена Нонне Мордюковой.

В 2011 г. в оренбуржском издательстве «Печатный дом «Димур» вышла книга Александра Гамова «Где-то звенит капель», в которую вошли очерки, рассказы, новеллы и повесть писателя. Критики отметили прозу автора, как «светлую, грустную, но при этом очень оптимистичную».

Нуклеосинтез Большого взрыва

Работа Гамова привела к развитию теории горячего «большого взрыва» расширяющейся Вселенной. Он был первым, кто использовал нестатические решения Александра Фридмана и Жоржа Лемэтра гравитационных уравнений Эйнштейна, описывающих вселенную с однородной плотностью материи и постоянной пространственной кривизной. Решающее достижение Гамова обеспечило бы физическое воплощение идеи Лемэтра об уникальном изначальном кванте. Гамов сделал это, предположив, что в ранней Вселенной преобладала радиация, а не материя. Большинство более поздних работ по космологии основано на теории Гамова. Он применил свою модель к вопросу о создании химических элементов и последующей конденсации материи в галактики, массу и диаметр которых он смог вычислить в терминах фундаментальных физических параметров, таких как скорость света c , ньютоновская гравитационная постоянная G , постоянная тонкой структуры Зоммерфельда α и постоянная Планка h .

Интерес Гамова к космологии возник из его более раннего интереса к генерации энергии, производству и преобразованию элементов в звездах. Эта работа, в свою очередь, развилась из его фундаментального открытия квантового туннелирования как механизма ядерного альфа-распада и его применения этой теории к обратному процессу для расчета скорости термоядерной реакции.

Сначала Гамов считал, что все элементы могут быть произведены на ранней стадии Вселенной при очень высокой температуре и плотности. Позже он пересмотрел это мнение на основании убедительных доказательств, представленных Фредом Хойлом и другими, что элементы тяжелее лития в основном образуются в термоядерных реакциях в звездах и сверхновых. Гамов сформулировал набор связанных дифференциальных уравнений, описывающих предложенный им процесс, и поручил в качестве темы докторской диссертации своему аспиранту Ральфу Альферу задачу численного решения уравнений. Эти результаты Гамова и Альфера появились в 1948 г. как статья Альфера – Бете – Гамова . Прежде чем его интерес перешел к вопросу о генетическом коде, Гамов опубликовал около двадцати статей по космологии. Самый ранний из них был в 1939 году, когда Эдвард Теллер рассказал о формировании галактик, а в 1946 году последовало первое описание космического нуклеосинтеза. Он также написал много популярных статей и академических учебников по этому и другим предметам.

В 1948 году он опубликовал статью, посвященную ослабленной версии связанной системы уравнений, описывающей образование протона и дейтрона из тепловых нейтронов. Посредством упрощения и использования наблюдаемого отношения водорода к более тяжелым элементам он смог получить плотность вещества в начале нуклеосинтеза, а также массу и диаметр ранних галактик. В 1953 году он получил аналогичные результаты, но на этот раз основанные на другом определении плотности вещества и излучения в то время, когда они стали равными. В этой статье Гамов определил плотность реликтового фонового излучения, исходя из которой была предсказана текущая температура 7 К — значение, которое чуть более чем вдвое превышало принятое в настоящее время значение.

В 1967 году он опубликовал воспоминания и резюме своих работ, а также работы Альфера и Роберта Германа (как с Гамовым, так и независимо от него). Это было вызвано открытием космического фонового излучения Пензиасом и Вильсоном в 1965 году; Гамов, Альфер и Герман чувствовали, что они не получили должного признания, которого они заслуживали за свои теоретические предсказания его существования и источника. Гамова смутил тот факт, что авторы сообщения, объясняющего значение наблюдений Пензиаса / Вильсона, не смогли распознать и процитировать предыдущую работу Гамова и его сотрудников.

Гамов за границей. Теория альфа-распада (1928—1931)

Гамов окончил университет в 1926 году и поступил в аспирантуру. В том же году он был рекомендован в качестве кандидата на поездку в Германию на стажировку. Однако разрешение и все необходимые документы были получены лишь весной 1928 года. В июне он прибыл в Гёттинген, где был представлен руководителю тамошней группы теоретиков Максу Борну. Решив заняться какой-либо нерешённой теоретической проблемой, Гамов выбрал в качестве основного направления теорию атомного ядра, и в частности, проблему альфа-распада — одного из видов радиоактивности. Применив идею о квантовомеханическом проникновении волновой функции альфа-частицы через кулоновский барьер (туннельный эффект), ему удалось показать, что частицы даже с не очень большой энергией могут с определённой вероятностью вылетать из ядра. Это было первое успешное объяснение поведения радиоактивных элементов на основе квантовой теории. Следует отметить, что идею о подбарьерном туннелировании в то время уже использовали при объяснении явлений термоэлектронной (Лотар Нордгейм) и автоэлектронной эмиссии (Нордгейм и Ральф Фаулер), а также при рассмотрении поведения двухатомных молекул (Фридрих Хунд). Практически одновременно с Гамовым качественную идею о роли туннельного эффекта в процессе альфа-распада высказали Рональд Гёрни и Эдвард Кондон, однако Гамову удалось получить важные количественные результаты

