Георгий Антонович Гамов (иногда Гаммофф ; при рождении Георгий Антонович Гамов ; русский : Георгий Антонович Гамов ; 4 марта 1904 — 19 августа 1968) — советский и американский учёный-энциклопедист , физик-теоретик и космолог . Он был одним из первых сторонников и разработчиков теории Большого взрыва Жоржа Леметра . Гамов открыл теоретическое объяснение альфа-распада квантовым туннелированием , изобрёл модель жидкой капли и первую математическую модель атомного ядра , занимался радиоактивным распадом , образованием звёзд , звёздным нуклеосинтезом , нуклеосинтезом Большого взрыва (который он в совокупности называл нуклеокосмогенезом ) и молекулярной генетикой .
В середине и конце своей карьеры Гамов уделял много внимания преподаванию и писал популярные книги о науке, включая «Один, два, три... Бесконечность» и серию книг «Мистер Томпкинс» (1939–1967). Некоторые из его книг остаются в печати более полувека после их первоначальной публикации.
Гамов родился в Одессе , Российская империя (ныне Одесса , Украина ). Его отец преподавал русский язык и литературу в средней школе, а мать преподавала географию и историю в женской школе. В дополнение к русскому языку Гамов научился говорить по-французски от своей матери и по-немецки от репетитора. Гамов выучил английский язык в студенческие годы и свободно говорил на нем. Большинство его ранних публикаций были на немецком или русском языках, но позже он использовал английский язык как для технических статей, так и для непрофессиональной аудитории.
Он получил образование в Институте физики и математики в Одессе [2] (1922–23) и в Ленинградском университете (1923–1929). Гамов учился у Александра Фридмана в Ленинграде , до ранней смерти Фридмана в 1925 году, которая потребовала от него смены научных руководителей. В университете Гамов подружился с тремя другими студентами теоретической физики, Львом Ландау , Дмитрием Иваненко и Матвеем Бронштейном . Все четверо образовали группу, которую они назвали « Три мушкетера» , которая встречалась для обсуждения и анализа новаторских работ по квантовой механике, опубликованных в те годы. Позже он использовал эту же фразу для описания группы Альфера, Германа и Гамова.
После окончания университета он работал над квантовой теорией в Геттингене , где его исследования атомного ядра легли в основу его докторской диссертации. Затем он работал в Институте теоретической физики Копенгагенского университета с 1928 по 1931 год, с перерывом для работы с Эрнестом Резерфордом в Кавендишской лаборатории в Кембридже . Он продолжал изучать атомное ядро (предложив модель «жидкой капли» ), но также работал над физикой звезд с Робертом Аткинсоном и Фрицем Хоутермансом .
В 1931 году Гамов был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР в возрасте 28 лет — одним из самых молодых за всю ее историю. [3] [4] [5] В период с 1931 по 1933 год Гамов работал в Физическом отделе Радиевого института (Ленинград), которым руководил Виталий Хлопин . Под руководством и при непосредственном участии Игоря Курчатова , Льва Мысовского и Гамова был спроектирован первый в Европе циклотрон . В 1932 году Гамов и Мысовский представили эскизный проект на рассмотрение Ученого совета Радиевого института, который его одобрил. Циклотрон был завершен только в 1937 году. [6]
В начале 20-го века было известно, что радиоактивные материалы имеют характерные экспоненциальные скорости распада, или периоды полураспада. В то же время было известно, что излучение излучения имеет определенные характерные энергии. К 1928 году Гамов в Геттингене решил теорию альфа- распада ядра посредством туннелирования с математической помощью Николая Кочина . [7] [8] Проблема была также решена независимо Рональдом У. Герни и Эдвардом У. Кондоном . [9] [10] Однако Герни и Кондон не достигли количественных результатов, достигнутых Гамовым.
