Физики и время

Портреты ученых в контексте истории

(продолжение. Начало в №11/2013)

От пятна на промокашке к Нобелевской премии

Ровесник Борна Джеймс Франк родился в Гамбурге в 1882 году в семье преуспевающего банкира Якоба Франка и его жены Ребекки. Первыми представителями этой семьи, поселившимися в Гамбурге более двух веков назад, были евреи-сефарды, выходцы из Испании. С тех пор Франки сделались состоятельными немецкими гражданами.

За год до рождения Джеймса Гамбург, бывший ранее вольным ганзейским городом, принял решение присоединиться с 1888 года к общегерманскому таможенному союзу. Собственная валюта – гамбургская марка, имевшая серебряный стандарт, ‑ заменялась золотой общегерманской рейхсмаркой. Гамбургские банкиры опасались серьезного финансового кризиса, однако реформа и полное присоединение к вновь образованной Германской империи оказались для города весьма выгодными. Банк отца Джеймса – «Якоб Франк и Ко.» ‑ процветал, экономика портового города была на подъеме. Особенно этому способствовала реконструкция гамбургской гавани, ставшей крупнейшей на европейском континенте. По размерам ее превосходил только лондонский порт. Между Лондоном и Гамбургом издавна существовали тесные торговые отношения. Во время Континентальной блокады Англии, проводимой Наполеоном Бонапартом, Гамбург бедствовал. Немудрено, что симпатии ко всему английскому были широко распространены в городе, англомания была типична для многих гамбургских семей. Вот и второй сын Якоба и Ребекки Франк получил английское имя Джеймс.

Джеймс Франк (второй слева во втором ряду) с классными товарищами, 1888 г.

Интерес к достижениям науки и техники мальчик проявил еще в школьном возрасте. Весной 1896 года Джеймс, играя со старшим братом, сломал руку. Его лечили врачи, но полное выздоровление не наступало. Незадолго до этого Джеймс узнал из газет, что вюрцбургский профессор Вильгельм Конрад Рёнтген открыл в 1895 году лучи, позволяющие просвечивать человеческое тело и делать снимки, на которых видны кости. Ничего не сказав своим родителям, тринадцатилетний Джеймс пошел в Государственную физическую лабораторию, в которой, как он слышал, проводятся разные научные эксперименты. Встреченных им сотрудников лаборатории он спрашивал, где можно сделать снимок руки, но не получал ответа. К счастью, он столкнулся, наконец, с человеком, который мог ему помочь. Физик Б.Вальтер как раз собрал установку, чтобы повторить классический опыт профессора Рёнтгена. Все было готово, и Джеймсу только оставалось положить руку на толстую фотопластинку и на секунду задержать дыхание.

Рентгеновский снимок руки Джеймса Франка с пометками лечащего врача, 7 апреля 1896 г.

На снимке отчетливо видно, что кость предплечья срослась неправильно, врачи должны были снова ее сломать, после чего лечение закончилось без осложнений. Снимок, сделанный 7 апреля 1896 года, с пометкой лечащего врача до сих пор хранится в семейном архиве дочери Франка[1].

В этой истории поражает не только скорость внедрения научного открытия в медицинскую практику – от научного эксперимента Рёнтгена до рентгеновского снимка в медицинских целях прошел всего год, ‑ но и решительность мальчика, готового на себе испытать достижения научно-технического прогресса.

Свои школьные годы Джеймс вспоминал неохотно, чувствовалось, что посещение гимназии не доставляло радости ни ему, ни его учителям. В одном классе ему пришлось даже остаться на второй год. К зубрежке латинских или греческих выражений он не был склонен, куда больше его интересовала взаимозависимость различных явлений природы. Не зря он на всю жизнь запомнил, как однажды на уроке греческого языка, рассматривая жирное пятно в своей тетради, вдруг понял, почему непрозрачная бумага становится прозрачной на свет. Подобное происходит и в случае снега и льда.

Наблюдательность и сообразительность будущего нобелевского лауреата по физике остались для его учителей незамеченными. В аттестате зрелости его знания по естествознанию оценены как «хорошие», и только по математике он получил оценку «очень хорошо».

Весной 1902 года обучение в гамбургской гимназии имени Вильгельма подошло к концу, оставалось лишь сдать выпускные экзамены (абитур). Перед тем, как допустить его к абитуриентским испытаниям, учитель греческого сказал Джеймсу:

«Я слышал, что Вы хотите изучать физику, тогда я ничего не имею против, чтобы допустить Вас к экзаменам. Вот если бы Вы имели намерение изучать что-либо разумное, то я был бы против Вашего допуска к экзаменам»[2].

К выпускным экзаменам девятнадцатилетний Франк был все-таки допущен, получил в итоге по большинству предметов «хорошо» и «удовлетворительно» и завершил, наконец, свое гимназическое образование, получив право поступить в университет.

Отец Джеймса в юности тоже хотел учиться в университете, но семья его не была достаточно богата, чтобы позволить такую роскошь. Теперь же Якоб Франк был готов обеспечить своему сыну университетское образование, вопрос стоял только в том, какой факультет выбрать. Отец считал, что перспективней всего стать юристом, и Джеймс поначалу не возражал. Оставалось выбрать, где учиться.

Гамбургский университет открылся только в 1919 году, до того отцы города не считали науку подходящим занятием для молодых людей старинного ганзейского порта. Поэтому университетское образование нужно было получать в другом городе – в Германии в начале двадцатого века насчитывалось 22 университета, где обучалось примерно 32 тысячи студентов[3]. Многие университеты имели вековые традиции. Исторически сложилось, что в этих высших учебных заведениях были четыре факультета: теологический, юридический, медицинский и философский. Математика и естествознание, включавшее физику и химию, изучались на философском факультете.

В семье Франков ни со стороны отца, ни со стороны матери еще не было ученых с университетским образованием, да и сам Джеймс физиков, кроме своего гимназического учителя, в своей жизни не видел и плохо представлял себе, что это за профессия.

Для изучения юриспруденции выбрали старинный Гейдельбергский университет, давший Германии многих выдающихся юристов. Освобожденный от школьной принудиловки Франк слушал различные лекции и на других факультетах, в том числе, лекции по химии, математике, геологии…

Постепенно Джеймс стал все больше склоняться к тому, что его предназначение – не юриспруденция, а естествознание. Сначала его интересовала химия, но окончательное решение оказалось в пользу физики. Вполне в духе отмеченной выше тенденции: талантливые выходцы из богатых еврейских семей шли в фундаментальную науку, а не продолжали выгодные дела отцов.

