Философский пароход и фабрики интеллигентов

Сто лет назад физика переживала революцию: наука, в которой все основные открытия, казалось, уже были сделаны к концу XIX века, благодаря работам Резерфорда, Планка и Эйнштейна выяснила, что на самом деле лишь подступила к порогу совершенно новых представлений об устройстве мира. Основными героями этих событий были ученые, работавшие в Западной Европе. Но на другом краю Старого света, в России, в это время начала формироваться российская школа физики, воспитанники которой навсегда вписали свои имена в историю науки XX века. Рассказываем, как на становление этой школы повлияли реформы большевиков в области школьного и высшего образования, и чем занимался в первые годы советской власти «отец русской физики» Абрам Иоффе.

В 1918-1919 годах Красная армия сражалась с генералом Деникиным и атаманом Красновым на юге, адмиралом Колчаком на востоке и генералом Юденичем на западе. На подконтрольных советской власти территориях постоянно вспыхивали восстания, в стране свирепствовали тиф и испанский грипп.

А физик Абрам Иоффе (о нем мы рассказывали в материале «Русское поле экспериментов») в 1918 году предложил наркому просвещения Анатолию Луначарскому организовать в Петрограде Государственный рентгенологический радиологический институт. Вместе с Иоффе эту идею наркому представил известный врач-рентгенолог Михаил Неменов. Нарком идею одобрил, и ученые получили здание на Лицейской улице (теперь улица Рентгена) и разрешение вынести часть мебели из Зимнего дворца. Институт в народе быстро прозвали «первым большевистским». Иоффе стал его президентом и руководителем физико-математический отдела, Неменов — вице-президентом и директором института. Через три года физики во главе с Иоффе отделились от медиков и радиохимиков, сформировали Физико-технический институт и переехали на Выборгскую сторону, в бывшее здание богадельни для обнищавших дворян.

В Российской империи крупных научных институтов никогда не было. А перед Советским правительством, казалось бы, стояли куда более насущные задачи. Однако большевики считали, что именно наука позволит им совершить экономический рывок и, в чуть более отдаленном будущем, построить коммунизм. Более того, они верили, что их право на власть в России научно обосновано: марксистская теория утверждала, что коммунизм является высшей ступенью развития общества, а социалистическая революция — один из обязательных шагов на пути к нему. Поэтому, несмотря на то, что Российская академия наук в ноябре 1917 года после общего собрания объявила революцию года «великим бедствием», а большевиков — «насильниками, захватившими власть», советское правительство, по прямому указанию Ленина, с академиками особенно «не озорничало» (об этом мы упоминали в материале «Русское поле экспериментов»). 

В феврале 1918-го академики собрались еще раз — и после сообщили большевикам, что готовы оказывать им «посильную помощь» в деле государственного строительства. Правительство организовало выдачу научным работникам дополнительных продуктовых пайков. Это было жизненно важно, поскольку в 1918–20 годах Петроград голодал, снабжение города хлебом в гражданскую войну было гораздо хуже, чем в Первую мировую, и треть смертей в городе была от голода. Историк Георгий Князев по этому поводу мрачно отмечал в дневнике: «Таков уж народ наш. За 2 фунта хлеба на семью согнал с престола Николая и за 1/8 терпит большевиков, так много обещавших и ничего не давших».

Относительно мягко, однако, большевики вели себя только с учеными-естественниками. Все остальные быстро встали совсем перед другим выбором, полная поддержка правительства и его идеологии — или репрессии. Осенью 1922 года больше 80 известных российских интеллектуалов были высланы за границу: больше всего среди них было медиков, экономистов и литераторов. Троцкий в интервью для американской прессы назвал это «гуманизмом по-большевистски» — альтернативой высылке был расстрел.

Гражданская война и голод, естественно отодвинули вопросы образования на задний план. Множество школ было разрушено, миллионы детей стали беспризорниками — потеряли родителей, дом и доступ к учебе. Ситуация с грамотностью, которая и до революции, в отличие от многих западноевропейских стран, была далека от повсеместной, лишь усугубилась.