Классически частица ограничена ядром из-за высокой потребности в энергии для выхода из очень сильной потенциальной ямы ядра . Также классически требуется огромное количество энергии, чтобы разорвать ядро, событие, которое не произошло бы спонтанно. Однако в квантовой механике существует вероятность, что частица может «туннелировать сквозь» стенку потенциальной ямы и выйти. Гамов решил модельный потенциал для ядра и вывел из первых принципов соотношение между периодом полураспада процесса события альфа-распада и энергией испускания, которое было ранее обнаружено эмпирически и было известно как закон Гейгера-Наттолла . [11] Несколько лет спустя название фактор Гамова или фактор Гамова-Зоммерфельда было применено к вероятности туннелирования входящих ядерных частиц через электростатический кулоновский барьер и прохождения ядерных реакций.
Гамов работал в ряде советских учреждений, прежде чем решил бежать из Советского Союза из-за возросших притеснений. В 1931 году ему официально отказали в разрешении посетить научную конференцию в Италии. Также в 1931 году он женился на Любови Вохминцевой ( русский : Любовь Вохминцева ), еще одном физике из Советского Союза, которую он прозвал «Ро» в честь греческой буквы . Гамов и его новая жена провели большую часть следующих двух лет, пытаясь покинуть Советский Союз, с официальным разрешением или без него. Нильс Бор и другие друзья пригласили Гамова посетить их в этот период, но Гамов не смог получить разрешения на выезд.
Гамов позже сказал, что его первые две попытки бежать с женой были в 1932 году и включали попытки сплавиться на байдарке : сначала запланированный 250-километровый сплав по Черному морю в Турцию , а затем еще одна попытка из Мурманска в Норвегию . Плохая погода сорвала обе попытки, но они не были замечены властями. [12]
В 1933 году Гамову неожиданно разрешили посетить 7-ю Сольвеевскую конференцию по физике в Брюсселе . Он настоял на том, чтобы его жена сопровождала его, даже сказав, что он не поедет один. В конце концов советские власти смягчились и выдали паспорта для пары. Они оба присутствовали и договорились о продлении своего пребывания с помощью Марии Кюри и других физиков. В течение следующего года Гамов получил временную работу в Институте Кюри , Лондонском университете и Мичиганском университете .
В 1934 году Гамов и его жена переехали в Соединенные Штаты. В 1934 году он стал профессором в Университете Джорджа Вашингтона (GWU) и пригласил физика Эдварда Теллера из Лондона присоединиться к нему в GWU. В 1936 году Гамов и Теллер опубликовали то, что стало известно как « правило отбора Гамова-Теллера » для бета-распада . Во время своего пребывания в Вашингтоне Гамов также опубликовал основные научные статьи с Марио Шенбергом и Ральфом Альфером . К концу 1930-х годов интересы Гамова обратились к астрофизике и космологии .
В 1935 году у Гамова родился сын Игорь Гамов (в книге 1947 года Гамов дал посвящение: «Моему сыну ИГОРЮ, который предпочел бы быть ковбоем»). В 1940 году Джордж Гамов стал натурализованным американцем. Он сохранял формальную связь с GWU до 1956 года.
Во время Второй мировой войны Гамов продолжал преподавать физику в Университете Джорджа Вашингтона и консультировал Военно-морские силы США.
Гамов интересовался процессами звездной эволюции и ранней историей Солнечной системы . В 1945 году он стал соавтором статьи, поддерживающей работу немецкого физика-теоретика Карла Фридриха фон Вайцзеккера о формировании планет в ранней Солнечной системе. [13] Гамов опубликовал еще одну статью в британском журнале Nature в 1948 году, в которой он разработал уравнения для массы и радиуса первичной галактики (которая обычно содержит около ста миллиардов звезд, каждая из которых имеет массу, сопоставимую с массой Солнца). [14]
Работа Гамова привела к развитию теории горячего «большого взрыва» расширяющейся Вселенной. Он был первым, кто использовал нестатические решения Александра Фридмана и Жоржа Леметра гравитационных уравнений Эйнштейна, описывающих Вселенную с однородной плотностью материи и постоянной пространственной кривизной. Решающее достижение Гамова обеспечило физическое воплощение идеи Леметра об уникальном изначальном кванте. Гамов сделал это, предположив, что ранняя Вселенная была во власти излучения, а не материи. [15] Большая часть более поздних работ в космологии основана на теории Гамова. Он применил свою модель к вопросу о создании химических элементов [16] и к последующей конденсации материи в галактики [17] , массу и диаметр которых он смог рассчитать в терминах фундаментальных физических параметров, таких как скорость света c , ньютоновская постоянная тяготения G , постоянная тонкой структуры α и постоянная Планка h .
