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.

---

«Философские» атаки достигали цели. Иначе не понять такую фразу из статьи Ландау 1937 г.: «...чтобы поддерживать солнечное излучение на постоянном уровне в течение двух миллиардов лет (предположительного времени существования Солнца согласно общей теории относительности)...» [216] (конечно, здесь подразумевается хаббловская оценка возраста Вселенной). Иначе появилась бы вторая часть обзора Зельманова «Космологические теории» [184], которая должна была включать релятивистскую космологию.

В такое время и появилась статья Бронштейна, показавшая, что гипотеза покраснения фотонов должна быть отвергнута. В результате доплеровская интерпретация красного смещения, лежащая в основе нестатической космологии, получила физическое обоснование. Поводом для этой работы Бронштейна стало то, что предположение о покраснении фотонов, выглядевшее произвольной гипотезой (во всяком случае в глазах М. П.), получило неожиданную поддержку со стороны новейшей фундаментальной физики — дираковской теории электрон-позитронного вакуума.

В 1933 г. О. Гальперн высказал гипотезу, что в пустом пространстве фотон может взаимодействовать с электронами, находящимися в состояниях с отрицательной энергией, в результате чего электроны переходят в состояния с положительной энергией и затем возвращаются в исходное в несколько шагов, испуская кванты меньшей энергии. «Рассеяние такого типа,— писал Гальперн,— может только уменьшить частоту; это уменьшение, если оно мало, было бы в среднем пропорционально расстоянию, проходимому квантом через «вакуум». В этой связи может быть упомянута гипотеза, что константа Хаббла сводима к атомным константам без использования гравитационных теорий» [142]. Гальперна поддержал в 1936 г. Гайтлер в своей известной книге — первой монографии по квантовой электродинамике [141, с. 193] (видимо, именно книга Гайтлера была непосредственным поводом для работы Бронштейна, краткое изложение которой [34] появилось в 1936 г.)

Такая возможность фундаментальной физикой объяснить главный факт космологии заслуживала, конечно, того, чтобы рассмотреть ее внимательно. Нет оснований думать, что в отрицательном результате Бронштейн был уверен заранее. В частности, потому, что он отнюдь не считал окончательной релятивистскую космологию в тогдашней ее форме.

б) Отношение М. П. Бронштейна к космологии. Уже в обзоре Бронштейна 1931 г. наряду с энтузиазмом от могущества физической теории, способной описывать Вселенную, чувствуется трезвый взгляд. Тогда, правда, главной трудностью космологии Бронштейн называл неувязку хаббловского возраста Вселенной с данными астро- и геофизики; владея материалом этих областей, он не мог закрыть глаза на это расхождение. Однако в следующие несколько лет центром космологических размышлений Бронштейна стала принципиальная теоретическая трудность релятивистской космологии — множественность космологических моделей, проблема выбора начальных условий. Бронштейн считал, что подлинная космологическая теория должна не просто подыскать подходящую модель из числа многих возможных, а объяснить однозначным образом фундаментальные свойства — принципиально единственной — Вселенной как целого: в частности, объяснить, «почему из двух возможностей (расширение и сжатие) вселенная выбрала именно первую» [21, с. 28], объяснить безразмерные константы, характеризующие Вселенную. Бронштейн считал, что эти задачи неразрешимы в рамках неквантовой ОТО, уравнения которой симметричны по отношению к прошедшему и будущему, что решить их можно будет только на основе полной физической cGh-теории: «на самые существенные вопросы о мире как о целом мы вынуждены пока ответить незнанием, и физическая теория еще должна будет пройти длинный и трудный путь, прежде чем эти вопросы смогут быть надлежащим образом поставлены и разрешены» [Там же, с. 30].

Эту позицию можно было бы назвать максималистской, учитывая, что в космологии за прошедшие полвека решалось и решается сейчас много осмысленных задач (если их не относить к математике и космогонии), но нынешнее состояние космологии позволяет видеть глубинную правоту М. П. Бронштейна [181]. В космологических размышлениях Бронштейна присутствовал мотив, имеющий любопытные продолжения в современной космологии. Как известно, о Вселенной в целом и о (фундаментальной для космологии) экстраполяции физических законов на всю Вселенную Эйнштейн заговорил не первым. В наследство от классической термодинамики и статистической физики космология получила вопрос о пределах применимости второго начала термодинамики, «тепловую смерть Вселенной» и флуктуационную гипотезу Больцмана, предназначавшуюся для спасения Вселенной от этой унылой смерти. Больцман предположил, что наш наблюдаемый Мир — это гигантская флуктуация в равновесной и в среднем «мертвой» Вселенной; вероятность таких флуктуации очень мала, но сами они неизбежны. Соответствующий круг вопросов горячо обсуждался в больцмановские времена, хотя для этого обсуждения слов в физико-математическом языке не хватало.

