110 лет со дня рождения Исаака Померанчука, создателя физики высоких энергий

20 мая родился академик Исаак Померанчук — любимый ученик Льва Ландау, благодаря которому в СССР появились атомные реакторы, водородные бомбы, физика высоких энергий и протонная лучевая терапия. «Ъ-Наука» рассказывает о выдающемся теоретике по воспоминаниям его современников.

Исаак Померанчук родился 20 мая 1913 года в Варшаве. Его отец был инженером-химиком, а мать — стоматологом. После революции семья перебралась в Ростов-на-Дону, а с окончанием Гражданской войны — в Донбасс. Там отец будущего ученого основал и возглавил Рубежанский химзавод, на котором Исаак, окончив школу-семилетку и двухлетнее фабрично-заводское училище, трудился аппаратчиком хлорного цеха.

Объем Вороновской и механика Борна

Отучившись год в Ивановском химико-технологическом институте, в 1932-м Померанчук перевелся на физико-механический факультет Ленинградского политеха.

«Группа наша была необычной,— вспоминал физик Абрам Кикоин, бывший однокурсник Померанчука.— Она была укомплектована из студентов, окончивших первый курс различных институтов… Поначалу Померанчук был в группе малозаметен. Маленького роста, очень худой, в очках в простой металлической оправе, со всегда сжатыми губами, он был не очень общителен. Звали мы его Юзиком… Очень скоро выяснилось, что то, что казалось необщительностью, в действительности было серьезностью, необычной для юноши. Стало ясно, что Юзик — один из способнейших студентов.

Когда стало известно, что высшую математику нам будет читать Е.В. Вороновская, Юзик активно выражал свое недовольство. Он считал, что математику для физиков должен читать кто-нибудь из светил ленинградской математики. Вместо этого в расписании занятий значится никому не известное имя, к тому же женское. Однако Е.В. Вороновская читала свой курс блестяще, и мне запомнилось, что, когда через некоторое время в разговоре зашла речь о ближайших целях, которые каждый ставит перед собой, Юзик в числе других ставил себе и такую: знать математику в объеме Вороновской.

Аналитическую механику — первый из курсов теоретической физики — читал у нас Я.И. Френкель. Здесь Юзику обижаться было не на что, поскольку Я.И. Френкель, несомненно, был требуемым светилом. Скоро, однако, мы перестали понимать нашего прославленного лектора. Лично я даже не мог понять, о чем идет речь. И каким- то утешением для меня было то, что не понимал лекции и “сам” Юзик. Он уходил с лекций мрачным. Его угнетало то, что он, будущий физик-теоретик, не в состоянии понимать лекции по теоретической физике. Его озабоченность передалась и мне при всей моей тогдашней беспечности. Моя озабоченность была, правда, другого характера: ведь по окончании курса будет экзамен.

И я принял свои “меры”. Я “пожаловался” старшему брату (речь идет об Исааке Кикоине, будущем академике и руководителе одного из направлений советского атомного проекта.— “Ъ-Наука”) и объяснил ему ситуацию, сославшись именно на то, что лекции не понимает Юзик. Брат его уже знал, поскольку “подгонял” нашу группу по общей физике. Сам бывший студент Я.И. Френкеля, он высказал предположение, что Яков Ильич читает нам что-то из того, что он в данный момент переводит. На другой день я узнал, что Яков Ильич в то время переводил книгу М. Борна Atommechanik.

В тот же день книга была у меня в руках. Первая глава называлась Klassische Physik. Я показал книгу Юзику, мы перевели первую главу на русский язык, и он сразу понял, что наш профессор читает нам именно эту главу, но приводит все выкладки, естественно, опущенные Борном в краткой вступительной главе. По-видимому, Яков Ильич выполнял эти выкладки прямо при нас на лекциях и не все у него шло гладко. Юзик не только быстро разобрался в курсе, но объяснил и мне, и объяснил удивительно ясно. По всей вероятности, он помог не только мне, потому что экзамен группа благополучно сдала».

Первый среди равных

В 1936-м, по окончании Ленинградского политеха, Померанчук поступил в аспирантуру Харьковского физико-технического института. Там он трудился под руководством Льва Ландау, став одним из его первых учеников. В частности, Исаак среди первых сдал экзамены по знаменитому теоретическому минимуму Ландау, причем всего за два месяца (у прочих на это уходило несколько лет).

«С Исааком Яковлевичем мы встречались регулярно на семинарах Ландау,— писал академик Исаак Халатников.— В то время участников семинаров было немного, максимум 10–12 человек, которые все умещались за одним столом, покрытым зеленым сукном. Этот стол можно еще сейчас увидеть в конференц-зале Института физических проблем.

