13 июля 2019 года исполнилось 90 лет выдающемуся физику-теоретику академику Семену Соломоновичу Герштейну, внесшему своими работами фундаментальный вклад в атомную физику, физику частиц и астрофизику.

Семен Соломонович родился в г. Харбине (Манчжурия) в семье советских граждан. В 1936 г. он вместе с семьей переехал в Москву. В 1937 – 1938 гг. его родители были репрессированы (в 1955 – 1956 гг. полностью реабилитированы). С 8 лет мальчик воспитывался бабушкой А. И. Менделевич, работавшей фельдшером на заводском медпункте.

В 1946 г. Семен Соломонович закончил с золотой медалью среднюю школу и был принят на физический факультет МГУ. В 1951 г. он окончил физфак и был направлен по распределению на работу учителем в среднюю школу села Белоусово Калужской области, хотя руководитель его дипломной работы профессор А. А. Власов сделал все возможное, чтобы оставить выпускника в аспирантуре или устроить в какое-либо научное учреждение. В Белоусово он проработал три года. Несмотря на нагрузку в школе (более 40 часов в неделю в две смены), С. С. Герштейн за год с небольшим сдал экзамены по теоретическому минимуму Л. Д. Ландау и был последним, у кого Ландау лично принял все экзамены. После сдачи теорминимума Л. Д. Ландау рекомендовал Герштейна Я. Б. Зельдовичу, который в это время наряду с работой по «спецтематике на объекте» стал заниматься теорией β- распада. Совместно с Я. Б. Зельдовичем С. С. Герштейн рассмотрел вопрос о том, какие изменения в константах β-распада происходят из-за того, что «голый» нуклон окружен пионной «шубой». При этом авторы не ограничились рассмотрением только скалярного (S) и тензорного (Т) вариантов β-распада, которые в то время считались установленными экспериментально, но рассмотрели также векторный (V) и аксиально-векторный (А) варианты. Используя результаты предшествующей работы Я. Б. Зельдовича по β-распаду пиона, возможного только для векторного варианта, авторы пришли к заключению, что константа векторного варианта β-распада не меняется под влиянием сильного взаимодействия нуклонов с пионами. Их настолько поразила возникающая при этом аналогия слабых и электромагнитных взаимодействий, что они решились опубликовать этот результат в письме в ЖЭТФ. Это была первая печатная работа Семена Соломоновича.

Три года спустя, после создания Р. Фейнманом, М. Гелл-Манном и Р. Маршаком — Э. Сударшаном (V-A) — теории универсального слабого взаимодействия, этот вывод приобрел фундаментальное значение. При этом Р. Фейнман и М. Гелл-Манн переоткрыли заново результат С. С. Герштейна и Я. Б. Зельдовича. Они исходили из того, что время жизни мюона, рассчитанное с использованием константы векторного взаимодействия β-распада нейтрона, с точностью до 2 процентов совпадает с экспериментально измеренным. Независимость векторной константы слабого взаимодействия от сильного взаимодействия нуклонов они назвали гипотезой сохранения векторного тока (СВТ). Для ее выполнения им пришлось предположить существование процесса β-распада пиона, рассмотренного ранее Я. Б. Зельдовичем на основе универсальности слабого взаимодействия и составной структуры изотопического триплета пионов. По словам Р. Фейнмана, они с М. Гелл-Манном не знали о работе Герштейна и Зельдовича, и впоследствии М. Гелл-Манн всегда ссылался на нее как на приоритетную публикацию. Фундаментальный закон природы − сохранение векторного тока (СВТ) и аналогия между слабым и электромагнитным взаимодействиями сыграли исключительно важную роль в создании современной картины микромира. По существу, именно СВТ заставило физиков обратиться к теории Янга – Миллса, предложивших описание взаимодействий на основе калибровочных полей, источниками которых являются сохраняющиеся заряды. Эта идея послужила основой не только для создания единой теории электрослабых взаимодействий (одним из основных положений которой является СВТ), но и квантовой хромодинамики. Закон СВТ также явился исходным пунктом такого плодотворного направления в теории, каким является алгебра токов.

Другим совместным результатом С. С. Герштейна и Я. Б. Зельдовича, получившим широкую известность, было установление в 1966 г. из космологических данных верхнего предела на суммарную массу всех стабильных нейтрино. Этот предел на несколько порядков усиливал ограничения на массы мюонного и открытого позже τ- нейтрино, полученные в лабораторных экспериментах, а сама возможность подобных оценок стимулировала произошедшее в наши дни слияние космологии и физики элементарных частиц.

