«Он получает результаты, не злоупотребляя математикой». Джордж Гамов

В 1933 году советский физик, член-кореспондент Академии наук (с 28 лет!) Георгий Гамов покинул СССР, став «невозвращенцем». Автор первой количественной теории альфа-распада, один из основоположников теории «горячей Вселенной» и один из пионеров применения ядерной физики к вопросам эволюции звёзд, в 1940 году он получил гражданство США. Широкую известность Гамову принесли его научно-популярные произведения, в которых живым и доступным языком рассказывается о современных научных представлениях.

«Он не умел ни писать, ни считать. Он не сразу сказал бы вам, сколько будет 7×8. Но его ум был способен понимать Вселенную», — вспоминала знаменитая американская ученая-астроном Вера Рубин, работавшая под началом Гамова.

Георгий Антонович Гамов родился в Одессе 4 марта 1904 года в учительской семье. Как по отцовской, так и по материнской линии Гамов происходил из известных семей. Со стороны отца большинство предков Гамова были военными, его дед — майор Михаил Андреевич Гамов — служил в Бендерском крепостном батальоне, позже занимал пост коменданта Кишинёва. Отец, Антон Михайлович Гамов, выпускник Кишинёвской 1-й мужской гимназии, был потомственным дворянином, преподавал русский язык и литературу в частной гимназии и реальном училище. Мать Георгия, Александра Арсеньевна Лебединцева, рано умерла; её предки принадлежали к южнорусскому духовенству (Арсений Лебединцев был протоиереем, настоятелем одесского Кафедрального собора). Впрочем, среди них нашлось место известному математику К. Ф. Лебединцеву, автору ряда учебников по алгебре начала XX века, и эсеру В. В. Лебединцеву, который приходился Георгию Гамову двоюродным братом и был казнён за попытку покушения на министра юстиции Ивана Щегловитова.

Отец поощрял увлечение Георгия точными и естественными науками: физикой, астрономией, биологией. Поэтому после окончания школы в 1921 году он поступил на математическое отделение физико-математического факультета Новороссийского университета, где учился у физика Николая Петровича Кастерина и математиков Вениамина Фёдоровича Кагана, Юрия Германовича Рабиновича и Самуила Осиповича Шатуновского. Одновременно Гамов подрабатывал вычислителем в Одесской астрономической обсерватории.

В 1922 году Гамов поступил на физико-математический факультет Петроградского университета, который стал центром зарождающейся советской физической науки. Чтобы иметь дополнительные средства к существованию, после прибытия в Петроград Гамов устроился (по протекции старого знакомого его отца профессора В. Н. Оболенского) наблюдателем на Метеорологическую станцию Лесного института, трижды в день снимая показания приборов.

С сентября 1923 по октябрь 1924 года Георгий 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 занимался разработкой методики отбраковки оптического стекла и изучением аномальной дисперсии света в парах калия. Он хотел специализироваться в области общей теории относительности, и вскоре его руководителем стал Александр Фридман — после смерти которого в 1925 году руководство Гамовым принял Юрий Крутков, ученик Пауля Эренфеста. 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. Дипломная работа Гамова была посвящена некоторым вопросам теории адиабатических инвариантов.

«Гамов, работающий в Институте, — приятный и живой молодой человек, который развил исключительно остроумную теорию, относящуюся к радиоактивным ядрам. Никогда не подумал бы, что он русский, он — человек типа Оливера Уолкера [персонаж популярных фельетонов тех лет]; часто бывает в кино и любил бы мотоцикл, если б он у него был. Он читает Конан Дойля и не ходит на концерты, что не мешает ему быть блестящим физиком. Он получает результаты, не злоупотребляя математикой. Он почти никогда не молчит и примерно моего роста [рост Гамова составлял 204 см]». — английский физик Невилл Мотт о Гамове (1928)

Во времена студенчества сформировался 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.

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 квантово-механическом 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. 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. Уже в июле Гамов окончил свою статью и отослал её в журнал «Zeitschrift für Physik», его теоретический вывод эмпирического закона Гейгера — Нэттола, связывающего энергию вылетающей альфа-частицы с характерным временем альфа-распада (периодом полураспада ядер) быстро получил признание, а успех Гамова сделал его широко известным в научном мире.

«Временами возникало ощущение, что на самом деле он [Гамов] использует все своё время и энергию на придумывание шуток и грубоватых острот и что он именно это считал, так сказать, своей главной задачей, а что важные статьи, которые он писал тогда об альфа-распаде и свойствах атомных ядер, были лишь побочным продуктом его деятельности». — Датский физик Кристиан Мёллер, работавший в начале 1930-х годов в Институте Нильса Бора

В сентябре 1928 года срок командировки Георгия Антоновича истёк и ему необходимо было возвращаться в Ленинград. По дороге он заехал в Копенгаген, где встретился с Нильсом Бором, который предложил остаться на год в его институте и даже выхлопотал ему стипендию фонда Карлсберга. Этому поспособствовало и рекомендательное письмо на имя Бора, написанное Абрамом Иоффе. За время своей продлённой 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 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.