К моменту встречи в Гейдельберге с Максом и Гансом Джеймс Франк написал своему отцу о желании заняться естествознанием. Послушный сын, он два года посещал занятия по юриспруденции, записался на лекции по экономике, но ни разу их не посещал. Он чувствовал, что все это не для него. Отец ответил гневным письмом, а потом сам с женой явился в Гейдельберг, чтобы наставить сына на правильный, как он его понимал, путь. Макс Борн и кузен Ганс решили во что бы то ни стало помочь новому товарищу. Это, как вспоминал впоследствии Макс, было нелегким делом:

«Родители Франка считали ученых бедняками, незначительными людьми по рангу ниже служащих. В то время подобное мнение разделяли, судя по всему, многие торговые люди Гамбурга, а евреи – в особенности. Это была захватывающая борьба против предрассудков и родительского эгоизма, но в итоге мы победили – отчасти из-за упорства Джеймса, который заявил, что он лучше сам будет зарабатывать себе на пропитание, чем примет от отца чек с условием продолжать изучать юрисдикцию, отчасти из-за того обстоятельства, что Ганс и я, оба отпрыски богатых купцов, не встретили в наших семьях ни малейших возражений, когда мы решились на изучение естествознания»[4].

Вскоре после, как конфликт в семье Франков был улажен, друзья расстались: в 1902 году Джеймс отправился получать физическое образование в Берлин, а Макс на время вернулся в Бреслау.

Джеймс Франк и Макс Борн - студенты

Оба юноши станут со временем профессорами Гёттингенского университета, директорами физических институтов в этом мировом центре физико-математических исследований, получат Нобелевские премии по физике. Их дружба выдержит испытания временем, хотя их судьбы сложатся по-разному с приходом к власти нацистов. Символично, что в современном Гёттингене две улицы, идущие полукругом, соединяясь, образуют неразрывное кольцо. Одна из них называется «Кольцо Макса Борна» («Max-Born-Ring»), другая – «Кольцо Джеймса Франка» («James-Franck-Ring»).

В Берлине Джеймс Франк жил так же скромно, как и в Гейдельберге, снимая комнату в квартире вместе с каким-то студентом-товарищем. Квартиру выбирали поближе к Физическому институту, расположенному на набережной Шпрее. Однажды летом 1904 года по пути в институт Джеймс спас двух утопающих в реке подростков. Сохранилась даже почетная грамота, выданная Франку президентом полиции Берлина за этот героический поступок[5].

Физический институт Берлинского университета им.Фридриха-Вильгельма

От лекций своего руководителя профессора Варбурга Франк не был в особом восторге, куда больше ему нравилось слушать Макса Планка. Но решающую роль в его физическом образовании сыграл так называемый Коллоквиум, созданный знаменитым физиком Густавом Магнусом[6] еще в 1843 году. Традиция физического кружка, в котором на равных участвуют и студенты старших курсов, и их профессора, а также многие приглашенные ученые из разных городов и стран, тщательно поддерживалась всеми руководителями Физического института. Слушая доклады по актуальным проблемам физики, участвуя, наряду с корифеями, в их обсуждении, Франк приучался критически оценивать результаты экспериментов и новые теории, получал первые навыки участия в научной дискуссии. В еженедельных заседаниях Коллоквиума принимали участие ведущие физики Берлина.

На время учебы Франка в Берлинском университете выпали фундаментальные физические открытия Эйнштейна 1905 года, которые мы уже упоминали. Вскоре после опубликования работ Эйнштейна Макс Планк докладывал о них на заседаниях физического Коллоквиума и убеждал коллег в революционности работ еще мало известного молодого швейцарского коллеги. Теория относительности произвела на Джеймса сильное впечатление, стиль мышления Эйнштейна был ему близок: понять физическую суть явления, прежде чем выражать ее в математической форме. В отличие от своего друга Макса Борна Джеймс не мог похвастаться тем, что математика – сильная сторона его дарования.

Помимо Коллоквиума каждые две недели проходило заседание Немецкого физического общества, членом которого Франк скоро стал. Через некоторое время и сам он смог войти в число докладчиков.

В немецких университетах того времени студенческая жизнь регламентировалась мало. Не было определено заранее, ни сколько семестров должно продолжаться обучение, ни какие курсы лекций студент обязан был посетить. Никаких промежуточных экзаменов или контрольных работ для учащихся не было предусмотрено. Только в конце обучения студент должен был сдать экзамен на доктора, предварительно подготовив и защитив диссертацию, одобренную двумя профессорами университета.

Тему для диссертации Франку предложил его научный руководитель Эмиль Варбург. Как и Петер Прингсхайм, Джеймс должен был исследовать электрический разряд в газах. Варбург и сам давно занимался этой темой, которая помимо чисто теоретического значения, имела и прямой практический выход: с помощью электрических разрядов получали озон, который использовался для очистки воды от примесей.

Эмиль Варбург

Идея о существовании мельчайшей частицы, носительницы электрического заряда, своеобразного «атома электричества», носилась в воздухе в последнее десятилетие девятнадцатого века, после открытия Ленардом «катодных лучей». Показав свои опыты Дж. Дж. Томсону, немецкий экспериментатор фактически подтолкнул своего английского коллегу к фундаментальному открытию, упустив шанс сделать его самому. В 1897 руководитель Кавендишской лаборатории смог измерить отношение заряда к массе для новой частицы. Ее масса оказалась много меньше массы атома. Томсон назвал вначале новую частицу «корпускулом», но вскоре это название вытеснилось привычным для нас словом «электрон».

Джеймс Франк был хорошо знаком с опытами Дж. Дж. Томсона, основательно проработав его книгу, вышедшую в 1903 году[7]. Кроме того, о работах британских физиков Джеймс узнавал из английских научных журналов – «Труды Королевского общества» и «Философский журнал», ‑ которые выписывал на свой адрес.