Весной 1955 г., когда П. Л. Капица возвратился на пост директора Института физических проблем, Л. Д. Ландау смог взять С. С. Герштейна к себе аспирантом. После защиты в 1958 г. кандидатской диссертации Семен Соломонович два года работал в Ленинградском физико-техническом институте, где его близкими друзьями стали В. Н. Грибов, Ю. В. Петров и другие коллеги. В начале 1960 г. по приглашению А. А. Логунова и Н. Н. Боголюбова он переехал в Дубну на работу в Лабораторию теоретической физики ОИЯИ. Этот переезд во многом был связан с тем, что в Лаборатории ядерных проблем готовилось несколько экспериментов, непосредственно связанных с его исследованиями. Продолжая работы, начатые А. Д. Сахаровым и Я. Б. Зельдовичем, С. С. Герштейн развил теорию мезомолекулярных процессов и ядерных реакций синтеза изотопов водорода, вызываемых мюонами. Им был проведен расчет уровней мезомолекул и процессов изотопного обмена с учетом поправок к адиабатическому приближению (в первом порядке по отношению масс мюона и ядер) и найден основной механизм образования мезомолекул с одинаковыми ядрами. При этом им было указано на существование у мезомолекулы дейтерия (ddµ) вращательно-колебательного уровня с малой энергией связи (меньше 7 эВ) и высказано предположение о том, что резонансное образование мезомолекул в этом состоянии может объяснить значительное увеличение скорости мю-катализа в газообразном дейтерии, которое было обнаружено в опытах группы В. П. Джелепова в Лаборатории ядерных процессов ОИЯИ. Конкретный механизм резонансного образования мезомолекул ddµ был найден аспирантом Герштейна из Эстонии Э. Весманом после того, как Семен Соломонович обратил его внимание на то, что энергия связи, выделяющаяся при образовании мезомолекулы (dd)+, может передаваться на возбуждение колебаний обычной молекулы, одним из ядер которой становится мезомолекулярный ион (ddµ)+. Этот результат инициировал поиски аналогичного слабосвязанного уровня в мезомолекуле dtµ, состоящей из ядер дейтерия и трития. Такой уровень действительно был обнаружен группой физиков и математиков под руководством ученика С. С. Герштейна академика Л. И. Пономарева. Используя этот результат, С. С. Герштейн и Л. И. Пономарев предсказали, что в смеси дейтерия и трития один мюон может вызвать более 100 реакций ядерного синтеза. Это обусловило большой интерес к мю-катализу во всем мире. Экспериментальные исследования, которые проводились в Дубне, ПИЯФ и на многих мезонных фабриках за рубежом, подтвердили сделанные предсказания. Было проведено несколько международных конференций по мю-катализу и даже выпускался специальный журнал Muon Catalyzed Fusiоn.

Одним из интереснейших мезоатомных процессов, рассмотренных С. С. Герштейном, был быстрый переход между уровнями сверхтонкой структуры мезоатомов, происходящий благодаря обмену мюоном при столкновении мезоатома с ядром того же самого изотопа водорода. В мезоатомах водорода (рµ) такой переход, как заметили С. С. Герштейн и Я. Б. Зельдович, увеличивал в четыре раза вероятность захвата мюона протоном, что представлялось очень важным для экспериментальной проверки (V-А) варианта слабого взаимодействия для мюонов. Согласно расчетам Герштейна, скорость перехода атома рµ в нижнее состояние оказалась столь велика, что эксперимент можно было проводить в газе без усложняющего интерпретацию образования мезомолекул (ррµ). Подобный опыт был проведен в 2008 г., спустя 50 лет после того, как он был предложен. Было обнаружено также сильное влияние переходов мезоатомов в нижнее состояние сверхтонкой структуры на вероятность µ-катализа (эффект Герштейна – Вольфенштейна). Предсказанный эффект наблюдался в большом числе опытов и для различных смесей изотопов. С. С. Герштейн указал, что большое сечение перехода мюона от изотопов водорода к ядрам других элементов с зарядом Z ⩾ 3 связан с пересечением молекулярных термов. Этот же механизм, как выяснилось, справедлив в атомной физике и оказывается существенным в условиях плазмы управляемого термоядерного синтеза (УТС).

Мезомолекулярные процессы и μ -захват стали предметом докторской диссертации С. С. Герштейна, оппонентами на защите которой были академики А. Д. Сахаров, Б. М. Понтекорво и А. М. Балдин.

