Гимназия имени Вильгельма
Джеймс Франк (James Franck; 1882-1964) 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.
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 Рентген 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.
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 [Lemmerich, 2007 S. 19].
В этой истории поражает не только скорость внедрения научного открытия в медицинскую практику – от научного эксперимента Рентгена 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» [Lemmerich, 2007 стр. 21].
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.
Гейдельбергский 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 [Lemmerich, 2007 стр. 21]. 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.
В Гейдельберге Джеймс Франк встретился и подружился с ровесником – Максом Борном (Max Born, 1882-1970), который собирался стать математиком. Дружбу эту Джеймс и Макс сохранили на всю жизнь. Из Гейдельберга Франк написал отцу, что хочет 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 его кузен Ганс решили во что бы то ни стало помочь 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» [Born, 1975 S. 108].
Вскоре после того, 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.
Оба юноши станут со временем профессорами Гёттингенского университета, директорами физических институтов в этом мировом центре физико-математических исследований, получат Нобелевские премии по физике. 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»).
Берлинский университет
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 [Lemmerich, 2007 стр. 27].
От лекций своего руководителя профессора Варбурга (Emil Warburg, 1846-1931) 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 (Gustav Magnus, 1802-1870) еще в 1843 году. Традиция физического кружка, в котором на равных участвуют и студенты старших курсов, и 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 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 Эйнштейнабыл 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. Зато физическая интуиция была у него развита в совершенстве.
Помимо Коллоквиума каждые две недели проходило заседание Немецкого физического общества, членом которого Франк скоро стал. Через некоторое время и сам он стал выступать с докладами.
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 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.
Идея существования мельчайшей частицы, носительницы электрического заряда, своеобразного «атома электричества», носилась в воздухе в последнее десятилетие девятнадцатого века, после открытия Ленардом (Philipp Lenard, 1862-1947) «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 «корпускулой», 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 [Thomson, 1903]. 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.
С уходом Варбурга из Физического института защита диссертации Джеймса Франка стала реальной. На место директора пришел сорокадвухлетний профессор Пауль Друде (Paul Drude, 1863-1906), 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 [Lemmerich, 2007 стр. 32]. Знания докторанта проверяли физики Друде и Планк, философ – профессор Алоиз Риль (Alois Riehl, 1844-1924) 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 [Franck, 1906].
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.
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.
«Воспитывался в еврейской вере»
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» [Lemmerich, 2007 стр. 32].
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.
Становление ученого
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 Иоганна 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 (Robert Wichard Pohl, 1884-1976), 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.
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, Лиза Мейтнер (Lise Meitner, 1878-1968)…
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 [Lemmerich, 2007 S. 43]. 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.
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 (Leopold Koppel, 1854-1933), 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.
Опыты Франка-Герца
С 1911 года начинается плодотворное сотрудничество Франка с другим ассистентом Физического института Густавом Герцем (Gustav Hertz; 1887-1975), 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.
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» [Frank, и др., 1911 стр. 957-971]. 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. 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 не может изменяться непрерывно, а принимает определённые дискретные значения (квантуется).
В то время среди физиков господствовало мнение английского теоретика, члена Королевского общества Джона Таунсенда (John Townsend, 1868-1957), что при соударении крошечного электрона с массивным атомом малая частица теряет свою кинетическую энергию [Rathenau, 1983 S. 15]. 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.
На войне как на войне
Большую войну в 1914 году никто не ждал, для нее не было никаких разумных оснований. Экономика в большинстве цивилизованных стран быстро развивалась, Европа цвела и богатела, успехи в науке и технике обещали, что скоро острые социальные проблемы будут решены. Ни фашистские, ни коммунистические идеи не угрожали стабильности общества, у них было ничтожно мало последователей.