Интерес Гамова к космологии возник из его более раннего интереса к генерации энергии, производству и превращению элементов в звездах. [18] [19] [20] Эта работа, в свою очередь, развилась из его фундаментального открытия квантового туннелирования как механизма ядерного альфа-распада и его применения этой теории к обратному процессу для расчета скоростей термоядерной реакции.
Сначала Гамов считал, что все элементы могут быть получены на очень высокой температуре и плотности ранней стадии Вселенной. Позже он пересмотрел это мнение в силу убедительных доказательств, выдвинутых Фредом Хойлом и другими, что элементы тяжелее лития в основном производятся в термоядерных реакциях в звездах и в сверхновых. Гамов сформулировал набор связанных дифференциальных уравнений, описывающих его предложенный процесс, и назначил, в качестве темы докторской диссертации, своего аспиранта Ральфа Альфера задачу численного решения уравнений. Эти результаты Гамова и Альфера появились в 1948 году как статья Альфера–Бете–Гамова . [21] До того, как его интерес обратился к вопросу о генетическом коде, Гамов опубликовал около двадцати статей по космологии. Самая ранняя была в 1939 году с Эдвардом Теллером о формировании галактик, [22] за которой в 1946 году последовало первое описание космического нуклеосинтеза. Он также написал много популярных статей, а также академических учебников по этому и другим предметам. [23]
В 1948 году он опубликовал статью, посвященную ослабленной версии связанного набора уравнений, описывающих производство протона и дейтрона из тепловых нейтронов. С помощью упрощения и использования наблюдаемого соотношения водорода к более тяжелым элементам он смог получить плотность материи в начале нуклеосинтеза и из этого массу и диаметр ранних галактик. [24] В 1953 году он получил похожие результаты, но на этот раз основанные на другом определении плотности материи и излучения в то время, когда они стали равными. [25] В этой статье Гамов определил плотность реликтового фонового излучения, из которой была предсказана нынешняя температура 7 К — значение, которое было немного более чем в два раза больше принятого в настоящее время значения.
В 1967 году он опубликовал воспоминания и резюме своей собственной работы, а также работы Альфера и Роберта Германа (как с Гамовым, так и независимо от него). [26] Это было вызвано открытием космического микроволнового фонового излучения Пензиасом и Уилсоном в 1965 году; Гамов, Альфер и Герман чувствовали, что они не получили должного признания за свои теоретические предсказания его существования и источника. [ необходима цитата ] Гамов был обескуражен тем фактом, что авторы сообщения [27], объясняющего значение наблюдений Пензиаса/Уилсона, не смогли признать и процитировать предыдущую работу Гамова и его коллег. [ необходима цитата ]
В 1953 году Фрэнсис Крик , Джеймс Уотсон , Морис Уилкинс и Розалинд Франклин открыли двойную спиральную структуру макромолекулы ДНК . Гамов попытался решить проблему того, как порядок четырех различных оснований ( аденина , цитозина , тимина и гуанина ) в цепях ДНК может контролировать синтез белков из их составляющих аминокислот. [28] Крик сказал, что предложения Гамова помогли ему в его собственных размышлениях над этой проблемой. [29] Как сообщает Крик, [30] Гамов заметил, что 4 3 = 64 возможных перестановок четырех оснований ДНК, взятых по три за раз, были бы сокращены до 20 различных комбинаций, если бы порядок не имел значения. [31] Гамов предположил, что эти 20 комбинаций могут кодировать двадцать аминокислот, которые, как он предположил, вполне могли бы быть единственными составляющими всех белков. Вклад Гамова в решение проблемы генетического кодирования привел к появлению важных моделей биологической вырожденности . [32] [33]
Конкретная система, которую предлагал Гамов (называемая «бриллиантами Гамова»), оказалась неверной. Триплеты должны были перекрываться, так что в последовательности GGAC (например) GGA могла производить одну аминокислоту, а GAC — другую, а также быть невырожденной (то есть каждая аминокислота соответствовала бы одной комбинации из трех оснований — в любом порядке). Более поздние работы по секвенированию белков доказали, что это не может быть так; истинный генетический код неперекрывается и вырожден, и изменение порядка комбинации оснований действительно меняет аминокислоту.