За народное образование большевики взялись всерьез только через два года после окончания гражданской войны. Советская конституция 1924 года провозгласила государственной задачей предоставить всем трудящимся полное, всестороннее и бесплатное образование. С середины 20-х годов и до начала Великой Отечественной количество школ в стране и численность учащихся непрерывно росли — последних стало как минимум вчетверо больше. К 1930-му всеобщее начальное образование было введено практически во всех республиках Союза.

Кроме того, отдельные усилия были брошены на обучение взрослых. Ленин подписал декрет «О ликвидации безграмотности» еще в 1919 году, согласно которому все граждане нового государства были обязаны освоить навыки чтения и письма. Содействовать этому должны были их грамотные сограждане — в рамках трудовой повинности.

Забота большевиков об образовании преследовала сразу две цели:

• во-первых, эффективная экономика нуждалась в образованных работниках (эту задачу, в общем-то, Советский Союз просто унаследовал от Российской империи),

• во-вторых, грамотное население эффективнее воспринимало коммунистическую пропаганду (в частности, через национализированные газеты). Причем пропаганда начиналась еще в школе. На I Всероссийском съезде по просвещению Ленин прямо заявил: «Наше дело в области школьной есть также борьба за свержение буржуазии; мы открыто заявляем, что школа вне жизни, вне политики — это ложь и лицемерие». В 1925 году политграмота стала обязательной частью курсов по ликвидации безграмотности.

К концу 30-х годов доля грамотного населения в стране достигла 80–90 процентов, что считалось несомненным успехом советского правительства. Тем не менее, существуют оценки, показывающие, что в отсутствие Революции, Гражданской войны и декретов о ликвидации безграмотности тот же результат мог быть достигнут и силами дореволюционной системы образования.

Высшее образование также росло быстрыми темпами. В 1927 году в 148 советских вузах учились 168,5 тысячи студентов (против 112 тысяч учащихся в 91 вузе в 1914 году). К 1940 году число студентов выросло уже до 811 тысяч. Большевики придавали большое значение пропагандистской работе в университетах. Один из лидеров партии, Николай Бухарин, заявлял: «Нам необходимо, чтобы кадры интеллигенции были натренированы идеологически на определенный манер. Да, мы будем штамповать интеллигентов, будем вырабатывать их, как на фабрике».

1920-е годы — время удивительных экспериментов в области образования. В обычных условиях институт школы очень консервативен, однако в России той поры революция коснулась каждой сферы жизни.

Первым делом школы отменили телесные наказания, обязательную форму, преподавание Закона Божия, раздельное обучение мальчиков и девочек, национальные квоты и сословные привилегии (последние были отменены не полностью, но теперь дискриминировались те, у кого до революции было больше возможностей, а преимущества в получении образования появились у детей рабочих и крестьян). Также было введено школьное самоуправление. Советы обучающихся обладали реальным влиянием, в частности имели право утверждать (или не утверждать) наказания.

Не устояла даже классно-урочная система. Одной из альтернатив, которую активно продвигала глава научно-педагогической секции Государственного ученого совета, жена Ленина Надежда Крупская, был лабораторно-бригадный метод. Учащиеся делились на бригады и самостоятельно работали над заданием, выданным учителем. Во время сдачи задания отвечать мог любой член бригады, и если ответ был правильным, то зачет ставился всем. Правда, это часто приводило и к тому, что какие-то знания получал только отвечающий на зачете бригадир. 

Все эти, по большей части позитивные, изменения имели и побочные эффекты в виде падения дисциплины и авторитета учителей.

В вузах в рамках борьбы с сословными привилегиями были ликвидированы ученые степени (до революции магистерская степень при поступлении на государственную службу давала право на чин титулярного советника, а следовательно, на личное дворянство), а также вступительные экзамены.

Дети рабочих и крестьян получили преимущество при поступлении, однако даже с учетом этого уровень их знаний часто был совершенно недостаточным для зачисления, и многие университеты организовали трех- четырехлетние подготовительные курсы (так называемые рабочие факультеты), на которых преподаватели заполняли пробелы абитуриентов в знании школьной программы.

