Из всех лауреатов Нобелевской премии по физике 1975 года тот, о котором пойдет сейчас речь, родился раньше всех, прожил меньше всех и, хотя и первым занялся тем, что принесло всем троим высшую научную награду, сделал свое открытие как бы «походя», позже занимаясь совсем другими вещами, не менее важными и не менее интересными. Но обо всем по порядку.

Лео Джеймс Рейнуотер

Родился 9 декабря 1917 года, Каунсил, Айдахо, США

Умер 31 мая 1986 года, Нью-Йорк, США

Лео Джеймс Рейнуотер родился на излете года двух революций в России в крошечном Каунсиле в американском Айдахо, население которого едва достигало тысячи человек. Впрочем и сейчас этот городок площадью меньше двух квадратных километров, несмотря на наличие муниципального аэропорта (окружной центр округа Адамс, как-никак), все равно насчитывает всего 894 жителя на 2019 год и всемирно знаменит, пожалуй, двумя вещами – тем, что там родился нобелевский лауреат и тем, что владеет победителем мировых дикобразьих бегов.

Его родители вели свой род от Роберта Рейнуотера, который приплыл в США из Англии в 1705 году и работал слугой. Лео Рейнуотер и его жена, Эдна Тиг жили в Калифорнии, где тот работал гражданским инженером, однако после переезда в Айдахо супруги по неизвестным причинам перешли на работу в единственный большой магазин в Каунсиле, где продавалось все.

Увы, даже маленький городок не способен спасти от большой беды. 1918 год ознаменовался пришествием испанки. Рейнуотер не первый нобелевский лауреат из описанных нами, семья которого пострадала от этой пандемии. Достаточно вспомнить Петра Леонидовича Капицу, семью которого испанка выкосила почти полностью. В нашем же случае у Джима умер отец (нужно сказать, что по свидетельству друзей и коллег, Рейнуотер никогда не пользовался своим первым именем, данным в честь отца. «Лео» - никогда, всегда только «Джим»). Семья вернулась в Калифорнию, в Ханфорд в долине Сан-Хоакин. Там она вышла замуж за вдовца и начала новую жизнь.

Постепенно жизнь начала налаживаться и у Джима. В ханфордской школе, в которую он ходил, он проявил незаурядный талант в естественных науках и в итоге победил в олимпиаде, которую проводил Калифорнийского технологического института. В результате Джим стал его студентом. К слову, поступил Рейнуотер на химика, но в основном изучал физику, которую преподавал Карл Андерсон, который как раз в период обучения Рейнуотера получил Нобелевскую премию за открытие позитрона. По биологии преподаватель Джима был не менее титулованный – сам Томас Хант Морган. Не говоря уже о том, что ректором в Калтехе тогда был репортер, который в 1923 году сумел стать нобелевским лауреатом по физике – Роберт Милликен.

По статистике, иметь двух нобелиатов в учителях – это уже неплохой задел для будущей Нобелевской премии, но нашему герою этого было, видимо, мало: в 1939 году он поступил в аспирантуру в Колумбийский университет. Там к его учителям и руководителям добавились Исаак Раби и Энрико Ферми. Если добавить к этому не-нобелиата, зато будущего отца американской водородной бомбы Эдварда Теллера (впрочем, для науки гораздо более важен, например, метод Монте-Карло в статистической механике), то станет совсем ясно, в какой среде формировался Джеймс Рейнуотер. А ведь еще был, например, Джон Даннинг, пионер нейтронной физики и тоже участник (из ключевых) Манхэттенского проекта…

К слову, Даннинг и стал первым научным начальником Рейнуотера: когда США вступили во Вторую мировую войну, Джим отложил на время свою диссертацию и, как и очень многие физики, включился в работу над атомной бомбой. В военные научные обязанности нашего героя входило исследование поведения атомов при бомбардировке их нейтронами на циклотроне. Впрочем, эти-то работы и стали основой диссертации Рейнуотера: после войны эту часть данных рассекретили, и в 1946 году он получил заветную докторскую степень. И в том же году в родном Колумбийском университете началось строительство синхротрона, в котором Джим принимал непосредственное участие. Собственно говоря, это устройство и стало его основным научным инструментом.