На основе своей теории Гамов смог оценить размер ядер (порядка 10^{-13} см) и, что ещё более важно, дать теоретический вывод эмпирического закона Гейгера — Неттолла, связывающего энергию вылетающей альфа-частицы с характерным временем альфа-распада (периодом полураспада ядер). Уже в июле Гамов окончил свою статью и отослал её в журнал «Zeitschrift für Physik», его теория быстро получила признание, а успех Гамова сделал его широко известным в научном мире.

В сентябре 1928 года срок командировки Гамова истёк и ему необходимо было возвращаться в Ленинград. По дороге он заехал в Копенгаген, где встретился с Нильсом Бором, который предложил ему остаться на год в его институте и выхлопотал ему стипендию фонда Карлсберга. Этому поспособствовало и рекомендательное письмо на имя Бора, написанное Абрамом Иоффе. За время своей продлившейся командировки Гамов посетил другие важнейшие научные центры того времени: в Лейдене он обсуждал с Паулем Эренфестом первые шаги капельной модели ядра и связанные с ней представления об уровнях энергии ядер; в Кембридже он включился в обсуждение перспектив расщепления ядер ускоренными протонами, которые оказались весьма эффективным инструментом благодаря туннельному эффекту (соответствующие эксперименты были осуществлены Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном в 1932 году).

Весной 1929 года Гамов вернулся в Ленинград, а уже осенью он вновь был в Копенгагене. Этому способствовало получение им годовой стипендии Рокфеллеровского фонда (120 долларов в месяц), на которую он был выдвинут его бывшим научным руководителем Крутковым и академиком Алексеем Крыловым. Его кандидатуру поддержали кембриджские физики Эрнест Резерфорд и Ральф Фаулер. За рубежом Гамов по-прежнему активно участвовал в работах по ядерной тематике, проводившихся в Дании и Англии, много путешествовал. Он планировал отправиться в путешествие по Европе на мотоцикле летом 1931 года, однако по окончании срока командировки был вынужден вернуться в СССР, поскольку у него истёк срок действия визы.

Вновь в Ленинграде. Эмиграция (1931—1933)

Весной 1931 года Гамов вернулся в Ленинград и сразу же включился в работы по ядерной физике, которые начали проводиться в Радиевом институте, Физико-математическом институте (ФМИ) и Ленинградском университете. Вскоре академик Абрам Иоффе пригласил его консультантом новообразованного Отдела физики ядра в Ленинградском Физико-техническом институте, где уже трудились такие учёные как Николай Семёнов, Игорь Курчатов, Яков Френкель, Владимир Фок и др. В то же время Гамов являлся одним из инициаторов организации Института теоретической физики на базе Физического отдела ФМИ, однако эта инициатива не нашла поддержки у академического руководства. В марте 1932 года заслуги Гамова были оценены на очередных выборах в АН СССР: он был избран членом-корреспондентом, он был и остаётся самым молодым из избранных физиков за всю её историю — в 28 лет.

В период работы Г. А. Гамова в физическом отделе Радиевого института (1931—1934), возглавлявшемся В. Г. Хлопиным, под руководством и при непосредственном участии И. В. Курчатова, Л. В. Мысовского и Г. А. Гамова, создан первый в Европе циклотрон (в 1932 году Г. А. Гамов и Л. В. Мысовский представили проект к рассмотрению Учёным советом, утвердившим его; установка запущена в 1937 году).

В 1931 году произошли серьёзные изменения в личной жизни Гамова: он познакомился с выпускницей физико-математического факультета МГУ Любовью Вохминцевой, и вскоре они поженились. В это же время Гамов почувствовал изменения в отношении положения учёных в СССР: в октябре 1931 года в Риме состоялся Международный конгресс по ядерной физике, куда был приглашён и Гамов, но ему так и не удалось получить разрешение на выезд (его доклад прочитал Макс Дельбрюк). После этого Гамов стал искать случай покинуть страну, в том числе нелегально. Летом 1932 года, во время отпуска в Крыму, Гамов с женой попытались доплыть на байдарке до турецкого побережья, однако им помешал шторм.