Не удивительно, что в описании экспериментов Франка по теме его докторской работы много раз встречается новое слово «электрон». Оказалось, что научный руководитель Джеймса этого не одобряет. И великие ученые не всегда сразу принимают новые научные открытия. Почему-то Эмиль Варбург долгое время скептически относился к теории Дж. Дж. Томсона и не верил в существование открытой им частицы. Только в 1906 году, когда Томсон получил Нобелевскую премию за свое открытие, термин «электрон» впервые появился в публикации Эмиля Варбурга.

Диссертационной работе Франка, построенной на признании электрона, было бы нелегко получить одобрение научного руководителя. К счастью для Джеймса, в 1905 году Варбурга назначили президентом берлинского Физико-технического института. На этом высоком посту он проявил себя не только как талантливый ученый, основоположник современной фотохимии, но и как образцовый организатор науки. Ему удалось переломить господствовавшую в Берлине тенденцию разделять чистую науку от прикладной. По инициативе Эмиля Варбурга были созданы несколько научно-исследовательских институтов, в которых теория и практика шли рука об руку.

Дж.Дж.Томсон

С уходом Варбурга из Физического института защита диссертации Джеймса Франка стала реальной. На место директора пришел сорокадвухлетний профессор Пауль Друде[8], принесший с собой демократические манеры, далекие от того, что царили при прежнем директоре. Собеседники Варбурга никогда не забывали, что разговаривают не просто с профессором университета, но и с господином тайным советником – высший титул государственного чиновника в кайзеровской Германии. Друде оказался совсем иным. Когда Джеймс однажды извинился перед ним, что разговаривает без пиджака и галстука, новый директор только отмахнулся, сказав, что на работу можно приходить и в пижаме.

В марте 1906 года Джеймс подал официальное заявление декану философского факультета принять у него экзамен на степень доктора в области физики с двумя дополнительными предметами «химия» и «философия». В начале мая профессора Друде и Планк дали положительные отзывы на диссертационную работу, и заключительный экзамен состоялся 21 мая 1906 года[9]. Знания докторанта проверяли физики Друде и Планк, философ – профессор Алоиз Риль[10] и химик – однофамилец Джеймса профессор Габриэль Франк. Общая оценка экзамена и диссертации была «cum laude» ‑ третья по рангу оценка докторских работ.

Франк, безусловно, был счастлив, что успешно завершил свое университетское образование. Диплом о присуждении докторской степени, полученный им 30 июня, был выполнен по старой традиции на латинском языке, и новый доктор назывался там Якобом (Jacob), а не Джеймсом. Диссертацию Франк опубликовал в журнале Немецкого физического общества, посвятив свою первую печатную работу родителям[11].

Радость от получения докторской степени неожиданно омрачилась трагическим известием: через неделю после получения Франком долгожданного докторского диплома, 5 июля 1906 года покончил собой профессор Друде. Никто из сотрудников Физического института не подозревал, насколько перегруженным новыми обязанностями чувствовал себя недавно назначенный директор.

Пауль Друде

Джеймс выступил во время похорон и от имени всех студентов-физиков сказал теплые слов о покойном профессоре, в семейном архиве Франков сохранилось благодарственное письмо вдовы Друде, тронутой его речью.

Автобиография Франка, приложенная к диссертационной работе, начиналась словами: «Я, Джеймс Франк, родился 26 августа 1882 года в Гамбурге в семье торговца Якоба Франка и воспитывался в еврейской вере»[12].

В официальных документах в то время обычно использовался оборот «моисеева вера» («mosaische Glaube»). Можно только догадываться, почему Франк написал «в еврейской вере» («im jüdischen Glauben»). Возможно, так говорил в семье отец. Одно только бесспорно: не используя стандартное выражение «моисеева вера», Джеймс вовсе не давал понять, что отошел от иудаизма и еврейства. Вся его жизнь, особенно поведение во время гитлеровского господства над Германией и после крушения Третьего рейха, говорит о том, что свою принадлежность к еврейскому народу Франк всегда ощущал очень остро и мгновенно реагировал, когда чувствовал малейшую несправедливость в отношении евреев.

О вере в Бога Джеймс Франк никогда публично не высказывался, но о своем еврействе всегда говорил открыто и гордо. Мы еще сможем в этом не раз убедиться в ходе дальнейшего рассказа.

После окончания университета нужно было один год отдать обязательной военной службе, которая для Джеймса началась первого октября 1906 года. Франк попал в разведку, в батальон телеграфистов. Новобранцев обучали радиосвязи, и молодого доктора наук одновременно смешила и бесила неграмотность унтер-офицеров, обучавших солдат основам физики. Правда, военная служба на этот раз быстро закончилась: в декабре Джеймс неудачно упал с лошади, и его признали негодным для армии. Франк с облегчением вернулся к гражданской жизни.

Перед обладателем докторского диплома открывались различные жизненные пути: можно было стать преподавателем гимназии или заняться разработками на каком-нибудь предприятии, благо в эпоху научно-технической революции новые технологии активно внедрялись в производство. Но Франк выбрал чистую науку. Отец предупреждал сына, что в науке ему может мешать его еврейское происхождение, но Джеймс в это не очень верил: вокруг себя он видел немало профессоров-евреев, например, Варбурга и Рубенса.

В жизни Франка еще не раз так сложатся обстоятельства, что вопрос ‑ «чем заниматься дальше?» ‑ будет остро вставать перед ним. И каждый раз Джеймс будет выбирать научные исследования, к ним лежала у него душа, здесь он чувствовал себя на месте, в науке он мог лучше всего реализовать свои способности.

В летний семестр 1907 года Франк принял приглашение стать ассистентом Физического общества в городе Франкфурт на Майне. Университета в этом богатом купеческом городе еще не было. Как и в Гамбурге, отцы города не стремились дать своим детям университетское образование, считая занятия наукой менее почетным делом, чем коммерция. Это сейчас Франкфуртский университет имени Вольфганга Гёте, основанный в 1912 и открытый в 1914 году, входит в десятку крупнейших университетов Германии.

Условий для продуктивных занятий наукой в Физическом обществе Франкфурта оказалось меньше, чем ожидал Джеймс, поэтому он с радостью вернулся в Берлин, где с помощью друга Роберта Поля[13], знакомого еще со времен гейдельбергского студенчества, ему удалось получить место ассистента в родном Физическом институте Берлинского университета. После неожиданной смерти Друде директором института стал профессор Рубенс. Незадолго до назначения директором Физического института, Рубенса по представлению Макса Планка выбрали действительным членом Прусской академии наук.