Как писал Макс Борн в воспоминаниях много лет спустя: «Я не знаю, понимает ли кто-нибудь сейчас, что тогда действительно произошло. Мне это представляется крайней глупостью, мгновенным помешательством. Конечно, это большое упрощение, но мне кажется, каждая цивилизация несет в себе зародыш саморазрушения, самоубийства» [Born, 1975 стр. 224].
Начало войны вызвало в Германии, да и в других странах-участницах, безумный взрыв патриотизма и народного ликования. Повсюду шли митинги, собрания, на которых приветствовали объявление войны России, а потом Франции и Великобритании. Солдат, отправляемых на фронт, провожали с музыкой, цветами и флагами.
В числе восторженных сторонников войны оказался и Томас Манн. Уже в первые дни августа 1914 года в нем проснулся ярый националист, превыше всего ставивший победу культурной Германии над цивилизованной Антантой. В письме Генриху от 7 августа из Бад Тёльца он признается:
«Я все еще как во сне – и все же, наверно, должен теперь стыдиться, что не считал этого возможным и не видел неизбежности катастрофы. Какое испытание! Как будет выглядеть Европа, внутренне и внешне, когда все пройдет? Я лично должен приготовиться к полной перемене материальной основы своей жизни. Если война затянется, я буду почти наверняка, что называется, „разорен“. Ради бога! Что это значит по сравнению с переворотами, особенно психологическими, которые последуют за подобными событиями по большому счету! Не впору ли быть благодарным за совершенно неожиданную возможность увидеть на своем веку такие великие дела? Главное мое чувство – невероятное любопытство и, признаюсь, глубочайшая симпатия к этой ненавистной, роковой и загадочной Германии, которая, хоть доселе она и не считала «цивилизацию» высшим благом, пытается, во всяком случае, разбить самое подлое в мире полицейское государство» [Манн, 1988 стр. 156].
Именно в эти дни стала углубляться пропасть между братьями в оценке «германской войны». Если Томас разделял с большинством своих сограждан «глубочайшую симпатию» к своей воюющей родине, Генрих открыто призывал к поражению Германии и считал, что «война ведется... одной лишь буржуазией в интересах ее кармана и ее идеологии, которая так великолепно способствует его пополнению». Даже мать братьев, Юлия Манн, увещевала своего старшего сына «не говорить с чужими людьми дурно о Германии» [Манн, 1988 стр. 431-432].
Вернувшись в Мюнхен, Томас риторически спрашивает брата в письме от 18 сентября: «неужели ты действительно думаешь, что эта великая, глубоко порядочная, даже торжественная народная война отбросит Германию в ее культуре и цивилизованности так далеко назад...» [Манн, 1988 стр. 158].
После этого переписка братьев прекратилась на долгие три года, а настоящее примирение состоялось только в 1922 году, уже в другом политическом ландшафте их родины.
Государственные чиновники обязаны были подавать пример патриотизма. Не остались в стороне и многие университетские профессора. Начиная с августа 1914 года, они выступали с речами в поддержку немецкого оружия. В том же году сборник патриотических профессорских речей вышел в свет под общим названием «Немецкие речи в трудное время, выступления профессоров Берлинского университета» [Reden, 1914].
Одним из выступавших был историк Ганс Дельбрюк[1], с которым был знаком Макс Борн. В своей автобиографии Борн так описывает профессора, с которым встречался в университетской комнате, где отдыхали преподаватели:
«Историк Дельбрюк совсем другого типа, маленький, приятный, с выразительным, добрым лицом. Я находил его очень симпатичным и радовался, когда он со мной заговаривал. Он был либеральным немецким ученым в лучшем смысле слова, и я наслаждался короткими разговорами, которые мы вели до или после лекций» [Born, 1975 стр. 233].
Сын Ганса Дельбрюка станет учеником Макса Борна.