«Мой покойный друг, математик Стефан Банах, сказал мне однажды: хорошие математики видят аналогии между теоремами или теориями, а самые лучшие видят аналогии между аналогиями. Этой способностью видеть аналогии между моделями для физических теорий Гамов обладал почти до немыслимой степени. В наши дни, когда используют все более и более сложную математику, пожалуй, изощрённую сверх всякой меры, было удивительно видеть, как далеко он мог продвигаться с помощью интуитивных картинок и аналогий, почерпнутых путём сравнений из области истории или даже искусства». — американский математик польского происхождения Станислав Улам в предисловии к незаконченной автобиографии Гамова (издана в 1970 году)

Весной 1931 года вернувшись на родину, ученый 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 Николай Семёнов, Игорь Курчатов, Яков Френкель и Владимир Фок.

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). Также Гамов инициировал организацию Института теоретической физики на базе Физического отдела ФМИ, однако эта инициатива не нашла поддержки у академического руководства. Однако в марте 1932 года заслуги Гамова были оценены на очередных выборах в АН СССР: он был избран самым молодым членом-корреспондентом за всю историю академии (близкий друг Гамова Лев Ландау настаивал в письме Петру Капице: «Необходимо избрать Джони Гамова академиком. Ведь он бесспорно лучший теоретик СССР»). В том же году Гамов и Мысовский создали на базе Радиевого института первый в Европе циклотрон; установка была запущена в 1937 году — когда Георгий Антонович уже стал «Джорджем».

Осенью 1933 года Гамов по рекомендации Иоффе был назначен советским представителем на Седьмом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе. Кроме Иоффе, за него поручился организатор конгресса, почётный член АН СССР и член ЦК Компартии Франции Поль Ланжевен. 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 от 15 ноября 1933 года Гамов писал: «Сейчас я хочу идти по Вашим стопам и, если возможно, перейти в так называемое «Kapitza-Zustand» [«состояние Капицы»], то есть жить за границей с советским паспортом. Написал в Москву, прося в firm expressions [крепких выражениях] продления командировки на год».

В октябре 1934 года вышел срок командировки, Гамов в СССР не вернулся, его уволили из Радиевого института и ФМИ, а исключение из числа членов-корреспондентов АН СССР состоялось только в 1938 году. После отъезда из СССР Гамов работал то в Радиевом институте в Париже, то в Кембриджском университете, то в Институте Бора в Копенгагене, но никто не хотел предложить ему постоянное место. Эрнест Лоуренс попробовал устроить Гамова в Калифорнийский университет в Беркли, однако эта попытка сорвалась из-за финансовых проблем.

Вскоре по протекции известного физика Мерла Тьюва он был приглашён на должность профессора в столичный Университет Джорджа Вашингтона. , где начал работать с осени 1934 года. Сразу же Гамов инициировал проведение в Вашингтоне ежегодных конференций, на которые собирались крупнейшие физики мира. Другим его важным решением было приглашение в качестве ближайшего сотрудника своего старого знакомого ещё по копенгагенским временам Эдварда Теллера (как образно выражался Гамов, «чтобы было с кем поговорить о теоретической физике»).

«Гамов обладал плодотворным воображением. Он был исключительно милым парнем и, более того, это был единственный из моих друзей, кто серьёзно считал меня математиком… Но, как ни жаль, нужно сказать, что 90% гамовских идей были ошибочны, и не стоило большого труда в этом убедиться. Но он не имел ничего против. Он был из тех, кто не склонен молиться на свои изобретения. Он мог предложить занятную идею, и если она не проходила, тут же обращал это в шутку. С ним было поразительно приятно работать вместе». — Эдвард Теллер, один из первых сотрудников Манхэттенского проекта

Сотрудничество с Теллером оказалось весьма плодотворным. В 1936 году им удалось обобщить теорию бета-распада Ферми, сформулировав правила отбора и введя представление о «переходах Гамова — Теллера» (переходы с изменением спина ядра). В это время он начал более активно интересоваться связью между ядерными процессами и источником энергии звёзд: первые подходы (Ф. Хоутерманс и Роберт Аткинсон) к решению этой проблемы появились в 1930 году под влиянием именно гамовской работы по туннельному эффекту при альфа-распаде. В конце 1930-х годов уже самому Гамову (совместно с Теллером) удалось улучшить понимание вопроса об энергии звёзд, учтя последние достижения ядерной физики. Эти исследования оказали сильное влияние на открытие Хансом Бете углеродно-азотного цикла в 1938 году. В 1937—1940 годах Гамов построил первую последовательную теорию эволюции звёзд с термоядерным источником энергии. В 1940-1941 годах вместе со своим учеником Марио Шенбергом он изучил роль нейтрино в катастрофических процессах, происходящих при вспышках новых и сверхновых звёзд (так называемое нейтринное охлаждение). В 1942 году совместно с Теллером он предложил теорию строения красных гигантов, предположив наличие у них устойчивого ядра и оболочки, в которой происходят термоядерные реакции.