Такая политика в области высшего образования поначалу шокировала профессоров. Владимир Вернадский писал: «Идет окончательный разгром высших школ, подбор неподготовленных студентов-рабфаков, которые сверх того главное время проводят в коммунистических клубах. У них нет общего образования, и клубная пропаганда кажется им истиной. Уровень требований понижен до чрезвычайности». Тем не менее, эффект от притока студентов вскоре позволил советской науке, в том числе физике, совершить впечатляющий рывок.

В конце 1920-х годов СССР взял курс на индустриализацию, которая потребовала множество образованных технических специалистов. Стало ясно, что бригадный метод Крупской и отбор в вузы по сословному и идеологическому признаку работают не очень хорошо. Школьные эксперименты были объявлены неудавшимися и свернуты. (Надо отметить, что, возможно, неудачными были не сами новые методы обучения, стимулирующие работу в группах, ответственность и инициативу школьников, а их тотальное и бессистемное применение. Однако Сталин использовал этот эпизод в рамках партийной борьбы со вдовой Ленина, Крупской, у которой был определенный авторитет в партии.)

В 1930–1940-е годы в школе была восстановлена не только классно-урочная система, но и жесткая дисциплина (заменившая школьное самоуправление), школьная форма (чрезвычайно похожая на дореволюционный гимназический мундир), раздельное обучение (в крупных городах). Появилась даже плата за обучение в старших классах. Последние две меры были отменены только после смерти Сталина.

В 1934 году вернулись и научные степени. Для ускорения «остепенения» звания докторов наук сразу же присвоили всем членам Академии, а также разрешили поначалу присуждать степени за особые научные заслуги без защиты диссертации.

Другая проблема, с которой столкнулись российские ученые, став советскими, — это изоляция. После революции бывшие союзники России, Англия и Франция, осуждали сепаратный мир, который советское правительство заключило с Германией. Кроме того, новое государство на месте Российской империи официально провозгласило своей целью содействие мировой пролетарской революции, а значит, контакты ученых с СССР привлекали внимание европейских спецслужб — нет ли в них риска подрывной деятельности?

Иоффе считал, что такая изоляция причиняет огромный вред советской науке, и в 1921 году — еще шли последние битвы гражданской войны — убедил правительство выделить ему деньги на командировку в Европу с целью восстановления научных связей, закупки оборудования и научной литературы для Физико-технического института. Первым делом он связался со своим другом, профессором Лейденского университета Паулем Эренфестом. 

Немецкий друг русской физики

Иоффе подружился с ним в Санкт-Петербурге, куда Эренфест приехал в 1907 году, устраиваться на работу в университет. Не вполне обычная для выпускника Венского университета карьерная траектория была связана с тем, что он был женат на преподавательнице математики из России Татьяне Афанасьевой. 

Эренфест родился в еврейской семье, а межконфессиональные браки в Австро-Венгрии были запрещены, поэтому ему с женой пришлось официально объявить себя атеистами. Когда после переезда в Петербург 27-летний Эренфест пришел регистрироваться по месту жительства, этот факт поставил в тупик местного чиновника. «На каком кладбище мы будем вас хоронить, если вы вдруг умрете?», — недоумевал тот.

В Санкт-Петербурге Эренфест занимался теоретическими исследованиями, прежде всего термодинамикой и квантовой механикой, редактировал журнал Русского физико-химического общества, а также организовал семинар, давший возможность местным физикам следовать за бурным развитием науки.

Иоффе встречался с Эренфестом несколько раз в неделю, а между встречами последний ежедневно писал коллеге многостраничные письма с изложением своих мыслей и вычислений.

