Джеймс Франк: физик, который предупредил первым

11 июня 1945 года группа ученых, работавших над созданием американской атомной бомбы, подписала документ, умоляя свое правительство не использовать ее без предупреждения. «Если Соединенные Штаты первыми применят это новое средство неизбирательного уничтожения против человечества», — писали они, — «они пожертвуют поддержкой общества во всем мире и спровоцируют гонку вооружений». Отчет носит имя человека, возглавлявшего комитет — лауреата Нобелевской премии, который двенадцатью годами ранее по принципиальным соображениям ушел с профессорской должности и посвятил свою карьеру доказательству того, что атомы поглощают энергию только в точных количествах.

Гамбург, Гейдельберг, Берлин

Франк родился 26 августа 1882 года в Гамбурге. Он посещал гимназию Вильгельма (Wilhelm Gymnasium), затем изучал химию в Гейдельберге, прежде чем переключиться на физику в Берлине, где учился под руководством Эмиля Варбурга (Emil Warburg) и Пауля Друде (Paul Drude). Он получил докторскую степень в Берлине в 1906 году, недолго поработал ассистентом во Франкфурте и вернулся в Берлин, чтобы работать с Генрихом Рубенсом (Heinrich Rubens). К 1911 году он уже преподавал физику в Берлинском университете, став доцентом и проработав на этой должности до 1918 года, с перерывом на военную службу в Первой мировой войне.

Электроны и атомы

Основная работа Франка касалась того, что происходит, когда электрон сталкивается с атомом. Вместе с Густавом Герцем (Gustav Hertz) он разработал эксперименты, которые точно измерили этот обмен — и обнаружили, что атом не принимает произвольное количество энергии. Он принимал специфические количества и ничего между ними. Это было первое прямое экспериментальное доказательство квантованных уровней энергии, предложенных квантовой теорией, и оно превратило абстрактный постулат в измеримый лабораторный факт. Нобелевская премия по физике 1925 года была присуждена обоим ученым совместно «за открытие законов, регулирующих соударение электрона с атомом».

После войны Франк возглавил физический отдел Института кайзера Вильгельма (Kaiser Wilhelm Institute) под руководством Фрица Габера (Fritz Haber), продолжая исследовать кинетику электронов и поведение атомов в газах.

Геттинген

В 1920 году он стал профессором экспериментальной физики в Геттингене и в течение тринадцати лет был участником партнерства, которое сделало этот город мировой столицей теоретической физики, работая в тесном сотрудничестве с Максом Борном (Max Born). Среди студентов, прошедших через это обучение, был Дж. Роберт Оппенгеймер (J. Robert Oppenheimer). Именно в Геттингене Франк развил принцип, который теперь носит его имя и имя Эдварда Кондона (Edward Condon), объясняющий фотохимическую диссоциацию — то, как молекулы распадаются при поглощении света.

Отставка, 1933 год

Когда к власти пришел нацистский режим, Франк публично выступил против его расовых законов и отказался от своей должности, предпочитая не служить под их началом. Это был необычно ранний и необычно заметный отказ со стороны ветерана, награжденного орденами, который мог бы претендовать на освобождение. Сначала он отправился в Университет Джонса Хопкинса в качестве профессора Шпайера (Speyer Professor), провел некоторое время в Копенгагене, а в 1938 году присоединился к факультету физики Чикагского университета.

Чикаго и бомба

Во время Второй мировой войны Франк руководил химическим отделом Металлургической лаборатории, филиала Чикагского университета в рамках Манхэттенского проекта. По мере завершения создания оружия он возглавил комитет, подготовивший «Отчет Франка» в июне 1945 года, подписанный вместе с Лео Силардом (Leo Szilard), Гленном Сиборгом (Glenn Seaborg), Дональдом Дж. Хьюзом (Donald J. Hughes), Дж. Дж. Никсоном (J. J. Nickson), Юджином Рабиновичем (Eugene Rabinowitch) и Дж. С. Стернсом (J. C. Stearns).

В отчете приводились аргументы против неожиданной атомной атаки на Японию и предлагалась демонстрация в безлюдном районе. Его аргументация была в такой же степени стратегической, как и моральной. Ученые настаивали на том, что секрет невозможно сохранить, предсказывая, что в течение десяти лет другие страны будут обладать бомбами, способными уничтожать города, и призывали к установлению «эффективного международного контроля над ядерными взрывчатыми веществами», прежде чем гонка вооружений станет необратимой. Их мнение проигнорировали. Но в вопросе сроков они оказались правы.

Фотосинтез

После войны Франк возглавлял исследовательскую группу по фотосинтезу в Чикаго до 1956 года, применяя инструменты физической химии к вопросу о том, как растения преобразуют свет в химическую энергию — в некотором смысле, это та же проблема, что и принцип Франка-Кондона, примененная к живой материи. Награды накапливались: медаль Макса Планка в 1951 году, звание почетного гражданина Геттингена в 1953 году, медаль Румфорда в 1955 году и избрание в Королевское общество в 1964 году. Он умер 21 мая 1964 года во время посещения Геттингена, города, который он покинул тридцать один год назад.

Почему Джеймса называют гением

Речь идет об экспериментальном воображении: способности спроектировать аппарат, который заставляет природу отвечать на вопрос, которого она избегала. Атом Бора с его дискретными энергетическими состояниями был теоретическим предложением, которое многие физики считали удобной фикцией. Франк и Герц построили устройство, в котором это предложение стало видимым в виде повторяющегося паттерна в электрическом токе — доказательство, которое любой мог прочитать с прибора. Превращение спорной абстракции в неоспоримое измерение — одна из самых сложных вещей, которую может сделать физик, и цитата Нобелевского комитета «законы, регулирующие соударение электрона с атомом» отдает должное именно этому. Принцип Франка-Кондона демонстрирует ту же привычку ума, примененную к молекулам и свету.

Контраргумент заслуживает того, чтобы быть озвученным. Теория, которая придала его результатам смысл, не принадлежала ему; она принадлежала Бору, а квантовая механика, последовавшая за ней, — Борну, Гейзенбергу (Heisenberg) и другим ученым в том самом институте, где работал Франк. Он был превосходным экспериментатором внутри революции, которую возглавляли теоретики. Премия была разделена, принцип носит двойное название, а его существенные послевоенные исследования фотосинтеза не принесли ничего сопоставимого по значимости. Справедливо также заметить, что большая часть современной репутации Франка держится на совести, а не на физике — отставка 1933 года и отчет 1945 года. Это реальное отличие, и, возможно, более редкое, но это моральная ясность, а не интеллектуальный блеск, и их не следует тихо смешивать.

Наследие

Эксперимент Франка-Герца сейчас является стандартным упражнением в студенческой лаборатории, что является высшим комплиментом в физике: результат настолько надежный, что студентов просят его воспроизвести. У «Отчета Франка» более странная судьба. Проигнорированный в 1945 году, он стал учредительным документом движения ученых за контроль над вооружениями и сегодня читается скорее как прогноз, чем как протест — момент, когда люди, создавшие оружие, точно сказали своему правительству, как будут выглядеть следующие пятьдесят лет, и им не поверили.