В 1941 году Теллер покинул университет и стал участником проекта по созданию атомной бомбы, однако Гамова к этим работам не привлекли по «соображениям безопасности». Он участвовал в решении второстепенных проблем, став консультантом Военно-морского ведомства. Тем не менее, по утверждению знаменитого советского разведчика Павла Судоплатова, спецслужбам СССР удалось привлечь Гамова и его жену к сотрудничеству и использовать его широкие связи с ведущими американскими физиками, которые могли обсуждать с ним возможности создания атомной бомбы (в 1948 году Гамов получил и прямой допуск). В ходе этой деятельности он сблизился с Альбертом Эйнштейном (таким же «непривлечённым»), общение с которым заставило его вспомнить своего учителя Фридмана и обратило его внимание к вопросам космологии.

«В отношении научно-политическом за время своего пребывания в Радиевом институте ничем себя не проявил. Стоит от политики и общественной деятельности в стороне. По своему поведению мало дисциплинирован и является типичным представителем литературно-художественной богемы. Никаких антиморальных поступков со стороны Г. А. Гамова за время его пребывания в Институте не зарегистрировано». — из характеристики Гамова в военкомат Петроградского района в 1932 г.

В 1946 году Гамов предложил модель «горячей Вселенной» — уточнение теории «Большого Взрыва». Её основаниями стали представления о расширении Вселенной, данные о современной распространённости элементов (особенно о соотношении водорода и гелия) и оценки возраста Вселенной, который в те годы считался примерно равным возрасту Земли. Концепция «горячей Вселенной» представлялась тогда не самой вероятной: серьёзную конкуренцию ей составляли модель «холодной Вселенной» (Яков Зельдович и сотрудники) и теория стационарной Вселенной Фреда Хойла и соавторов. Исходя из большого значения энтропии ранней Вселенной, в 1948 году Гамов совместно со своими учениками Ральфом Альфером и Робертом Херманом разработал теорию образования химических элементов путём последовательного нейтронного захвата (нуклеосинтез). В рамках этой теории им было предсказано существование фонового микроволнового (реликтового) излучения — хотя Нобелевскую премию за это открытие (1965 года) получили в 1978 году году Арно Пензиас и Роберт Вильсон.

В 1954 году, через год после открытия двуспиральной структуры молекул ДНК, Гамов неожиданно внёс существенный вклад в становление новой дисциплины — молекулярной биологии, впервые поставив проблему генетического кода. Он понял, что структура основных строительных блоков клетки — белков, состоящих из 20 основных (природных) аминокислот, — должна быть зашифрована в последовательности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы ДНК. Исходя из простых арифметических соображений, Гамов показал, что «при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 (43) различные комбинации, чего вполне достаточно для „записи наследственной информации“», и выразил надежду, что «кто-нибудь из более молодых учёных доживёт до его [генетического кода] расшифровки». Таким образом, он был первым, кто предположил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов.

В 1956 году Джордж Гамов переехал в Боулдер, где уже до смерти работал в должности профессора Колорадского университета. В том же году он получил от ЮНЕСКО премию Калинга за популяризацию науки. Первые шаги в этой области Гамов совершил зимой 1938 года, когда написал короткий фантастический рассказ о приключениях банковского клерка мистера Томпкинса в мире теории относительности. Поскольку ни один журнал не заинтересовался и не пожелал опубликовать его, Гамов решил больше не возвращаться к этому своему сочинению. Летом того же года на конференции в Варшаве он упомянул об этой неудаче в разговоре с кембриджским физиком Чарльзом Дарвином, внуком знаменитого естествоиспытателя, и тот посоветовал ему отослать рассказ в журнал «Discovery», который издавался в Кембриджском университете под редакцией Чарльза Сноу. Тот согласился напечатать рассказ и предложил написать ещё несколько. Цикл рассказов, объединённый под заголовком «Мистер Томпкинс в стране чудес», был издан отдельной книгой в 1940 году и выдержал множество изданий почти на всех европейских языках. Успех этой книги побудил Гамова написать несколько продолжений приключений мистера Томпкинса (в том числе в мире квантовой механики и молекулярной биологии), а также ряд других научно-популярных книг по физике и астрофизике. Он также являлся автором около десятка статей в известном журнале «Scientific American».

В 1970 году в честь Г. А. Гамова назвали кратер на обратной стороне Луны Одно из высоких зданий, построенных на территории Колорадского университета, носит название «Башня Гамова». В Одессе регулярно проводится Международная Гамовская конференция, которую вот уже третий год освещает «Гранит науки».