«Несомненно, Россия могла бы стать моей Родиной в самом сокровенном смысле этого слова, если бы я смог получить здесь постоянную преподавательскую работу. Несмотря на недостаточное знание языка, я не чувствую себя чужим в кругу здешних людей (исключая политических чиновников)», — писал Эренфест в 1912 году. Однако невзирая на все его научные и организаторские заслуги, места в российских университетах ему не нашлось, и в 1914 году он вместе с женой и детьми уехал в Голландию, где получил кафедру теоретической физики в Лейденском университете.

В Лейден с Эренфестом перебралась и традиция еженедельных семинаров. Выступать на них приезжали все ведущие теоретики, включая Альберта Эйнштейна и Нильса Бора (с ними Эренфест близко подружился), Вернера Гейзенберга, Макса Планка и Вольфганга Паули.

Эйнштейн отмечал, что Эренфест был бесподобным учителем, поскольку обладал «чрезвычайно хорошо развитой способностью улавливать самое существо теоретического понятия и настолько освобождать теорию от ее математического наряда, чтобы лежащая в ее основе простая идея проявлялась со всей ясностью <…> по этой же причине его приглашали на научные конгрессы, ибо в обсуждения он всегда вносил изящество и четкость». Работа в Голландии действительно раскрыла недюжинный талант Эренфеста, как преподавателя и научного руководителя. Его студенты и аспиранты активно включились в работу по созданию квантовой механики, и Лейден стал одним из центров европейской физики.

Возможно, не менее важно было и чисто человеческое внимание, которое Эренфест проявлял к своим ученикам. В 1924 году на стажировку в Лейден приехал 23-летний Энрико Ферми. До этого он провел полгода в Геттингене под руководством Макса Борна, работая бок о бок с Гейзенбергом и Паули, но не влился в коллектив и разуверился в собственных способностях. Три месяца в группе Эренфеста вернули Ферми веру в себя (к чему это привело в научном плане, мы рассказывали в материалах «Но к нам идет жестокая пора» и «И думать заставляют о войне»).

Несмотря на неудачу с устройством в Петрограде, Эренфест сохранил самые теплые чувства к России. Он не только живо откликнулся на просьбу Иоффе помочь с литературой и оборудованием, но и несколько раз приезжал в Советский Союз на конференции и организовывал стажировки в Лейдене для молодых советских физиков. В частности, с поездки к Эренфесту возобновилась поставленная на паузу гражданской войной и разрухой научная карьера Игоря Тамма.

А еще под руководством Эренфеста в Лейдене состоялось важное открытие, ставшее вехой в развитии квантовой теории. Советские физики не принимали в нем участия, тем не менее, об этом необходимо рассказать для понимания общего хода научной мысли того времени.

Открытие спина

В классической физике для описания движения частицы в трехмерном пространстве достаточно трех величин — например, скоростей вдоль направлений x, y и z. В исходной версии квантовой механики для описания квантового состояния электрона в атоме также использовались три величины: энергия и два числа, описывающих вращение электрона вокруг ядра атома. Правда, в отличие от классики, эти величины могут принимать не любые, а лишь некоторые определенные значения (как, например, энергия в модели атома Бора, о которой мы рассказывали в материале «Германия, конечно, юбер аллес»).

В 1925 году Вольфганг Паули, анализируя квантовые состояния электронов в атоме, обнаружил, что их должно быть вдвое больше, чем предсказывает теория. Для преодоления этого несоответствия он предположил, что состояние электрона должно описываться не тремя, а четырьмя числами, причем последнее может принимать только два значения. Попутно Паули сформулировал свой знаменитый принцип, что в каждом квантовом состоянии может находиться не более одного электрона, за который получил Нобелевскую премию в 1945 году.

В своей статье Паули отказался спекулировать о физическом смысле четвертого квантового числа, ведь у него нет аналога в классической физике и неясно, как именно его следует себе представлять. Аспиранты Эренфеста, Сэмюэл Гаудсмит и Джордж Уленбек выдвинули остроумное предложение: возможно, четвертое квантовое число связано с вращением электрона вокруг собственной оси — его возможные значения соответствуют вращению электрона по и против часовой стрелки. И предложили назвать это квантовое число спином (от английского spin, «вращение»).