Историк Дельбрюк, этот «либеральный немецкий ученый в лучшем смысле слова», в речи от 11 сентября 1914 года так прославлял соотечественников:
«Немецкий народ ведет свое происхождение от древних германцев и уже этим имеет перед другими народами то преимущество, что свою историю может проследить от времен, когда еще никто не умел ни читать, ни писать, до вершин высочайшей культуры» [Lemmerich, 1982 стр. 38].
И далее Дельбрюк сравнивает немцев с их противниками:
«Этот народ непобедим, его не победит никакой враг с Востока, который по высшим критериям человечности не может быть признан равноценным немцам. Но этот народ непобедим и в сравнении с любым островным народом, который горд своим величием, но не берет в свои руки тяжкое бремя защиты отечества, а верит, что с помощью наемников сможет победить народ, который сражается сам» [Lemmerich, 1982 стр. 38].
Что уж говорить о высказываниях других авторов упомянутого сборника, которые, как, например, германист Густав Рёте (Gustav Roethe, 1859-1926), и в мирное время не скрывали своих националистических взглядов!
Макс Планк, который с 1913 года исполнял обязанности ректора Берлинского университета, более осторожно выбирал выражения. Он выступал третьего августа 1914 года на ежегодной научной конференции, проводимой по случаю дня рождения прусского короля Фридриха Вильгельма III (1770-1840), основателя университета. Сделав доклад на тему «Динамические и статические законы», Планк обратился к событиям дня текущего:
«Сегодня мы не знаем, что принесет нам следующее утро; мы только чувствуем, что в недалеком будущем нашему народу предстоит нечто великое, нечто ужасное, что речь идет о Добре и Крови, о Чести и, возможно, о самом существовании нашего отечества. <…> Только если каждый, стар или млад, богатый или бедный, будет добросовестно и верно исполнять свой долг на назначенных им судьбой постах, тогда можем мы надеяться, что переворачиваемый сейчас лист всемирной истории окажется доброй вестью от нас грядущим поколениям» [Planck, 1922 стр. 82].
Вполне вероятно, что Джеймс Франк успел еще услышать речь Планка перед своим отъездом: в первые же дни войны он записался на военную службу добровольцем. Пятого августа его направили на трехмесячные курсы саперов в Кёнигсберг, а в декабре Франк уже воевал на севере Франции, в Пикардии. В Берлине осталась жена с двумя маленькими дочерьми, вести из дома приходили только с полевой почтой.
Джеймс мог бы остаться в немецкой столице и продолжать успешные физические эксперименты, но чувство долга для него было превыше всего. Не последней причиной было и желание доказать, что немецкие евреи – не меньшие патриоты, чем немцы. Точно так же ушел добровольцем на войну знаменитый астроном и астрофизик Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild, 1873-1916). Несмотря на возраст – Карлу было уже за сорок – и положение профессора и директора национальной Астрофизической обсерватории, Шварцшильд тоже посчитал для себя обязательным доказать делом свой патриотизм. Заболев на фронте неизлечимой тогда болезнью кожи, он скончался, не дожив двух лет до окончания войны.
Джеймсу Франку повезло: он остался жив. К уставным взаимоотношениям в армии он никак не мог привыкнуть, и когда ему довелось командовать колонной, то к команде «Колонна, напра-во!» он добавлял, по своей интеллигентской привычке, слово «пожалуйста» [Beyerchen, 1982 S. 37].
Но при всей кажущейся неприспособленности к военной службе, Франк проявил на фронте и храбрость, и находчивость. В апреле 1915 года его собрались произвести в офицеры, и командир Джеймса спросил, почему тот до сих пор не крестился. Франк вспоминал впоследствии, что он ответил вопросом на вопрос: «А что, крещение, принятое не по убеждению, поможет мне стать лучшим офицером?». Командир попытался найти еще один аргумент, сказав, что после крещения Франк стал бы «как все», на что тот ответил, что он и так себя ощущает, «как все». Других доводов для крещения у командира не было, он предложил Джеймсу окончить школу офицеров, как было принято перед присвоением офицерского звания. Франк отверг и это предложение, объяснив, что для войны у него достаточно знаний, а в мирное время его военная профессия не интересует.