Генрих Рубенс

Франку опять повезло с новым директором: молодому ассистенту профессор предоставил полную свободу действий, хотя область интересов Джеймса – поведение электронов и ионов в газах – не совпадала с тем, чем занимался сам Рубенс – излучением абсолютно черного тела. И Франк оправдал доверие: результаты экспериментов и теоретические модели посыпались как из рога изобилия. До 1914 года, т.е. за семь лет, Франк опубликовал 34 работы! Некоторые как единственный автор, большинство в соавторстве с коллегами. Среди них были Роберт Поль, Петер Прингсхайм[14], Лиза Мейтнер[15]…

С Лизой Мейтнер, приехавшей в Берлин из Вены в 1907 году, Франк познакомился на заседаниях Физического коллоквиума, и вскоре они подружились. Часто вместе ходили на концерты. Джеймса, как многих детей в обеспеченных еврейских семьях, в детстве учили игре на скрипке, но потом он сам музицировать перестал. Зато слушать музыку любил.

На одном из концертов Джеймс встретил еще одну родственную душу – начинающую пианистку из Швеции Ингрид Йозефсон. В декабре 1907 года Джеймс и Ингрид поженились, свадьба по еврейскому обряду состоялась в шведском Гётеборге: предки Ингрид, как и Франка, были евреями, высланными из Португалии (мать Ингрид в девичестве носила фамилию Дель Монте). Свидетельство о браке – небольшой листок бумаги без всяких украшений ‑ раввин просто написал от руки[16]. В качестве свадебного подарка Джеймс купил молодой жене рояль «Стейнвей».

Постепенно вокруг Джеймса собралась вся большая семья Франков. Его отец ‑ Якоб Франк ‑ закончил свой банковский бизнес в Гамбурге и переехал вместе с женой в немецкую столицу. . Сестра Джеймса ‑ Паула ‑ тоже поселилась с мужем в Берлине. В 1909 году у Джеймса и Ингрид родилась первая дочь Дагмар (по-домашнему Дагги).

Молодой семье нужны были средства, все ждали повышения Франка по службе. Вскоре оно произошло. К 1911 году количество опубликованных работ превысило десять, и Франк обратился руководству факультета с просьбой засчитать их в качестве второй докторской диссертации и присвоить ему звание приват-доцента, дающее право чтения лекций в университете. Свои положительные отзывы дали профессора Артур Венельт, Генрих Рубенс и Макс Планк. Заветный диплом подписан 20 мая 1911 года.

В этом же году было создано Общество кайзера Вильгельма содействия развитию науки. О необходимости такой организации говорил сам император Вильгельм на пышном чествовании столетия Берлинского университета имени Фридриха-Вильгельма. На торжественном заседании в актовом зале университета 11 октября 1910 года Вильгельм Второй объявил о создании сети новых независимых научных учреждений, которые должны были занять промежуточное место между академиями наук, коих в Германии, в отличие от большинства других стран, несколько, и университетами. Эти институты не будут чисто государственными учреждениями, так как в их финансировании примут участие и частные фонды, действующие в интересах крупной индустрии. Контролировать всю эту сеть новых научно-исследовательских институтов должно специальное Общество, которому император разрешил присвоить свое имя.

Кайзер Вильгельм и профессора идут на открытие Общества, 1911 г.

С помощью новых институтов промышленность могла быстрее получить требуемые ей научные разработки, чем через университеты или академии, находящиеся на скромном обеспечении государства. Университеты не всегда могли позволить себе приобрести дорогие современные экспериментальные установки или расширить штат исследователей в том или ином научном направлении. Кроме того, основная задача университетов – подготовка научных кадров. Институты Общества кайзера Вильгельма от преподавательской работы были освобождены.

Первые два учреждения нового общества появились уже в октябре 1912 года – в берлинском районе Далем (Dahlem) открылись институт химии и институт физической химии и электрохимии, директором которого был назначен Фриц Габер. Все финансирование строительства здания и расходы нового института взял на себя банкир Леопольд Коппель[17], известный еврейский меценат, владелец банковского дома «Коппель и Ко.», крупный акционер заводов «OSRAM», производящих лампы накаливания.

С институтами Общества кайзера Вильгельма, так или иначе, связана научная жизнь большинства героев настоящих заметок.

С 1911 года начинается плодотворное сотрудничество Франка с другим ассистентом Физического института Густавом Герцем[18], племянником знаменитого физика Генриха Герца, открывшего электромагнитные волны. Джеймс и Густав опубликовали до Первой мировой войны 19 совместных работ, принесшим обоим исследователям мировую славу.

Густав Герц хотел заниматься математикой, но поддался уговорам друзей продолжить дело своего знаменитого дяди и стал физиком. В 1911 году он как раз защитил докторскую диссертацию, ему исполнилось двадцать четыре года. Математическая одаренность Густава прекрасно дополняла гениальную физическую интуицию Джеймса – вместе они составили мощную команду, которой оказалась по плечу новая и принципиально важная для понимания устройства атома работа. Молодые сотрудники Физического института в крошечной комнатке, отведенной им для опытов, изучали результаты столкновений электронов с атомами ртути в специально сконструированной для этого газоразрядной трубке.

Густав Герц

Первая совместная статья Франка и Герца была подана в редакцию «Трудов Немецкого физического общества» 31 октября 1911 года. А 3 ноября они докладывали результаты на заседании общества. Доклад назывался «О взаимозависимости между квантовой гипотезой и напряжением ионизации»[19]. В то время предположение Макса Планка о квантах света, сделанное им в 1900 году, все еще имело вид смелой гипотезы, в достоверность которой верили далеко не все физики. И строение атома оставалось для ученых загадкой, выдвигались разные предположения, которые трудно было подтвердить или опровергнуть экспериментально. А главное, возникали непримиримые противоречия с классической механикой. Например, в планетарной модели атома, в которой электроны вращаются по своим орбитам вокруг положительно заряженного ядра, было непонятно, почему электроны, излучая энергию, не падают, в конце концов, на ядро.