Эта идея здорово согласовывалась с некоторыми экспериментальными данными, в частности с магнитными свойствами электрона, но при этом имела одно неприятное следствие. Старейший и самый уважаемый голландский физик, лауреат Нобелевской премии 1902 года Хендрик Лоренц, оценил скорость точек на поверхности вращающегося электрона и получил значение в сотни раз превышающее скорость света. Такие скорости теория относительности запрещает. Узнав об этом, Уленбек и Гаудсмит попросили Эренфеста не посылать в журнал написанную ими статью, но поздно спохватились — рукопись уже была в пути. Учитель успокоил своих подопечных тем, что они «достаточно молоды, чтобы позволить себе совершить глупость».

Уленбеку и Гаудсмиту не пришлось сожалеть о расторопности Эренфеста. Правда, наивную модель вращающегося шарика, противоречащую теорию относительности, пришлось поправить. По современным представлениям электрон — точечная частица, обладающая при этом собственным вращательным моментом. Паули был прав: спин представить невозможно, вращение бесконечно маленькой точки вокруг собственной оси в классической физике не имеет смысла.

Спин наряду с массой и зарядом является фундаментальной характеристикой элементарных частиц. Математически он описывается числом s, которое может быть целым (например, у фотона ѕ=1), или полуцелым, как у электрона (s=1/2). Значение s определяет то, как ведут себя несколько частиц одного сорта.

Частицы с полуцелым спином (они называются фермионами в честь Энрико Ферми) подчиняются принципу Паули и не могут вместе находится в одном и том же состоянии. Это определяет структуру атомов, приближенно описанную моделью Бора: электроны по одному занимают квантовые состояния (вращаются по орбитам) и могут переходить на свободные орбиты, испуская или поглощая фотон.

А на частицы с целым спином (бозоны, в честь индийского теоретика Шатьендраната Бозе) принцип Паули не распространяется. В частности, свойства бозонов проявляются в двух удивительных явлениях: сверхтекучести и сверхпроводимости, а также делают возможным существование источников очень мощного излучения — лазеров. (В изобретении лазеров и исследовании сверхтекучести и сверхпроводимости советские ученые приняли непосредственное участие, и мы расскажем об этом позже.)

Интересно, что за несколько месяцев до Уленбека и Гаудсмита ту же идею сформулировал молодой американский физик Ральф Крониг, который приехал в Цюрих на стажировку к Паули. Однако Паули назвал это полной чушью, и начинающий ученый не рискнул пойти против признанного авторитета. Вера Эренфеста в своих учеников вместе с признанием за ними права на ошибку позволила состояться одному из самых значительных открытий в квантовой физике (кстати, оно удивительным образом не было удостоено Нобелевской премии, возможно, как раз из-за неясности с приоритетом).

Эренфест, его критический ум, созданная им школа получили безусловное признание коллег. Однако сам он страдал из-за того, что, в отличие от учеников, уже не успевает за стремительным развитием физики. «Каждый новый номер Zeitschrift für Physik и Physical Review заставляет меня паниковать. Мальчики мои, я не знаю абсолютно ничего!» — написал он Гаудсмиту и Уленбеку в 1930 году. В поисках выхода Эренфест даже собирался переехать в Советский Союз и сосредоточиться там на педагогической работе, однако в жизнь этот план не претворил.

В начале 30-х годов разочарование в собственных научных способностях, разлад с женой, беспокойство за младшего сына, больного синдромом Дауна, все глубже погружали Эренфеста в депрессию (о том, что происходило в Германии в те годы, мы рассказывали в материале «Германия, конечно, юбер аллес». Приход Гитлера к власти и репрессии против немецких ученых еврейского происхождения, многие из которых были его близкими друзьями, стали для него большим ударом. В письме Бору, Эйнштейну и Иоффе Эренфест признался, что не видит никакого выхода, кроме самоубийства. 25 сентября 1933 года он привел этот план в исполнение, предварительно застрелив младшего сына.

Евгений Гельфер