А что же его «нобелевская работа»? Она ведь была чисто теоретической? Как постоянно подчеркивал и сам Рейнуотер, и Оге Бор, огромную роль здесь сыграли два факта.

Во-первых, то, что в 1949 году Рейнуотер делил один кабинет с Оге Бором в Колумбийском университете (комната 910 лаборатории Пьюпин), и в качестве обычного «трепа за жизнь», какой бывает у соседей по офису, у физиков был «треп за строение атомного ядра». А потрепаться было за что – ровно в том же году появилась оболочечная теория строения атомного ядра Марии Гепперт-Майер, казалось бы, поставившая крест на капельной теории Нильса Бора, предложенной тринадцатью годами позже. Но обе теории были несовершенны: теория Бора не справлялась с описанием возбужденных состояний ядра, что прекрасно делала оболочечная теория, которая, в свою очередь, не могла понять, почему электрический заряд вокруг некоторых (не всех) ядер атомов распределяется несимметрично.

Именно то, как «на самом деле» устроено ядро, и стало предметом жарких обсуждений Рейнуотера и Бора-младшего. И уже тогда у них возникла мысль об объединении теорий. «Мне не казалось, что модель жидкой капли Нильса Бора для ядерных реакций и деления противоречит модели оболочек, поскольку концепция рассеяния, бессмысленная для основного состояния большого числа фермионов, имеет смысл для падающих частиц, находящихся в непрерывном спектре, и принцип Паули не запрещает выбивание связанных нуклонов в возбужденные (незанятые) состояния», - говорил позже Рейнуотер в своей Нобелевской лекции.

Если есть «во-первых», есть и «во-вторых»? Во второй половине 1949 года в Колумбийском университете состоялся семинар Чарльза Таунса, который потом получит Нобелевскую премию совсем за другое – за изобретение лазеров и мазеров.

И вот прямо на самом семинаре, который был посвящен обзору экспериментальных данных об электрических квадрупольных моментах ядер атомом, Рейнуотера осенило – как можно объединить две теории. Он понял, что что заполненные орбитами нуклонов оболочки ядра могли быть деформированы центробежными силами и принять форму, более напоминающую эллипсоид, чем сферу.

Это решало большинство проблем. Рейнуотер убедил Бора в своей правоте, опубликовал свои выкладки в 1950 году, а Бор отправился домой, в Копенгаген, где продолжил разрабатывать вместе с Беном Моттельсоном концепцию Рейнуотера и заниматься поисками экспериментальных доказательств коллективной модели строения атомного ядра – так назвали новую теорию.

Тем не менее, Бор и Моттельсон нашли доказательства и подтвердили правоту своего американского коллеги.

Ну а сам Рейнуотер, сделав блестящий теоретический прорыв, вернулся к своим экспериментам на синхротроне – и сделал очень, очень много. Так, в 1953 году он переоценил размеры протона, поняв, что предыдущие оценки были сильно завышены. Он первым создал и изучал мюонные атомы – атомы, в которых электрон заменялся мю-мезоном. Забавный факт: о своей Нобелевской премии Рейнуотер узнал от журналистов. И тогда он подумал, что премию-то ему дали именно за работы по мюонным атомам – Джим считал, что эта-то его работа гораздо значимее и важнее (что вполне обоснованно). Только несколько часов спустя ему сообщили, что премия будет вручена за его озарение, случившееся на семинаре Чарльза Таунса.

Увы, наш герой прожил относительно недолго: всего 68 лет. Его здоровье резко ухудшилось в 1985 году, когда он чуть не умер от остановки сердца прямо во время лекции. Тогда повезло: нашелся студент, знакомый с сердечно-легочной реанимацией и спас ученого. Рейнуотеру пришлось выйти в отставку, а в следующем году приступ повторился – и несмотря на то, что это случилось в больнице, помочь нобелевскому лауреату не смогли.