В 1954 году Гамов и Уотсон совместно основали Клуб галстуков РНК . Это была дискуссионная группа ведущих ученых, занимающихся проблемой генетического кода, среди членов которой были физики Эдвард Теллер и Ричард Фейнман . В своих автобиографических записях Уотсон позже признал большую важность проницательной инициативы Гамова. Однако это не помешало ему описать эту яркую личность как «сумасшедшего», играющего в карточные фокусы, распевающего лимерики, пьющего выпивку, шутящего «гигантского чертенка». [34]
Гамов работал в Университете Джорджа Вашингтона с 1934 по 1954 год, когда он стал приглашенным профессором в Калифорнийском университете в Беркли . В 1956 году он переехал в Университет Колорадо в Боулдере , где оставался до конца своей карьеры. В 1956 году Гамов стал одним из основателей Комитета по изучению физических наук (PSSC), который позже реформировал преподавание физики в старших классах школы в годы после запуска спутника .
В 1959 году Гамов, Ганс Бете и Виктор Вайскопф публично поддержали возвращение Фрэнка Оппенгеймера на должность преподавателя физики в колледже Университета Колорадо , когда Красная угроза начала угасать ( Дж. Роберт Оппенгеймер был старшим братом Фрэнка Оппенгеймера, и оба они работали над Манхэттенским проектом, прежде чем их карьеры в физике были сорваны маккартизмом ). [35] : 130 Находясь в Колорадо, Фрэнк Оппенгеймер все больше интересовался преподаванием науки с помощью простых практических экспериментов, и в конечном итоге он переехал в Сан-Франциско, чтобы основать Exploratorium . [35] : 130–152 Гамов не дожил до открытия его коллегой этого инновационного нового музея науки в конце августа 1969 года. [35] : 152
В своей книге 1961 года «Атом и его ядро» Гамов предложил представить периодическую систему химических элементов в виде непрерывной ленты, в которой элементы в порядке атомного номера намотаны в трехмерную спираль, диаметр которой ступенчато увеличивается (соответствует более длинным рядам обычной периодической таблицы).
Гамов продолжил преподавание в Университете Колорадо в Боулдере и все больше сосредотачивался на написании учебников и книг по науке для широкой публики. После нескольких месяцев плохого здоровья, операций на кровеносной системе, диабета и проблем с печенью Гамов умирал от печеночной недостаточности , которую он называл «слабым звеном», не выдерживающим других нагрузок.
В письме Ральфу Альферу от 18 августа он написал: «Боль в животе невыносима и не прекращается». До этого состоялся долгий обмен письмами с его бывшим студентом, в котором он искал свежего понимания некоторых концепций, использованных в его более ранней работе с Полем Дираком. Гамов полагался на Альфера для более глубокого понимания математики.
19 августа 1968 года Гамов умер в возрасте 64 лет в Боулдере, штат Колорадо , и был похоронен там же на кладбище Green Mountain Cemetery. В его честь названа башня физического факультета Университета Колорадо в Боулдере.
У Гамова от первой жены Ро в 1935 году родился сын Игорь Гамов . Позже их сын стал профессором микробиологии в Университете Колорадо , а также изобретателем.
В 1956 году Гамов развелся со своей женой Ро. В 1958 году он женился на Барбаре Перкинс , редакторе одного из своих издательств.