Соображения Франка и Герца, доложенные в 1911 году, тоже были во многом умозрительными. Но ученые нащупали путь, по которому можно было добраться до истины. Через три года, весной 1914 года они смогли поставить эксперимент, который уже не оставлял сомнений, что квантовая гипотеза имеет непосредственное отношение к строению атома. Из эксперимента, вошедшего в историю науки под именем «опыт Франка-Герца», следовало, что внутренняя энергия атома может принимать лишь дискретные значения.

В то время среди физиков господствовало мнение английского теоретика, члена Королевского общества Джона Таунсенда[20], что при соударении крошечного электрона с массивным атомом малая частица теряет свою кинетическую энергию[21]. Другими словами, удар электрона в атом считался неупругим, как будто металлический шарик попадает в ком пластилина. Франк засомневался в этом и решил экспериментально исследовать, что происходит на самом деле. Оказалось, что гипотеза Таунсенда неверна: электроны при столкновении с атомами ведут себя как биллиардные шары – они меняют направление после соударения, но сохраняют свою скорость и энергию, т.е. этот удар до поры до времени все же упругий. Но так происходит только до тех пор, пока энергия электрона не достигла определенного порога. Как только энергия становится равной этому значению, электрон словно «прилипает» к атому, отдает ему свою энергию, а атом излучает свет.

Результатам эксперимента посвящены два доклада, сделанные авторами на заседаниях Немецкого физического общества: 24 апреля 1914 года выступил Густав Герц, а затем 22 мая – Джеймс Франк. На этих заседаниях мог присутствовать и Альберт Эйнштейн, в конце марта переехавший в Берлин. У этого переезда была своя предыстория, заслуживающая того, чтобы сказать о ней несколько слов. 

Эйнштейн в Берлине 

К Берлину у великого физика было двойственное отношение. С одной стороны, он всегда ненавидел все, связанное с войной, а в прусской столице казарменный дух ощущался сильнее других немецких городов. С другой стороны, Берлин в начале двадцатого века был, безусловно, мировой столицей физики, и здесь можно было вести научные беседы с ведущими учеными того времени – Максом Планком, Генрихом Рубенсом, Эмилем Варбургом, Вальтером Нернстом, Фрицем Габером...

Эйнштейна после его феноменальных открытий 1905 и последующих годов не пригласил на профессорскую должность ни один немецкий университет. Получив докторскую степень в 1906 году, через два года защитив вторую докторскую диссертацию, звание ординарного профессора Эйнштейн добился впервые только в 1911 году в Немецком университете в Праге, для чего ему даже пришлось принять австрийское гражданство – Прага входила тогда в состав Австро-Венгрии. Через год он вернулся профессором в свою альма-матер – Цюрихский университет. Сюда и приехали в июле 1913 года Макс Планк и Вальтер Нернст с необычным предложением.

Макс Планк одним из первых оценил гениальность открытия Эйнштейном теории относительности, они переписывались с 1906 года. Личное знакомство состоялось на ежегодном заседании Общества немецких естествоиспытателей и врачей[22] в 1909 году в Зальцбурге. Фриц Габер встретился с Эйнштейном впервые на таком же заседании два года спустя в Карлсруэ. Ведущего немецкого химика заинтересовал оригинальный подход Эйнштейна к тепловому балансу химических реакций с точки зрения квантовой гипотезы Планка. А Эмиль Варбург познакомился с молодым физиком в том же 1911 году на первом Сольвеевском конгрессе[23] в Брюсселе. Варбурга давно интересовало влияние света на химические реакции, и объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта произвело на него сильное впечатление. Все трое ведущих берлинских ученых были покорены глубиной и многогранностью таланта Эйнштейна и решили добиться его перевода в немецкую столицу.

Вакантных мест профессора физики в Берлинском университете не было, да и вероятность того, что туда примут еще одного профессора-еврея, существовала минимальная, поэтому Планк и его коллеги решили действовать иначе. В Прусской академии наук существовала оплачиваемая должность профессора-исследователя. Ее с 1896 года занимал голландский химик Якобус ван'т Хофф[24]. После его кончины 1 марта 1911 года это место оставалось свободным. В июне 1913 года Планк предложил Прусской академии принять Эйнштейна в свои члены. Предложение Планка поддержали академики Нернст, Рубенс и Варбург (Габер не был членом Прусской академии и не мог участвовать в выборах новых членов).

В начале июля общее собрание физико-математического отделения Прусской академии наук большинством голосов (один голос против) приняло Альберта Эйнштейна в число академиков. Академия согласилась также, чтобы физик из Цюриха занял место покойного профессора ван'т Хоффа. Оклад академическому профессору устанавливался в двенадцать тысяч марок в год. Упомянутый выше меценат Коппель брал на себя выплату половины оклада в течение двенадцати лет. Кроме того, как члену академии Эйнштейну полагалось еще девятьсот марок в год[25].

Альберт Эйнштейн в начале берлинского периода жизни

Это были неплохие условия – директор Института химии недавно созданного Общества кайзера Вильгельма Эрнст Бекман[26] получал десять тысяч марок в год, а оклад профессора университета составлял девять тысяч. Оставалось получить согласие самого Эйнштейна и утвердить его назначение на общем собрании академии. Так как в августе и сентябре члены академии разъезжались на каникулы, приходилось спешить. Вот почему вечером в пятницу 11 июля 1913 года Макс Планк и Вальтер Нернст с женами сели в поезд и утром в субботу прибыли в Цюрих, чтобы передать автору теории относительности предложение стать профессором в Берлине. В качестве дополнительного стимула было обещано, что в будущем будет создан институт теоретической физики, директором которого станет Эйнштейн. На размышления ему отвели сутки. В воскресенье супружеские пары из Берлина гуляли по окрестностям Цюриха, а вечером пришли на вокзал, чтобы ночным поездом вернуться домой. С большим облегчением Планк и Нернст увидели среди провожающих Альберта Эйнштейна, махавшего им белым платком – это был условный знак, что предложение принято.

У великого физика были свои резоны радоваться предложению из Берлина. «Это колоссальная честь – занять место ван'т Хоффа», – писал Эйнштейн своей кузине Эльзе Лёвенталь через несколько дней после отъезда Планка и Нернста[27]. Профессорская должность в академии не предполагала обязательных лекций в университете и других занятий со студентами. На новом месте ничто не должно было отвлекать от работы над новой проблемой, которая занимала его последние годы. Докладывая Прусской академии наук о научных интересах кандидата на профессорскую должность, наблюдательный Планк отметил, что в 1912 и 1913 годах Эйнштейн написал вдвое больше работ, посвященных гравитации, чем квантовым явлениям и излучению. В 1909 и 1910 годах все было не так.