Командир понял своего упрямого подчиненного, и в апреле 1915 года Франк стал лейтенантом без всякой офицерской школы – до войны такое продвижение еврея в армейской иерархии было бы невозможно. В том же году Джеймс был награжден Железным крестом второго класса, а через два года – Железным крестом первого класса [Lemmerich, 1982 стр. 62].
После битвы на реке Марна во Франции в сентябре 1914 года немецкое наступление захлебнулось, стратегический расчет германских генералов на быструю победу на Западе провалился, войска перешли к затяжной позиционной войне, выматывающей силы воюющих сторон.
Для немецкой экономики, не подготовленной к длительной войне, продолжение такого противостояния было смерти подобно: ресурсов не хватало, запасы заканчивались. Нужно было найти средство снова начать активное наступление.
Неизвестно, кто первым предложил использовать ядовитый газ, чтобы «выкурить» противника из окопов. Применение отравляющих веществ в военных действиях было запрещено Гаагской декларацией 1899 года, но на войне, как многие считали, цель оправдывает средства. Известно зато, кто возглавил всю эту операцию – директор института Физической химии и электрохимии общества кайзера Вильгельма Фриц Габер. Он со всей энергией взялся за производство ядовитого газа и направил все силы своего института на совершенствование технологии газовой войны. Имевшихся в наличии сотрудников катастрофически не хватало. По распоряжению Габера, которому император присвоил чин майора и назначил начальником Центра газовой войны и газовой защиты при военном министерстве, с фронта в его распоряжение были отозваны солдаты и офицеры, имевшее физическое или химическое образование. Прикомандированной к команде Габера оказалась группа блестящих физиков, среди которых немало будущих лауреатов нобелевской премии: Джеймс ФранкОтто Ган (Otto Hahn; 1879-1968), Густав Герц, Ганс Гейгер и др.
Франк не любил вспоминать то время, но в одном из интервью, данном уже в конце жизни, он сказал: «Я никогда не считал газ каким-то особенным злом. Это такое же зло, как и другие. Война сама по себе есть преступление» [Lemmerich, 1982 стр. 327].
И все же применение отравляющего газа весной 1915 года вызвало шок у многих причастных к той операции людей. Жена Габера Клара, урожденная Иммервар (Immerwahr) от ужаса перед совершенным ее мужем покончила собой, застрелившись из служебного пистолета Фрица. Но и это не остановило великого химика, готового пожертвовать для родины всем самым дорогим, что у него было. Он и представить себе тогда не мог, что когда к власти придут нацисты, его безграничный патриотизм не будет иметь для них никакого значения, все достоинства перевесит один факт – Габер родился евреем.
По свидетельству родных Джеймса Франка, он глубоко переживал свое участие в газовой войне. Отвращение к массовым убийствам людей Франк сохранил на всю жизнь. Во время Второй мировой войны он был участником Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы. Когда бомба уже была готова, Франк и группа его единомышленников подготовила в июне 1945 года обращение к правительству США, вошедшее в историю под названием «доклад Франка». В нем призывалось не применять атомную бомбу против Японии, а провести показательный взрыв в необитаемом месте перед представителями Объединенных Наций. В «докладе Франка» прозорливо указывалось, что монополию на атомное оружие удержать не удастся никому. Но обращение не достигло цели: как это обычно бывает, правительство США не прислушалось к голосу ученых, и атомные бомбы в августе были взорваны в Хиросиме и Нагасаки.
Применение отравляющих газов в Первой мировой войне не принесло ожидаемого перелома – наступление немецких войск, едва начавшись, быстро остановилось. Однажды после очередной перестрелки товарищи потеряли Джеймса Франка из вида. В конце концов, его нашли в одной из воронок на поле боя, где он сосредоточенно выполнял порученное задание: невозмутимо брал пробы воздуха для последующего анализа.