Гамов был известным шутником, который наслаждался розыгрышами и юмористическими поворотами, вкрапленными в серьезные научные публикации. [36] [37] Его самой известной шуткой была новаторская статья Альфера-Бете-Гамова (1948), которая была серьезной по своему стилю и содержанию. Однако Гамов не мог удержаться от добавления своего коллеги Ганса Бете в список авторов, в качестве каламбура на первые три буквы греческого алфавита . [36] [38] [37]
Гамов был атеистом. [39] [40] [41]
Гамов был очень успешным научным писателем, и несколько его книг все еще печатаются более полувека спустя после их первой публикации. Как педагог, Гамов распознавал и подчеркивал фундаментальные принципы, которые вряд ли устареют, даже если темпы науки и технологий ускорятся. Он также передал чувство волнения от революции в физике и других научных тем, представляющих интерес для обычного читателя. Гамов сам набросал множество иллюстраций для своих книг, которые добавили новое измерение и дополнили то, что он намеревался передать в тексте. Он не боялся вводить математику везде, где это было необходимо, но он старался не отпугивать потенциальных читателей, включая большое количество уравнений, которые не иллюстрировали существенные моменты.
В 1946 году Гамов был сторонником полета человека в космос с использованием атомной энергии. [42] «Мы можем подготовить себя к путешествию на Луну и на различные планеты нашей солнечной системы в комфортабельном ракетном корабле, приводимом в движение атомной энергией». Он также писал: «Обычное химическое топливо, которое могло бы использоваться в двигателе такого ракетного корабля, вряд ли могло бы придать ему необходимую скорость...». [43] К 1965 году он умерил свои ожидания, хотя и повторил свой прогноз относительно атомной энергии:
В то время как мы сможем изучить формы жизни, которые могли развиться на Марсе и Венере (лучших «обитаемых» планетах Солнечной системы) в не столь отдаленном будущем посредством авантюрного путешествия к этим планетам на «атомном космическом корабле», вопрос о возможном существовании и формах жизни в других звездных мирах, удаленных на сотни и тысячи световых лет, вероятно, навсегда останется неразрешимой проблемой науки. [44]
К тому времени космическая гонка уже вовсю шла с использованием обычных химических ракет.
Его книга « Сотворение Вселенной », впервые опубликованная в 1952 году, завершается следующим образом: «Потребовалось меньше часа, чтобы создать все атомы во Вселенной, несколько сотен миллионов лет, чтобы создать звезды и планеты, и три миллиарда лет, чтобы создать человека». [45] [46]
В 1956 году он был удостоен премии Калинги от ЮНЕСКО за свою работу по популяризации науки, за серию книг « Мистер Томпкинс...» (1939–1967), книгу « Один, два, три... Бесконечность» и другие работы. [1]
Перед смертью Гамов работал с Ричардом Блейдом над учебником « Основные теории современной физики» , но работа так и не была завершена и опубликована под этим названием. Гамов также писал «Мою мировую линию: неформальную автобиографию» , которая была опубликована посмертно в 1970 году.
Коллекция сочинений Гамова была передана в дар Университету Джорджа Вашингтона в 1996 году. Материалы включают в себя переписку, статьи, рукописи и печатные материалы как самого Джорджа Гамова, так и о нем. Коллекция в настоящее время находится под опекой Исследовательского центра специальных коллекций Университета Джорджа Вашингтона, расположенного в Библиотеке Эстель и Мелвина Гельман . [47]
В этих книгах г-н Томпкинс представлен как «CGH Томпкинс», чтобы подчеркнуть понятие физики cGh .
Первые серьезные теории обеих этих ключевых идей были сформулированы одним и тем же человеком, колоритным, неотразимо игривым физиком по имени Георгий Гамов.
того, как была проделана первоначальная математическая работа по теории относительности, сама теория Большого взрыва была изобретена бельгийским священником Жоржем Леметром, усовершенствована убежденным атеистом Георгием Гамовым и теперь практически повсеместно принята теми, кто имеет ученые степени в области астрономии и физических наук, несмотря на ее очевидную абсурдность.
Удивительно, но атеист Георгий Гамов пользовался вниманием Папы Римского к своей области исследований.