В “табели о рангах” Исаак Яковлевич уже тогда стоял на первом месте среди учеников Льва Давидовича… Лев Давидович всегда выделял Исаака Яковлевича из всех своих учеников, относился к нему особенно тепло. Это выражалось и в том, как он его обычно называл в разговорах со мной, несколько даже нежно: вместо общепринятого Чук Дау говорил Чуча».

В том же 1936 году Померанчук опубликовал в соавторстве с Ландау и Александром Ахиезером свою первую научную работу. Она была посвящена рассеянию света светом в случае, когда энергия сталкивающихся фотонов много больше массы электрона, и вышла в журнале Nature. На следующий год совместно с Ахиезером Померанчук развил первую количественную теорию рассеяния фотонов полем ядра, а с Ландау — теорию электропроводности металлов при низких температурах.

Материалистическая теория мироздания

Тогда же, в 1937-м, Исаак Яковлевич вслед за Ландау перебрался в Москву, где короткое время трудился ассистентом кафедры физики Московского технологического института легкой промышленности. В воспоминаниях современников вуз этот именуется «обувным институтом».

«Чук преподавал там физику,— вспоминал академик Алексей Абрикосов,— и в один прекрасный день ему надо было рассказать про термодинамику. По тогдашней программе все выводилось не из статистической физики, а “по Каратеодори”, то есть весьма формально и непонятно. Чук бодро начал вывод, но в середине перестал сам понимать, что к чему. Он распустил студентов и сказал, что выведет все в следующий раз. Но на следующей лекции, дойдя до того же места, он опять застрял. На третью лекцию пришел один студент, но результат был тот же. После этого Чука вызвали в деканат.

А другой случай в том же институте был вот какой. Чук должен был защищать диссертацию. Одним из оппонентов был Капица. Диссертация была посвящена теплопроводности диэлектриков. Но перед защитой члены ученого совета взбунтовались. Они говорили, что тема диссертации не имеет отношения к изготовлению обуви и они в ней не разбираются. Тогда встал заведующий кафедрой марксизма-ленинизма и сказал, что диссертация посвящена материалистической теории мироздания и в этих вопросах должны разбираться все. Обувщики были посрамлены. Диссертация прошла единогласно».

Впрочем, воспоминание это — скорее всего, попросту анекдот, ведь, согласно официальной биографии, Померанчук защищал докторскую («Теплопроводность и поглощение звука в диэлектриках») в 1940-м, будучи старшим научным сотрудником Физического института АН СССР им. П. Н. Лебедева.

Теоретик мирного атома

В разгар Великой Отечественной войны Померанчука привлекли к участию в атомном проекте. С 1943-го он был одним из ближайших помощников Игоря Курчатова — заведовал сектором лаборатории №2 (лаборатория измерительных приборов АН СССР, ныне НИЦ «Курчатовский институт»), отвечавшим за разработку теории ядерных реакторов. На основе работ Исаака Яковлевича создавались первые реакторы в стране.

В частности, без вклада Исаака Яковлевича было бы невозможным осуществление незатухающей цепной ядерной реакции. Важнейшим шагом в этом направлении стало создание теории резонансного поглощения нейтронов в гетерогенных системах (совместно с Исаем Гуревичем).

«Пути наши пересеклись, когда в Москве стали заниматься атомной проблемой, начались поиски способов осуществления цепной ядерной реакции,— вспоминал академик Георгий Флёров.— Предстояло решить множество проблем, среди них — как бороться с резонансным поглощением нейтронов, препятствующим цепной реакции.

Мы с В.А. Давиденко предложили использовать блоки, составленные из кусочков металла, а за неимением урана решили провести опыты с вольфрамом. Но и с ним были большие трудности. Был 1943 год, шла война. Тем не менее на ламповом заводе нам удалось раздобыть остатки палочек вольфрама. Из их кусочков, парафина и вольфрамовой пыли мы изготовили образцы и на опыте убедились, что такое “кусочное” применение металлов позволяет значительно эффективнее использовать нейтроны.

На основании наших опытов Исаак Яковлевич Померанчук и Исай Исидорович Гуревич создали теорию так называемого блочного эффекта резонансного поглощения, с помощью которой можно было рассчитать оптимальные размеры блоков атомных реакторов (которыми и по сей день пользуются на атомных электростанциях).

Тут-то я и столкнулся, пожалуй, впервые с искусством настоящих теоретиков применять все свое аналитическое мышление и математический аппарат к задачам, казалось бы, совсем далеким от тех, которыми они до сих пор занимались. Это умение переключаться, видеть общее в частности было очень характерно для Исаака Яковлевича».

Водородные бомбы, высокие энергии и ускорители

На протяжении 1940–1950-х Померанчук предсказал множество явлений, впоследствии подтвержденных экспериментально. Понятие «эффект Померанчука» есть в физике твердого тела, физике низких температур, физике частиц, электродинамике электронов, позитронов и мезонов.