Но и вдали от фронта, в исследовательских лабораториях габеровского института приходилось выполнять не менее опасные задания. Физики, конструировавшие газозащитные маски, проверяли их эффективность на себе: сидели в них в комнате, наполненной отравляющим газом, пока не замечали, что фильтр маски перестает действовать. Никто не знал точно, какая доза газа может стать смертельной, поэтому ученые рисковали жизнью.
Осенью 1915 года Франк заболел тяжелым плевритом, на несколько месяцев попал в лазарет. Не было бы счастья, да несчастье помогло – Джеймс снова смог заняться любимой научной работой, опубликовал вместе с Густавом Герцем статью. Конечно, новых экспериментов они ставить не могли, но для осмысления и обобщения их предыдущих результатов время было подходящим. Герц участвовал в военных действиях на восточном фронте, был ранен и тоже пребывал в госпитале.
После выздоровления в апреле 1916 года Франк снова вернулся в действующую армию. Родной Гамбург наградил его своим орденом – ганзейским крестом. В том же году увидела свет еще одна крупная работа Франка и Герца, в которой они впервые упомянули боровскую модель атома. Эта модель, поначалу встреченная физиками в штыки, постепенно становилась общепринятой. Перефразируя слова самого Нильса Бора можно сказать, что его идея оказалась достаточно безумной, чтобы стать верной.
Осенью 1916 года Франка послали на Восточный фронт, где он снова заболел и был окончательно отправлен домой в Берлин. Он прибыл таким слабым, что едва смог подняться по лестнице, и силы вконец оставили его. Выздоровление шло медленно, условия жизни в столице были нелегкие, в семье, где росли две дочки – семи и пяти лет – хронически не хватало еды, ведь у Франков не было родственников в деревне, никто им не помогал.
Единственная радостная весть пришла в то время из Берлинского университета: учитывая научные заслуги Джеймса, его назначили на должность экстраординарного профессора. Правда, ни о какой педагогической деятельности до конца войны говорить не приходилось – в университете катастрофически не хватало студентов, большинство молодых людей воевало на фронтах мировой войны.
Военное положение Германии становилось все хуже и хуже, а с вступлением в войну США на стороне Антанты в феврале 1917 года сделало его безнадежным. Не спас немцев и выход России из войны, и Брест-Литовский мирный договор в марте 1918 года. Резервы были исчерпаны, терпение народа подошло к концу, в Киле, Любеке, Бремене и Гамбурге начались матросские мятежи.
В ноябре 1918 года немецкий император отрекся от престола, Германия заключила перемирие с Антантой, через полгода последовал унизительный для немцев Версальский договор (28 июня 1919 года), завершивший Первую мировую войну. Союзники, чьи войска за все время войны ни разу не перешли границы Германии, оказались безоговорочными победителями и диктовали побежденным свои условия.
После войны научная жизнь стала постепенно налаживаться, вновь возросло число студентов в университетах и вузах. Место экстраординарного профессора не гарантировало стабильного оклада, который зависел от количества и посещаемости лекций. А должность ординарного профессора Берлинского университета для отказывающегося от крещения еврея была нереальной. Поэтому Франк с радостью принял предложение Фрица Габера стать руководителем отдела в его институте, оснащенном самой современной аппаратурой для физических экспериментов.
Согласно Версальскому договору Германии запрещалось проводить военные исследования и разработки, и Габер полностью изменил структуру института и его задачи, сделав упор на фундаментальные исследования. Договор с Франком от 10 января 1919 года был заключен на пять лет и предполагал годовой оклад семь тысяч рейхсмарок с доплатой 40% в счет инфляции, которая становилась все заметнее [Lemmerich, 2007 стр. 70]. При этом Франк не оставлял и преподавательскую работу, читая раз в неделю лекции в университете по выбранным им самим темам. Кроме того, он руководил аспирантами, претендующими на докторские степени.
