Геннадий Горелик - Матвей Петрович Бронштейн

• Название: Матвей Петрович Бронштейн
• Автор: Геннадий Горелик
• Издательство: АКАДЕМИЯ НАУК СССР
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1990
• ISBN: ISBN 5-02-000670-Х

В книге рассказывается о жизни и творчестве замечательного советского физика-теоретика М. П. Бронштейна. Наиболее важный его вклад в науку — первое глубокое исследование квантования гравитации. Полученные им результаты стали особенно актуальны в наше время, когда построение квантовой теории гравитации насущно необходимо для космологии и физики элементарных частиц. Бронштейну также принадлежат важные работы в релятивистской космологии, астрофизике, теории полупроводников. Написанные им замечательные научно-популярные и научно-художественные книги переиздаются в наши дни.

Книга рассчитана на читателей, интересующихся историей советской науки.

---

В настоящее время задача квантования гравитации не стоит изолированно. Без ее решения вряд ли будет построена единая теория фундаментальных взаимодействий. Так что дорога, на которую в 30-е годы вступил Матвей Петрович Бронштейн, вела в самый центр исследований современной физики.

5.5. Физика и космология

В мартовском выпуске ЖЭТФа за 1937 г. в последний раз появились работы М. П. Бронштейна. Их было две. Одна содержала ядерно-физический расчет, выполненный по просьбе И. В. Курчатова; появление этой небольшой работы отражало, можно сказать, научный быт Матвея Петровича, его вовлеченность в окружающую научную жизнь. Другая, большая статья «О возможности спонтанного расщепления фотонов», отражала скорее научное бытие автора. По содержанию она относится к квантовой теории поля, или — более поздним языком — к физике элементарных частиц, однако главный смысл она обретала в космологии. Эта работа представляет собой первый реальный результат взаимодействия физики элементарных частиц и космологии, взаимодействия, столь характерного для нашего времени, когда из космологических наблюдений извлекаются свойства элементарных частиц, а космологические модели (или сценарии, как сейчас говорят) строятся на основе теории элементарных частиц. В 30-е годы ситуация была совершенно другой, и для того чтобы лучше понять работу Бронштейна, надо знать тогдашнее состояние космологии.

а) Космология в 30-е годы. С момента своего возникновения в 1917 г. и до конца 20-х годов релятивистская космология воспринималась в основном лишь как волнующая возможность физико-математического описания Вселенной и как демонстрация огромного потенциала и глубины общей теории относительности. Реальных способов проверить космологическую теорию не было — даже проверки основ ОТО были на пределе экспериментального искусства и имели невысокую точность. Чисто теоретический характер космологии и неединственность модели Вселенной позволяли относиться к космологии с «ласковой снисходительностью», как к многообещающему, но слишком еще юному созданию.

В конце 20-х годов положение круто изменилось. В результате астрономических наблюдений (в первую очередь Э. Хаббла) была надежно установлена внегалактическая природа так называемых спиральных туманностей, которые оказались просто другими галактиками. И межгалактическое расстояние стало космологическим масштабом, по отношению к которому только и можно говорить об однородности Вселенной (без этого условия не удается получать достаточно определенные космологические выводы из уравнений ОТО).

А главный результат, который в 1929 г. получил Хаббл, изучая другие галактики, состоял в открытии систематического красного смещения их спектров, пропорционального расстоянию

(14)

В астрономии единственным способом определять скорость далеких объектов была доплеровская интерпретация смещений их спектров vlc=AXIX (если v^). Поэтому не потребовалось усилий, чтобы записать соотношение Хаббла как зависимость скорости удаления галактик от их расстояния до наблюдателя (до нашей Галактики):

V=HR.(15)

Коэффициент H Хаббл получил в результате измерений и введения многоступенчатой шкалы расстояний; по его тогдашним данным H~(2-10 лет)- . Так был установлен первый наблюдательный факт космологического характера. Очень быстро обнаружилось, что в релятивистской космологии была уже заготовлена математическая модель, пригодная для описания этого факта,— нестатическая модель Фридмана 1922 г., переоткрытая Леметром в 1927 г.[57]

Как следствие интерес к космологии резко возрос. Вместе с тем появилась возможность, а значит, и необходимость, количественно проверить космологическую теорию наблюдениями, т. е. отнестись к ней всерьез, как к физической теории. Одним из проявлений новой ситуации стал обстоятельный обзор по релятивистской космологии, написанный Бронштейном для УФН в 1930 г. (о нем рассказывалось в разд. 3.6). Этот обзор автор закончил указанием на главную трудность релятивистской космологии, связанную с возрастом Вселенной. Уже наивное рассмотрение хаббловского соотношения (15) дает, что расширение Вселенной началось