В 1962 г., еще до открытия нейтральных токов и проведения нейтринных экспериментов, Семен Соломонович совместно с Р. А. Эрамжяном и Нгуен Ван Хьеу показали, что для поиска нейтральных токов в области средних энергий можно использовать процесс возбуждения ядер при рассеянии нейтрино. При этом авторы выбрали взаимодействие, которое для разрешенных ядерных переходов с изменением спина полностью совпало с тем, что дала впоследствии электро-слабая теория. Этот результат стимулировал работу Ю. В. Гапонова и И. В. Тютина по расчету сечения процесса нейтринного расщепления дейтрона. Указанный процесс стал впоследствии наиболее убедительным доказательством осцилляций солнечных нейтрино и справедливости Стандартной модели Солнца.

В 1964 г. С. С. Герштейн перешел на работу в Институт физики высоких энергий и принял активное участие в выработке программы исследований на строящемся ускорителе. Совместно с группой экспериментаторов он участвовал в подготовке программы нейтринных экспериментов, включая опыты с фотоэмульсиями для поиска короткоживущих частиц. По его инициативе и расчетам на протонном ускорителе впервые в мировой практике был создан интенсивный пучок электронов с энергией 46 ГэВ, не доступной для существовавших в то время электронных ускорителей, и С. С. Герштейн принял участие в экспериментах по фоторассеянию, проводимых совместной группой ФИАН − Ереванский физический институт − ИФВЭ.

Позже Семен Соломонович вместе со своими учениками выполнил цикл работ по рождению очарованных кварков в нейтринных экспериментах. Оценки адронного сечения Υ-мезона и его радиальных возбудителей позволили авторам определить предпочтительный заряд b-кварка.

В последовавшей после открытия b-кварка серии работ С. С. Герштейна с группой молодых ученых были выполнены расчеты спектра масс, времена жизни и сечения рождения мезона, состоящего из b- кварка и c- антикварка и его возбуждений, подтвержденных позднее в экспериментах на коллайдерах FNAL и LHC. В последних измерениях (2019 г.) групп CMS, LHCb и ATLAS на коллайдере LHC обнаружены радиальные возбуждения упомянутого выше мезона. Изучение рождения адронов, состоящих из тяжелых кварков, позволило оценить характеристики другого объекта – бариона с двумя тяжелыми кварками. Предсказания теории подтвердились в 2018 году, когда впервые наблюдался барион с двумя очарованными кварками.

Cовместно с В. С. Имшенником и другими коллегами С. С. Герштейн исследовал роль нейтринного излучения в термоядерном взрыве сверхновых звезд типа SN1А. Им был предложен оригинальный механизм коллективного ускорения солнечных космических лучей и высказана идея о том, что гамма-всплески связаны со специфическими вспышками массивных звезд.

В последние годы Семен Соломонович рассмотрел некоторые следствия из полевой теории гравитации, развитой А. А. Логуновым. В частности, в совместной работе с А. А. Логуновым и М. А. Мествиришвили он получил из данных по анизотропии реликтового излучения ограничение на возможную массу гравитона, более чем на три порядка усилившее прежний предел.

На протяжении многих лет С. С. Герштейн занимается преподаванием физики: в 1958 – 1959 гг. − в Ленинградском политехническом институте, в 1961 – 1962 гг. − в филиале физического факультета МГУ в Дубне, а с 1963 г. читает общие курсы теоретической физики в МФТИ. В числе его бывших студентов крупные ученые, вспоминающие его с благодарностью. Семен Соломонович заслуженно гордится тем, что из числа его учеников школы в селе Белоусово четверо стали докторами наук, более десяти, окончив филиал МИФИ, работали в Физико-энергетическом Институте в Обнинске. Он неизменно активно поддерживает молодых способных ученых и вообще талантливых людей. Он инициатор и участник целого ряда новых научных направлений не только в теоретической, но и в экспериментальной физике.

С. С. Герштейн много занимается популяризацией науки. Будучи членом редколлегии энциклопедии «Физика микромира» и редактором-консультантом БСЭ, он написал для этих изданий более десятка статей. В настоящее время состоит в редколлегиях журналов «Природа», «Ядерная физика» и «ТМФ». Он − член бюро Отделения физических наук РАН.

С. С. Герштейна отличают доброжелательность и вместе с тем непримиримость ко всевозможным проявлениям нечистоплотности в науке и человеческих отношениях. Ему всегда был чужд клановый подход к решению спорных вопросов, и он никогда не устает повторять, что «принципиальная позиция − самая правильная».

Коллеги, ученики и друзья сердечно поздравляют Семена Соломоновича с юбилеем и желают ему здоровья и новых творческих достижений.

А. Ф. Андреев, С. П. Денисов, А. М. Зайцев, С. В. Иванов, А. К. Лиходед, В. А. Матвеев, В. А. Петров, В. А. Рубаков, А. Н. Скринский, Н. Е. Тюрин