Планк не ошибся: автора специальной теории относительности интересовала теперь теория тяготения, которая, по мнению большинства физиков, была уже построена трудами Исаака Ньютона. Однако Эйнштейн считал иначе. И он надеялся, что условия работы в Берлине позволят ему завершить этот гигантский проект, который должен был перевернуть представление человечества о строении Вселенной.

Но была и еще одна причина, не столь грандиозная, но по-человечески важная для него, из-за которой Эйнштейн стремился попасть в Берлин. Здесь жила женщина, в которую он был влюблен, с которой уже два года тайно от всех переписывался. Новой возлюбленной Эйнштейна стала уже упомянутая Эльза Лёвенталь, в девичестве носившая ту же фамилию, что и Альберт. Она приходилась ему двоюродной сестрой по матери и троюродной – по отцу. Альберт сблизился с ней, когда в 1912 году навещал свою родню в Берлине. Брак с первой женой – Милевой Марич[28] – явно не складывался, дело шло к разводу, а роман с Эльзой набирал обороты. Через несколько лет она станет его второй женой. А пока, в июле 1913 года, после разговора с Планком и Нернстом он писал ей: «Самое позднее следующей весной приеду в Берлин. Предвкушаю счастливое время, которое мы проведем вместе».

Альберт Эйнштейн и Эльза

Заручившись согласием Эйнштейна, Планк уладил с Академией все формальности, и 12 ноября 1913 года вышел императорский указ о назначении Эйнштейна профессором Прусской академии наук.

Альберт получил официальное письмо Академии в конце ноября и подтвердил, что приступит к выполнению своих новых обязанностей в первые дни апреля. Свое обещание он сдержал: в столицу Эйнштейн прибыл 29 марта 1914 года. Так что на докладах Густава Герца и Джеймса Франка Немецкому физическому обществу он вполне мог присутствовать.

К сожалению, никаких свидетельств очевидцев об исторических заседаниях Физического общества в 1914 году до нас не дошло, и мы не знаем точно, был ли на них Альберт Эйнштейн и как коллеги-физики оценили в первый момент опыт Франка-Герца.

Сами авторы эксперимента, похоже, тоже не до конца представляли, какое открытие они сделали. Во всяком случае, они не нашли сразу объяснения удивительного результата их опыта. А объяснение было, что называется, под рукой. В июле, октябре и декабре 1913 года датский физик Нильс Бор[29] опубликовал в журнале «Philosophical Magazine» три части знаменитой статьи «О строении атомов и молекул». В ней он предложил свою модель атома, несовместимую с представлениями классической физики. Так, электроны в этой модели вращаются по стационарным орбитам, не теряя энергии. Излучают же атомы свет в момент перехода электрона с одной стационарной орбиты на другую.

Статья Бора обсуждалась на Физическом коллоквиуме в Берлине, Франц и Герц знали о ней, но не увидели связи со своим опытом и даже не сослались на нее в списке литературы. Модель Бора не приняли сразу многие теоретики – настолько необычной и противоречащей классической физике она выглядела. Нильса мало знал научный мир – в 1913 году ему было только 28 лет, докторскую диссертацию он опубликовал на датском языке, так что читателей у нее было немного.

Зато сам Нильс Бор сразу понял, какое значение для его модели атома имеет опыт Франка-Герца. Летом 1914 года Нильс вместе со своим братом – математиком Харальдом – совершил поездку по научным центрам Германии. Они посетили Гёттинген, где познакомились с голландским физиком Петером Дебаем[30], Вюрцбург, где беседовали с Вилли Вином[31], и Мюнхен, где встретились с Арнольдом Зоммерфельдом. В Берлин братья Бор в тот раз не попали. Но в письме, написанном во время поездки, Нильс Бор отмечает: «Я думаю, что чудесный эксперимент Франка-Герца с ионизацией паров ртути можно интерпретировать в том же направлении, что и мою модель»[32].

Нильс Бор

За опыт Франка-Герца оба исследователя получили в 1926 году Нобелевскую премию за 1925 год. Выступая с благодарственной речью на церемонии вручения премии, Франк признался: «Мы теперь хорошо понимаем, что признание, которое получила наша работа, целиком обязано тому, что она связана с великой идеей Макса Планка и особенно с концепцией Нильса Бора»[33].

А весной 1914 года, когда мир узнал об опыте Франка-Герца, его авторы не подозревали о такой связи. Этот год, когда Альберт Эйнштейн занял место профессора в Берлине, а Нильс Бор знакомил немецких коллег со своей необычной моделью атома, казался обычным в длинной череде мирных лет, которыми наслаждалась Европа после франко-прусского перемирия 1871 года. Все считали, что последняя большая война на континенте закончилась более сорока лет назад, и человечество навсегда распрощалось с варварским обычаем решать политические проблемы на поле боя. Но беда уже стояла у порога, 28 июня в Сербии был убит наследник австро-венгерского престола, через месяц Австрия объявила Сербии войну, а первого августа германский император отдал приказ о всеобщей мобилизации. Началась мировая война, унесшая миллионы человеческих жизней.

Об ученых на войне рассказ пойдет в следующих главах, а пока сделаем одно историческое отступление. 

«Хорошо – это плохо!» 

Первым научным руководителем Джеймса Франка был директор Физического института Берлинского университета профессор Эмиль Варбург[34].

Как было принято среди представителей еврейской академической элиты того времени, Эмиль Варбург крестился. Некрещеных профессоров-евреев в Берлинском университете не терпели. В первой половине девятнадцатого века во всех немецких государствах (тогда Германия еще не объединилась) таких профессоров вообще не было ни одного. Существовавшие тогда законы прямо запрещали иудею занятие профессорской кафедры. Только после революции 1848 года суровые законы несколько смягчились, и формальные запреты были кое-где сняты. Первым некрещеным евреем, сумевшим подняться до уровня ординарного профессора, стал гёттингенский математик Мориц Абрахам Штерн[35], получивший в 1859 году кафедру своего учителя, «короля математики» Карла Фридриха Гаусса, скончавшегося четырьмя годами ранее.