Рассматривая эти же вопросы, Бронштейн пришел к выводу, что гипотеза Больцмана должна быть отвергнута из-за чудовищно малой вероятности такой флуктуации и что «объяснение вселенной как целого не может быть достигнуто на основе законов, симметричных по отношению к прошедшему и будущему, по отношению к замене +t на —t; во вселенной должны существовать по крайней мере отдельные области, которые подчиняются законам, асимметричным по отношению к прошедшему и будущему» [21, с. 14]. В 1933 г. такие «отдельные области» легко сопоставлялись с «патологическими областями» внутри звезд (Ландау, 1932), где должна была действовать с/-теория и, согласно Бору, мог не действовать закон сохранения энергии. Однако бронштейновский анализ космологической проблемы не зависел от идеи Бора. Уверенность Бронштейна в том, что Вселенную как целое может объяснить только несимметричная по времени теория, привела его к убеждению, что полная сGh-теория должна быть несимметрична по времени. Современная космология не может обойтись без T-не-симметричных физических теорий, с помощью которых объясняют, в частности, барионную асимметрию Вселенной [181].

Что касается флуктуационной гипотезы Больцмана и ее опровержений на основе вероятностных соображений, то им до сих пор не удалось придать форму, достаточно определенную и, главное, приложимую к релятивистской космологии. Однако Бронштейн и Ландау внесли в обсуждение новый элемент. Они придумали следующий остроумный довод в защиту флуктуационной гипотезы и его опровержение.

На вопрос, как это человеку (человечеству) так невероятно повезло — наблюдать столь большую флуктуацию, можно было бы ответить, пишет Бронштейн, что для самого существования человека необходимы условия, которых не найти в равновесной, термодинамически мертвой части Вселенной: «Для того чтобы мы могли наблюдать какое-либо событие, нужно, чтобы мы при этом могли существовать; существование же жизни связано с целым рядом условий, и, вероятно, к числу необходимых условий относится наличие твердой планеты, нагреваемой Солнцем, и т. д., т. е. уже наличие весьма значительных отступлений от термодинамического равновесия» [21, с. 13]. Но такой качественный ответ не выдерживает количественной проверки: для существования человека было бы достаточно места, если бы флуктуация затронула область, простирающуюся только до ближайших звезд (~10 км ), а не всю наблюдаемую Вселенную (~10 км ). Отношение соответствующих объемов характеризует степень невероятности гипотезы Больцмана.

Даже если не говорить о необходимости использовать в космологии релятивистскую теорию гравитации, эти рассуждения уязвимы. Для существования наблюдателя, подобного человеку, в течение некоторого времени может хватить помещения и гораздо меньших размеров, чем межзвездные. Но для возникновения наблюдателя, подобного человеку, эта область может оказаться тесной. Ясно, что вероятность флуктуации, состоящей в появлении человека (и окружающей его живой природы) сразу в готовом виде, отличается от вероятности простейшей флуктуации, способной стать началом эволюционной цепи, ведущей к человеку, -26отличается множителем, несравненно меньшим, чем 10-26. Поэтому надо позаботиться о спокойных условиях для эволюции в течение достаточно длительного времени Т, т. е. нужно побеспокоиться о достаточно спокойном окружении места эволюции на расстоянии сТ. Если время биоэволюции, приведшей к человеку (~109 лет), достаточно представительно, то получается как раз область размерами порядка наблюдаемой Вселенной.

Нетрудно понять, что неопределенность контрдовода не меньше неопределенности исходного довода. Однако уже в исходном фигурирует необычная для физики генетическая связь объекта и наблюдателя, порожденного самим объектом. Такая связь составляет суть так называемого антропного принципа, который привлекает значительное внимание в современной космологии. Эта связь (хотя и в негативном смысле) впервые, по-видимому, обсуждалась в статье Бронштейна 1933 г. [21] и в его совместной с Ландау статье [22]. Соответствующее рассуждение воспроизведено в «Статистической физике» Ландау, Лифшица [219, с. 29] (и в последующих изданиях) и стало отправным пунктом для различных «антропных» формулировок [185,