«Вокруг него возник своеобразный фольклор,— вспоминал академик Аркадий Мигдал,— отражавший его замечательное свойство — полную поглощенность идеями, которые занимали его в то или иное время. Однажды в восемь утра Померанчук позвонил в дверь А.И. Алиханяна и заявил полупроснувшемуся хозяину: “Артем Исаакович, все дело в вакууме. Покупайте насосы!” Это очень характерная для него форма шутки — он всегда говорил о волновавших его вещах с некоторой долей иронии, боясь излишней торжественности.

В период, когда его очень беспокоили расходимости квантовой электродинамики, он со взъерошенными волосами пришел к М. Корнфельду и с порога сказал: “Марк, вы понимаете, они расходятся!” Это было в те времена, когда физики не имели ни машин, ни квартир и Чук жил в коммуналке без ванны и телефона. Когда И.В. Курчатову нужно было вызвать его, он звонил Корнфельду, жившему в том же доме, и просил сбегать через двор за Чуком».

Исаак Яковлевич предсказал синхротронное излучение (вместе с Дмитрием Иваненко; 1944), построил теорию резонансных ядерных реакций (1948) и теорию дифракционного рассеяния быстрых заряженных частиц (1949). В 1950-м он предсказал эффект отрицательного значения теплоты плавления твердого гелия-3. Это явление экспериментально подтвердили в 1957-м, а с 1965-го научились применять для получения устойчивых сверхнизких температур (ниже 1 К), что сыграло важную роль в развитии экспериментальной физики.

Наконец, в 1958 году Померанчук вывел важное положение квантовой теории поля — доказал теорему о равенстве сечений взаимодействия частицы и античастицы с нуклоном при предельно высоких энергиях. Эта работа положила начало новому разделу физики элементарных частиц — физике высоких энергий.

В 1946-м Исаак Яковлевич основал и возглавил теоротдел лаборатории №3 (теплотехническая лаборатория АН СССР, ныне Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова в составе НИЦ «Курчатовский институт»), научным руководителем которого оставался до конца жизни.

В 1950 году Померанчука командировали в Арзамас-16, где он возглавлял работы по расчету энергетического баланса водородной бомбы. А годом позже Исаак Яковлевич выступил одним из основателей теоретического отдела будущего Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне.

«Однажды, когда я познакомил его с планом очередного эксперимента,— писал в своих воспоминаниях Флёров,— Исаак Яковлевич (как сейчас помню, он сидел на столе и размахивал ногами), пристально посмотрев на меня, сказал: “Ну вот, Георгий Николаевич, либо Вы строите ускоритель и занимаетесь настоящей наукой, либо Вам лучше уйти в управдомы и заняться общественно полезным делом”.

И вот надо признаться, что именно слова Исаака Яковлевича послужили толчком к тому, что через несколько лет, оставив текущие мелкие задачи, я занялся проектированием и строительством ускорителя тяжелых ионов. Дело это было очень сложное, требующее решения множества далеко не научных проблем: мне приходилось заниматься бетоном, определять, сколько уборщиц должно быть в штате на данной площади, и т. п.

Как-то в один из тяжелых моментов я позвонил Исааку Яковлевичу и сказал: “Вы вот говорили — либо управдом, либо ускоритель. И вот я строю ускоритель, а на самом деле работаю при нем управдомом».

Упомянутый ускоритель — циклотрон У-300 — был запущен в лаборатории ядерных реакций ОИЯИ в 1960 году и оставался мощнейшим ускорителем тяжелых ионов в мире на протяжении последующих 17 лет. На нем впервые синтезировали 104-й и 105-й элементы таблицы Менделеева (резерфордий и дубний), а еще открыли протонную радиоактивность.

Инициатор протонной терапии

В 1965 году у Померанчука обнаружили рак пищевода. Когда врачи Института экспериментальной и клинической онкологии АМН СССР (ИЭКО, ныне Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н. Н. Блохина) начали курс радиотерапии, Исаак Яковлевич выступил инициатором работ по применению в медицине протонных ускорителей: было очевидно, что протонный пучок более «точен» и значительно меньше повреждает здоровые ткани, чем пучки гамма-квантов и электронов.

«В кабинет вошел размеренным шагом худощавый мужчина среднего роста,— вспоминал один из основоположников радиационной онкологии профессор Аркадий Рудерман,— лет 45, интеллигентного облика, с удивительно проницательным взглядом, без каких-либо проявлений волнения и признаков внутренних переживаний. После беседы и детального осмотра, а также рентгеновского исследования я убедился в правильности предварительного диагноза и разъяснил, что в таких случаях целесообразно лучевое лечение.