Между 1882 и 1909 годами в Германии работало 20-25 профессоров-евреев, не сменивших религиозную конфессию. К 1917 году число таких профессоров снизилось до 13. В одиннадцати немецких университетах, включая Берлинский, в то время не было ни одного не крестившегося профессора-еврея[36].

Нетрудно представить себе, какие трудности приходилось преодолеть ученым, не перешедшим в христианство, чтобы подняться на немецкий академический Олимп. Красноречиво о наличии препятствий на пути еврея в профессоры говорят такие цифры. В 1909 году среди всех приват-доцентов Германии было десять процентов евреев. В то же время эта доля среди ординарных профессоров равнялась двум процентам. В 1917 году некрещеные евреи составляли уже только один процент ординариусов[37].

Как известно, профессоров выбирают из доцентов. Если бы условия конкуренции для всех претендентов на профессорское звание были равны, то процент профессоров-евреев должен был бы не сильно отличаться от доли евреев-доцентов. Однако приведенные факты говорят о другом: получить место профессора доценту-еврею было много труднее, чем доценту-немцу.

Без крещения еврей не мог стать судьей, государственным служащим, университетским преподавателем или офицером, не преодолев множество различных юридических, психологических и социальных барьеров. Принятие христианства частично снимало эти препятствия. Вплоть до прихода нацистов к власти, крещение многие рассматривали, по образному выражению Генриха Гейне, как своеобразный «входной билет» в высшее общество, позволявший еврею реализовать свои знания, умения, таланты...

На деле и крещение не гарантировало истинного равноправия, хотя и освобождало от некоторых наиболее вопиющих ограничений. Многие евреи воспользовались этим «входным билетом», чтобы облегчить свой научный рост, но были и те, кто не захотел ради карьеры приписывать себя к чужой религии.

Знаменитый немецкий химик Рихард Вильштеттер[38], нобелевский лауреат 1915 года, вспоминал в автобиографии «Из моей жизни» советы своего учителя и друга Адольфа фон Байера[39], тоже имевшего еврейское происхождение. После очередной публикации Вильштеттера в «Докладах Немецкого химического общества» фон Байер при встрече хвалил его и непременно добавлял: «Но Вы должны обязательно креститься»[40].

Рихард Вильштеттер и Адольф фон Байер

На подобные советы неизменно следовал короткий и решительный отказ. Как пишет Вильштеттер, креститься из-за карьеры было ему противно. Но он не мог понять, почему его учитель, которого он безмерно уважал и никак не мог упрекнуть в приспособленчестве, мог давать ему такие советы. Только много лет спустя Рихард сообразил, почему знаменитый химик так настойчиво рекомендовал ему этот путь. Отец Адольфа фон Байера принадлежал к высшим слоям берлинского общества, в котором во второй половине девятнадцатого века идеи еврейской ассимиляции стали очень распространенными. В берлинских кругах того времени был в ходу анекдот: «Встречаются два еврея, и один спрашивает другого: почему ты перешел в католичество? – Да потому, что в протестантстве слишком много евреев»[41].

В столице считали ассимиляцию естественным процессом, и Адольф фон Байер не видел в крещении никакого предательства – его предки уже далеко отошли от иудаизма.

В небольших городах и местечках отношение евреев к традиции было иным. Представители рода Вильштеттеров жили в Карлсруэ практически с основания города в 1715 году. По словам ученого, его предки были в вопросах религии достаточно либеральны, но свою принадлежность к иудаизму считали неприкосновенной. Единственный возможный путь для социального роста они видели не в крещении, а в переезде на новые места. Для Рихарда иудаизм был историей, но живой. Переход в другую веру, сделанный из корыстных побуждений, представлялся ему непорядочным и, следовательно, неприемлемым.

В конце концов, он все же получил в 1916 году звание профессора Мюнхенского университета, заняв кафедру своего учителя и друга, скончавшегося годом ранее. Но оставался Вильштеттер в этой должности недолго: в 1924 году он демонстративно подал в отставку в знак протеста против антисемитизма своих коллег. Об этом сам ученый написал в предисловии к одной интересной книге. Предисловие было написано в 1934 году, но выхода в свет книги автор предисловия так и не дождался. Речь идет об огромном, более тысячи страниц, томе, вышедшем под названием «Евреи в немецком культурном пространстве».[42] Этот сборник работ разных авторов создавался в первые годы Третьего Рейха с наивной надеждой облегчить положение евреев при нацистах подчеркиванием еврейских заслуг в науке и культуре Германии. Не удивительно, что уже готовая книга была в 1934 году запрещена специальным постановлением гестапо и увидела свет только четверть века спустя.

Примеру Вильштеттера, отказавшегося креститься ради карьеры, последовали немногие из его коллег. Большинство немецких профессоров-евреев, уже далеких от иудаизма, предпочитали облегчить свой путь в науке, перейдя, часто формально, в другую веру. В 1875 году насчитывалось двадцать крещеных еврейских профессоров в Германии против десяти некрещеных. В 1909 году эти числа изменились примерно вдвое: на 44 крещеных евреев-профессоров приходилось 25 некрещеных[43].

Другой коллега и друг Вильштеттера Фриц Габер[44], прославившийся открытием синтеза аммиака из воздуха и запятнавший себя применением отравляющих газов в Первой мировой войне, крестился в 1893 году, как только он защитил докторскую диссертацию в Берлинском университете. Правда, надежды на быстрый карьерный рост в науке свежеиспеченного доктора не оправдались. Через год он был принят ассистентом в Высшее техническое училище Карлсруэ, и должен был еще долгие двенадцать лет ждать, пока получит заветную должность ординариуса в том же провинциальном учебном заведении. В эти годы были сделаны его основные открытия, имевшие огромный практический эффект: аммиак, синтезированный из воздуха, применялся при производстве сельскохозяйственных удобрений и пороха.

Фриц Габер

Только после основания в 1911 году Общества кайзера Вильгельма содействия развитию науки для Фрица Габера нашлось место, соответствующее его таланту: в 1912 году он стал директором вновь созданного Института физической химии и электрохимии в Берлине, относящегося к этому Обществу. Директором другого института Общества – Института химии – стал в том же 1912 году Рудольф Вильштеттер. Антисемитизм в научно-исследовательских институтах нового Общества кайзера Вильгельма проявлялся не так явно, как в традиционной университетской среде, где еврей, даже крещеный, с большим трудом добивался профессорского звания.