тому назад. В точной космологической модели Фридмана—Леметра возраст Вселенной получался еще меньшим. Это вопиюще не соответствовало данным изотопной геологии (согласно которым уже для истории Земли требуется несколько миллиардов лет) и астрофизики. Только три десятилетия спустя в результате нескольких пересмотров шкалы расстояний хаббловский коэффициент H уменьшился в десять раз и соответственно возраст Вселенной стал оцениваться приемлемой величиной —20-10 лет. Сейчас хорошо видно, как бедны были тогдашние возможности эмпирического обоснования космологии, если основной количественный параметр изменился в десять раз. А тогда, в 30-е годы, астрономы хоть и сознавали, что данные их наблюдений весьма неопределенны, но, как это обычно бывает, меру этой неопределенности преуменьшали. У нынешних специалистов может вызвать улыбку то, что Хаббл, стремившийся к интерпретации наблюдательного материала в рамках ОТО, пытался привлечь модель с положительной кривизной пространства.

Тридцатые годы были тяжелым испытанием для релятивистской космологии не только из-за принятой тогда короткой шкалы расстояний. Само несоответствие теории наблюдениям стало одной из причин появления альтернативных космологических схем (чтобы не злоупотреблять словом «теория»). Действовали и другие причины. От грандиозной картины расширения Вселенной у некоторых, видимо, не выдерживали нервы, и они искали более простого объяснения для соотношения Хаббла. Р. Цвикки уже в 1929 г. предположил, что галактики на самом деле не удаляются, а просто фотоны, прилетающие к нам от этих галактик, за долгое время путешествия успевают покраснеть. Милн в своей «кинематической» космологии, которую начал строить в 1931 г., обходился без ОТО и отделял космологию непроницаемой стеной от атомной физики. Эддингтон, наоборот, строил фундаментальную теорию, описывающую сразу и во взаимной связи и микро-, и мегаскопические свойства Вселенной. Тогдашнюю ситуацию вполне характеризует то, что авторами еретических космологий были астрофизики первой величины — Эддингтон, Милн, Цвикки.

Для большинства физиков-теоретиков эти построения выглядели если н16е беспочвенными, то безответственными фантазиями[58], хотя астрономы честно сравнивали с наблюдениями все пригодные для этого модели — Цвикки, Милна и Леметра (имя Фридмана тогда упоминалось редко). И космология ОТО отнюдь не выглядела тогда наилучшей с наблюдательной точки зрения.

Отношение физиков (даже специалистов в ОТО) к релятивистской космологии также не было автоматически благоприятным. Космологическая задача слишком отличалась от других задач физики. Из ОТО надо было извлечь описание принципиально единичного объекта с принципиально единственной историей, а математический аппарат ОТО — дифференциальные уравнения и начальные условия — не отличается от других физических теорий и никакой единичности изначально не содержит. Кроме того, любое сопоставление теории с наблюдениями предполагало нефизическую экстраполяцию — ведь надо нечто говорить сразу о всей Вселенной, а не только о наблюдаемой ее части. К такой экстраполяции, в частности, скептически относился В. А. Фок.

В СССР положение космологии в 30-е годы отягчалось еще и философским давлением на естествознание. В предыдущих главах уже говорилось о тогдашней повышенной чувствительности идеологии к естествознанию, о дискуссиях вокруг теории относительности и квантовой механики. По отношению к физическим теориям стражи философского порядка покушались только на отдельные следствия и интерпретации — слишком явным было практическое значение физики. Что же касается космологии, то скромные ее достижения не препятствовали отвергать ее целиком. Уже обзор Бронштейна 1931 г. в УФН был снабжен, напомним, нелепыми философскими примечаниями. А к 1937 г., когда появилась последняя статья Бронштейна, ситуация еще более обострилась. Те философы, которые считали себя вправе надзирать за физиками, особенно предосудительным считали возможную пространственную конечность Вселенной и ее нестатичность; гораздо более приемлемым казалось покраснение фотонов. Этих философских надзирателей помимо физической безграмотности отличал философский догматизм, следовать которому всегда спокойней и безопасней. Не обошлось тут без уже знакомого нам борца против физического идеализма: «На фронте космологии» — так назвал В. Е. Львов свою крупнокалиберную статью, вполне дающую представление об аргументации противников релятивистской космологии. В этой статье не хватает, пожалуй, только политической интерпретации покраснения фотонов; такой аргумент встал бы рядом с красным цветом меридиана у другого тогдашнего борца против идеализма — В. Ф. Миткевича.