Удобный случай представился осенью 1933 года, когда Гамов по рекомендации Иоффе был назначен советским представителем на Седьмом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе. Благодаря знакомству с Николаем Бухариным Гамов смог попасть на приём к Молотову и получить визу и для своей жены. По завершении срока командировки он решил не возвращаться и начал переговоры о получении постоянной работы за рубежом. В то же время он не хотел окончательного разрыва с родиной, желая продлить командировку. В письме Петру Капице Гамов писал:

Сейчас я хочу идти по Вашим стопам и, если возможно, перейти в так называемое «Kapitza-Zustand» , то есть жить за границей с советским паспортом. Написал в Москву, прося в firm expressions продления командировки на год.

Таким образом, целью Гамова была возможность подобно Капице работать за границей, свободно посещать крупнейшие научные центры и мероприятия и при этом в любое время посещать СССР. Однако это желание не нашло понимания на родине, хотя возможность вернуться оставалась ещё довольно долго. Лишь спустя год, в октябре 1934 года, после того как он не вернулся к крайнему установленному сроку, Гамов был окончательно уволен из Радиевого института и ФМИ, и только в 1938 году он был исключён из числа членов-корреспондентов АН СССР.

Радиоактивный распад

В начале 20-го века было известно, что радиоактивные материалы имеют характерную экспоненциальную скорость распада или период полураспада. В то же время было известно, что излучение имеет определенные характерные энергии. К 1928 году Гамов в Геттингене с математической помощью Николая Кочина решил теорию альфа-распада ядра посредством туннелирования . Проблема была также решена независимо Рональдом У. Герни и Эдвардом У. Кондоном . Однако Герни и Кондон не достигли количественных результатов, достигнутых Гамовым.

Классически частица ограничена ядром из-за того, что для выхода из очень сильной ядерной потенциальной ямы требуется большая энергия . Также классически требуется огромное количество энергии, чтобы разорвать ядро ​​на части, что не могло бы произойти спонтанно. В квантовой механике , однако, существует вероятность, что частица может «туннелировать» сквозь стенку потенциальной ямы и ускользнуть. Гамов решил модельный потенциал ядра и вывел из первых принципов взаимосвязь между периодом полураспада процесса альфа-распада и энергией излучения, которая была ранее обнаружена эмпирически и известна как закон Гейгера-Наттолла . Несколько лет спустя название фактора Гамова или фактора Гамова-Зоммерфельда было применено к вероятности прохождения ядерных частиц, туннелирующих через электростатический кулоновский барьер и вступающих в ядерные реакции.

Астрофизические изыскания Гамова

Из школьного курса физики известно, что газ, расширяясь, охлаждается. Примерно то же происходило и с веществом ранней Вселенной. Если сейчас ее средняя температура невысока, то в первые несколько миллиардов лет существования Вселенной она была чрезвычайно высокой.

Первым, кому эта мысль пришла в голову, был замечательный советский и американский физик-теоретик и астрофизик, уроженец Одессы Георгий Гамов.

В 1948 г. была опубликована его работа, посвященная «горячей Вселенной», которая опиралась на широко известную к тому времени теорию расширяющейся Вселенной А. Фридмана.

Согласно теории Фридмана, эволюции Вселенной предшествовал Большой Взрыв. Он произошел одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались все тела — Солнце, звезды, галактики и планеты, а также Земля.

Но Гамов предположил, что первичное вещество мироздания было не только очень плотным, но и очень горячим. В этом горячем и плотном веществе происходили ядерные реакции и рождались легкие химические элементы.

Известно, что все частицы имеют как волновую, так и корпускулярную природу, то есть каждой частице соответствует волна. Следовательно, вещество и излучение имеют одну и ту же природу, хотя и проявляют себя по-разному.

Но примерно через миллион лет после Большого Взрыва наступил момент, когда вещество «отделилось» от излучения.

Понижение температуры привело к образованию ядер водорода, которые «захватили» из окружающей среды свободные электроны. Пространство стало прозрачным для излучения и оно, так сказать, «оторвалось» от вещества.

С течением времени спектр этого излучения менялся — в расширяющейся Вселенной оно теряло температуру.

Однако сколько бы ни прошло времени, эта температура не могла упасть до абсолютного нуля. Остаток этого первичного излучения — эха Большого Взрыва — должен был заполнить всю Вселенную, и Гамов предположил, что его можно уловить с помощью специальных приборов.

Ученый даже предсказал на основе расчетов, что температура этого древнейшего, или, как его назвали позже, реликтового излучения должна быть на 5-6 градусов выше абсолютного нуля.