После небольшой паузы Исаак Яковлевич произнес: “Профессор, я знаю, чем болен, давайте откровенно поговорим, в чем будет заключаться лучевая терапия и почему Вы пользуетесь гамма-излучением?” Не вдаваясь в обсуждение первой половины фразы, я ответил, что во всем мире медицинское дистанционное облучение сейчас проводится Со 60 (кобальтом-60), хотя возможны облучения и другими ионизирующими излучениями. Я продемонстрировал сравнительные таблицы распределения глубинных доз различных излучений, приравненных друг к другу по максимальной ионизации.

— За чем же дело стало?

— Медики не имеют таких установок. Они в руках физиков. Требуется соответствующее решение.

— Ну, в этом можно советской медицине помочь.

Тут же состоялся телефонный разговор академиков И. Я. Померанчука и В.А. Кириллина, в то время председателя ГКНТ (Государственного комитета по науке и технике). На следующий день я был вызван в ГКНТ, а еще через день президент АМН СССР Н.Н. Блохин и я уже обсуждали с В.А. Кириллиным текст возможных заданий по использованию заряженных ядерных частиц в медицине».

Работы велись в ИЭКО, ИТЭФ и ОИЯИ. Их завершения Исаак Яковлевич не застал: он скончался от болезни 14 декабря 1966 года.

«Последний год жизни, несмотря на полное понимание своей обреченности, Исаак Яковлевич работал исключительно напряженно,— вспоминал физик Владимир Грибов.— У него было ощущение, что необходимо успеть еще что-то сделать. Последнюю нашу совместную работу мы обсуждали за неделю до его смерти. При этом у меня возникли сомнения в правильности одного из обсуждавшихся утверждений. С этими сомнениями я уехал в Ленинград.

Вернувшись в Москву через неделю, я узнал, что накануне Чуку стало совсем плохо и он практически без сознания. Я поехал к нему домой. Когда я приехал, то оказалось, что в течение последних десяти-пятнадцати минут Чук пришел в сознание и ему немного лучше. Дочь Чука Марина сказала ему, что я приехал. Он попросил меня войти. Когда я вошел, он улыбнулся и, говоря с большим трудом, спросил, как обстоят дела с возражениями, которые я имел при отъезде. Я ответил, что все в порядке и что я был неправ. Он сказал: “Ну, очень хорошо” — и вскоре опять потерял сознание. Под утро, не приходя в сознание, Чук скончался».

Два года спустя первый медицинский пучок заработал на протонном ускорителе в ОИЯИ в Дубне, спустя еще год — в ИТЭФ в Москве, в 1975-м — в Петербургском институте ядерной физики имени Б.П. Константинова в Гатчине. К настоящему времени протонную терапию проходят тысячи пациентов, с 2020-го она включена в перечень видов высокотехнологичной медицинской помощи, финансируемой из средств ОМС.

Воображаемая частица и премия не для нобелевских лауреатов

Имя Померанчука носит псевдочастица померон. Ее теоретически обосновал Владимир Грибов еще в 1961 году, название же в честь Исаака Яковлевича она получила уже после смерти последнего.

«В силе этого уважения (которым Померанчук пользовался у зарубежных коллег) я смог убедиться через год после смерти Чука, когда был в ЦЕРН,— вспоминал академик Евгений Фейнберг.— (Дуглас) Моррисон обратился ко мне в связи со спорами, которые шли между церновскими теоретиками: как лучше называть вакуумный полюс — помероном или померанчуконом (более правильным, как он сам считал).

Я сказал, что для меня “померон” звучал бы погребальным колоколом: “помер он”, но так как для западных теоретиков этого смысла здесь нет, а померанчукон слишком длинно и может не удержаться, то лучше уж применять померон.

Учреждением этого термина Чуку была оказана особая почесть. Ведь не он ввел в теорию вакуумный полюс. И хотя его роль в развитии теории процессов при асимптотически высоких энергиях была, конечно, очень значительна, все же в этом акте следует видеть подчеркнутое выражение симпатии и уважения».

Сегодня изучение померона и его свойств — целая отдельная область в теории сильных взаимодействий.

С 1998 года в день рождения Исаака Яковлевича в ИТЭФ вручают премию его имени. Ее присуждают «за выдающиеся достижения во всех областях теоретической физики, в которые внес вклад И. Я. Померанчук». Каждый год лауреатами становятся один российский и один зарубежный ученый, при этом на премию имени Померанчука не могут быть номинированы лауреаты Нобелевской премии.

В 2022 году награда досталась профессорам Лучано Майани из итальянского Национального института ядерной физики (за вклад в теорию электрослабых взаимодействий) и Ирине Арефьевой из Математического института им. В.А. Стеклова РАН (за работы в области теории элементарных частиц, квантовой теории поля и суперструн).