Обычно это удавалось там, где среди немцев находились влиятельные люди, заинтересованные в таком назначении и помогавшие разрушить барьеры, которые в одиночку кандидату-еврею вряд ли можно было преодолеть. Так происходило, например, в Гёттингенском университете, ставшем к началу двадцатого века признанным мировым центром в области математики и физики. Основная заслуга нового взлета провинциального университета принадлежала, прежде всего, Феликсу Клейну[45], возглавлявшему физико-математическое отделение философского факультета, и Фридриху Альтхоффу[46], директору департамента науки и высшего образования Прусского министерства культуры[47]. Ведущие позиции по многим направлениям в Гёттингене занимали профессора-евреи. Достаточно упомянуть, например, Германа Минковского[48], Эдмунда Ландау[49], Карла Шварцшильда[50]... Без настойчивых и решительных действий Клейна, Альтхоффа и солидарных с ними университетских администраторов и министерских чиновников предоставление профессорских кафедр ученым-евреям было бы невозможно.

Получить профессорскую должность в Берлинском университете Эмилю Варбургу помог его коллега Август Кундт[51], блестящий физик-экспериментатор, уступавший все же Варбургу в уровне таланта. Они познакомились в Берлине, где приват-доцент Кундт читал лекции, которые посещал студент Варбург. Затем их связывала и общая работа. Когда в 1872 году Августу предложили место ординариуса во вновь открытом университете Страсбурга, он добился для своего молодого коллеги там же места экстраординарного профессора. Через четыре года тридцатилетнему Варбургу предоставили профессорскую кафедру в университете Фрайбурга, где он в течение последующих двадцати лет оставался единственным физиком. В 1888 году Кундт получил приглашение в Берлинский университет, где стал настоятельно рекомендовать пригласить в столицу своего давнего друга и соавтора. К его хлопотам присоединился Макс Планк, и в 1895 году Варбург стал профессором Физического института Берлинского университета, где и оставался вплоть до ухода на почетную пенсию в 1922 году.

Варбург смог стать профессором Берлинского университета, ему повезло. Другим его коллегам если и удавалось получить профессорское звание, то только в отдаленных от столицы провинциальных университетах Германии. Нередко ученые соглашались занять профессорскую кафедру в других странах. Например, Альберт Эйнштейн впервые стал профессором в Пражском университете, Вильштеттер – в Цюрихе... Часто профессорская должность для перспективного ученого-еврея находилась не в университете, а в менее престижном Высшем техническом училище или политехническом институте.

Большинство будущих нобелевских лауреатов-евреев оканчивали столичный университет в Берлине или знаменитые университеты в Гёттингене, Гейдельберге или Мюнхене, но почти никто из них не был назначен в свою альма-матер на профессорскую должность.

Но не зря говорится: «не было бы счастья, да несчастье помогло». Исследователи в провинциальных учебных заведениях имели больше научной свободы, чем их коллеги в столичном университете или в других крупных научных центрах, где авторитет главы школы часто задавал вполне определенные направления и рамки работы всех сотрудников. Именно в провинциальных университетах и ВУЗах были сделаны те самые открытия, за которые потом еврейские ученые получат свои Нобелевские премии. Вот так из недостатка рождается преимущество, а дискриминация помогает успеху.

Конечно, это не единственная причина отмеченной выше «нобелевской аномалии».

Другой фактор успеха мы обнаружим, если обратим внимание на возраст, в котором наиболее успешные приват-доценты получали профессорское звание. Как правило, у доцентов-евреев он существенно выше, чем в среднем в их цеху. Знаменитый немецкий врач и химик, основоположник химиотерапии Пауль Эрлих[52] получил первую профессорскую кафедру в возрасте шестидесяти лет, за год до своей кончины.

Пауль Эрлих

В 1909/10 учебном году на медицинских факультетах немецких университетов работали четыре еврейских профессора старше семидесяти лет, один был в возрасте от 60 до 70 лет и только один профессор оказался моложе шестидесяти. Половина всех еврейских ординариусов в Германии была в тот год старше шестидесяти, в то время как среди остальных профессоров в этом возрасте пребывала только треть[53].

Казалось бы, дискриминация еврейских ученых налицо, однако и в этом случае можно найти свои плюсы. То, что активные ученые больше времени проводят в качестве приват-доцентов, а не профессоров, с одной стороны, конечно, ранит их самолюбие и существенно сказывается на бюджете семьи. С другой стороны, приват-доцент освобожден от весьма утомительной административной работы, которую обязан вести руководитель кафедры, следовательно, доцент может больше времени отдать собственно научной работе и добиться лучших результатов.

Продолжать объяснение «нобелевской аномалии» можно было бы долго. Но нельзя не указать еще на один фактор, способствовавший успеху евреев в науке. Он тоже связан с притеснениями и препятствиями на пути к научному росту.

Во всех еврейских семьях знали о дискриминации и с раннего возраста готовили к ней детей. Рихард Вильштеттер вспоминал в уже упоминавшейся автобиографии, что во время учебы в нюрнбергской гимназии ему не очень давалась латынь. В один прекрасный день он смог все-таки с большими усилиями первый раз получить оценку «хорошо». С нетерпением бежал он домой, чтобы сообщить матери радостную весть. Едва взглянув на тетрадь с оценкой, мать сказала холодно: «Хорошо – это плохо!»[54].

Просто хорошо выполнить задание для еврея было мало, задание должно быть выполнено с блеском. По словам Зигмунда Фрейда, «от еврея требовалось особое усердие, постоянный энтузиазм и более чем обыкновенный талант»[55]. Основоположник психоанализа был убежден, что дискриминация – отличный стимул для одаренного человека.

Зигмунд Фрейд

Благодаря или вопреки дискриминации, но в начале двадцатого века еврейские ученые занимали ведущие позиции во многих бурно развивающихся научных областях. Например, в математике число ординарных профессоров выросло с 1900 года по 1933 год с 77 до 94. Часть профессорских кафедр занимали математики-евреи, и процент их был внушителен – в 1914 году он составлял 18,8%, а в 1933 году увеличился до 21,2%: из 94 ординариусов двадцать имели еврейское происхождение.

После этого небольшого отступления вернемся к нашим героям. 

(продолжение следует)

Примечания