С Габером, который был на четырнадцать лет старше, у Франка были прекрасные дружеские отношения. Джеймс покорял всех, с кем общался, не только гениальной физической интуицией и профессионализмом. Он обладал прекрасными человеческими качествами: личной смелостью, бескомпромиссной честностью, высокой требовательностью к себе и мягкой доброжелательностью к людям.
В Берлине Джеймс Франк окончил университет, стал выдающимся физиком-экспериментатором, здесь он вместе с Густавом Герцем поставил знаменитые опыты, принесшие им мировую славу. Но стать главою научной школы, принявшей непосредственное участие в создании новой квантовой физики, Франк смог лишь переехав в начале двадцатых годов в Гёттинген. Здесь он занял место профессора университета и директора Института экспериментальной физики. При Франке Гёттингенский университет пережил годы расцвета. С приходом нацистов к власти начался закат этого некогда мирового научного центра физико-математических исследований. Гёттингенскому периоду жизни Джеймса Франка посвящен наш отдельный очерк.
Литература
Beyerchen, Alan. 1982. Wissenschaftler unter Hitler: Physiker im Dritten Reich. Frankfurt a.M., Berlin, Wien: Ullstein Sachbuch, 1982.
Born, Max. 1975. Mein Leben. Die Erinnerungen des Nobelpreisträgers. München: Nymphenburger Verlagshandlung, 1975.
Franck, James. 1906. Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung. Verh. Phys. Ges. 1906 г., Т. 8, стр. 252-263.
Frank, James и Hertz, Gustav. 1911. Über einen Zusammenhang zwischen Quantenhypothese und Ionisierungsspannung. Verhandlungen der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin. 1911 г., Т. 13.
Lemmerich, Jost. 2007. Aufrecht im Sturm der Zeit. Der Physiker James Frank. 1882-1964. Berlin : Verlag für Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik, 2007.
—. 1982. Max Born, James Frank, der Luxus des Gewissens: Physiker in ihrer Zeit. Wiesbaden: Reichert, 1982.
Planck, Max. 1922. Physikalische Rundblicke gesammelte Reden und Aufsätze. Leipzig: S. Hirzel Verlag, 1922.
Rathenau, Gerhart. 1983. James Franck. James Franck und Max Born in Göttingen. Reden zur akademischen Feier aus Anlaß der 100. Wiederkehr ihres Geburtsjahres. Göttingen: Vandenhoeck & Ruprecht in Göttingen, 1983.
Reden. 1914. Deutsche Reden in schwerer Zeit, gehalten von den Professoren an der Universität Berlin. Berlin: Carl Heymanns Verlag, 1914.
Thomson, Joseph John. 1903. Conductions of electricity through gases. Cambridge: б.н., 1903.
Манн, Г. – Манн, Т. 1988. Эпоха. Жизнь. Творчество. М.: «Прогресс», 1988.
(конец первой статьи)
Евгений Михайлович Беркович. Родился в 1945 году в Иркутске. Окончил физический факультет МГУ им. Ломоносова, кандидат физико-математических наук, Doktor rer. nat. С 1995 года живет и работает в Германии (Ганновер). Создатель и главный редактор журналов «Семь искусств» и «Заметки по еврейской истории», издатель альманаха «Еврейская Старина» и журнал-газеты «Мастерская». Автор книг «Заметки по еврейской истории», «Банальность добра. Герои, праведники и другие люди в истории Холокоста», «Одиссея Петера Прингсхайма» , «Антиподы. Альберт Эйнштейн и другие люди в контексте физики и истории». Публиковался в ж-лах «Нева», «Иностранная литература», «Вопросы литературы», «Зарубежные записки», «Слово/Word», «Человек» и мн. других.
[1] Ганс Дельбрюк (Hans Delbrück,1848-1929) – немецкий историк и политик, профессор Берлинского университета.
