Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры

• Название: Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры
• Автор: Артур Миллер
• Издательство: КоЛибри
• Жанр: Науки о космосе
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-389-02245-4

Артур Миллер, известный американский историк науки (сейчас живет в Лондоне), повествует о выдающихся открытиях астрофизиков XX века. В центре рассказа — судьба индийского физика, лауреата Нобелевской премии Субрахманьяна Чандрасекара, чьи теории во многом сформировали наши сегодняшние представления о Вселенной. Книга Миллера — об эволюции звезд, о белых карликах, красных гигантах, нейтронных звездах и о самых таинственных космических объектах — черных дырах, жадно пожирающих материю и энергию.

---

Обычно студенты с трудом продираются сквозь дебри теоретической физики. Чандра, легко схватывая суть и детали, читал учебники и монографии почти как романы. По словам Балакришнана, еще подростком Чандра прочел «Конические сечения» Сальмона, «Курс чистой математики» профессора Кембриджского университета Г. X. Харди, «Трактат о дифференциальных уравнениях» Буля, труды по теории уравнений Бернсайда и Патона.

Но интересы Чандры были гораздо шире. Как любой индийский студент в конце 1920-х годов, он не мог оставаться в стороне от борьбы за независимость своей страны, и хоть и не стал членом партии Индийский национальный конгресс, ходил на митинги. Однажды он слушал выступление Джавахарлала Неру, который произвел на Чандру огромное впечатление. Позже он писал, что «в Неру соединились интеллектуальная мощь, внутренняя энергия, чуткость и обаяние. И все это сделало его героем молодой Индии».

Тем летом Раман предложил Чандре поработать в своей лаборатории в Калькутте. Это было захватывающее время. В феврале того же года Раман открыл эффект, который давал возможность изучать структуру молекул по рассеянию света, — эффект Рамана. Революционное открытие дяди окрылило Чандру, он был полон надежд — когда-нибудь он тоже совершит нечто подобное! Но его собственные эксперименты заканчивались неудачно — все время что-то ломалось, и Чандра понял, что его настоящее призвание — теоретическая физика.

А весной Раман привез Чандре книгу с захватывающим названием «Внутреннее строение звезд» Артура Стэнли Эддингтона. В этой книге Эддингтон знакомил читателя с новейшими достижениями астрофизики и излагал основные результаты своих исследований. Заканчивалась книга одной из его самых незабываемых фраз: «Пройдет немного времени, и мы обязательно разберемся с таким простым объектом, как звезда». Чандра был потрясен. Научные статьи Эддингтона были шедеврами прозы. С минимумом математики — а здесь он был непревзойденным мастером Эддингтон получал результаты, используя основные законы физики и связывая их с экспериментальными данными, причем все это перемежалось остротами и великолепными метафорами. Он писал о науке так, что самые загадочные явления, казалось бы совершенно невозможные для понимания, становились простыми. Его объяснения запоминались надолго. Вот что он написал, например, о фотоне:

«Представьте себе квант света, который поглощается атомом, и затем испускается в некоем направлении, а потом движется, как человек в толпе, — то в одну, то в другую сторону. Так и фотон внутри солнца будет бесцельно блуждать в течение миллиона лет или больше, до тех пор пока случайно не найдет выход из этого лабиринта, покинет Солнце и попадет в телескоп обсерватории Оук-Ридж в Гарварде, где профессор Шепли его сфотографирует».

Американский астрофизик Генри Норрис Рассел написал в своей книге «Структура и эволюция звезд»: «Книга Эддингтона — произведение искусства <…>, созданное великим учителем и великим исследователем. Это увлекательное путешествие по миру звезд; здесь излагаются ключевые проблемы и ставятся новые вопросы». Книга Эддингтона была источником вдохновения не только для таких молодых честолюбивых идеалистов, как Чандра, но и для профессиональных ученых.

Прочитав её, Чандра пришел в восхищение, особенно ему понравилось, как Эддингтон с помощью квантовой механики объяснял поглощение и излучение света атомами. Новым для Чандры было и математическое описание состояния звезд как газообразных сфер. Квантовая механика в изложении Эддингтона помогла Чандре понять открытие Рамана. Затем он тщательно изучил классический учебник великого немецкого физика Арнольда Зоммерфельда «Строение атома и спектральные линии». По чистой случайности в том же сентябре Зоммерфельд читал лекцию в Мадрасе. Полный юношеской бравады и самоуверенности, Чандра пришел к нему в гостиницу. Произошедшее далее изменило всю жизнь Чандры.

Родившийся в 1868 году и умерший в 1951-м, Зоммерфельд за годы жизни успел изучить фактически все области теоретической физики. Его талант проявился и в исследовательской деятельности, и в преподавании. Гейзенберг часто говорил, что Зоммерфельд заслужил Нобелевскую премию более других, однако непостижимым образом он был проигнорирован Нобелевским комитетом, что стало одной из немногих ошибок комитета. В 1919 году он опубликовал книгу «Строение атома и спектральные линии». С тех пор она регулярно переиздавалась и стала настоящей Библией для ученых. Чандра прочитал английский перевод этой книги 1924 года издания.

Он ничего не знал об открытиях в атомной физике двух предыдущих лет, которые совершенно изменили взгляды ученых на микромир. Ученые обнаружили новый удивительный мир квантов, в котором электроны и свет вели себя совершенно необычным образом. Традиционные представления о том, что электроны — это частицы, а свет — это волны, были отброшены. Возникло странное и даже немыслимое представление о так называемом корпускулярно-волновом дуализме, согласно которому электроны являются и волнами, и частицами одновременно[4]. Развивая этот принцип, ученые пришли к выводу, что электроны, перемещаясь в пространстве и времени, могут находиться одновременно в разных точках пространства. Еще более странным оказалось то, что электроны могут «чувствовать» и реагировать на эксперименты с другими очень отдаленными электронами. Старые принципы классической физики — возможность точно определить положение и скорость электрона и рассчитать его траекторию — были признаны неверными. Зоммерфельд передал Чандре копии двух своих статей, в которых он продемонстрировал результаты применения квантовой теории к электронному газу в металле. Оказалось, что квантовая природа электронов неожиданно привела к появлению сил давления, направленных наружу, которые уравновешивают силы гравитации, направленные внутрь, а потому металл не разрушается.

Чандра изучил все работы, рекомендованные Зоммерфельдом, который был руководителем блестящих молодых физиков Вольфганга Паули из Гамбургского университета и Вернера Гейзенберга из Лейпцигского. Они внесли огромный вклад в создание квантовой механики. Оба молодых ученых были не более чем на десять лет старше Чандры, но уже вошли в историю физики. Огромное впечатление на Чандру произвели исследования, которые легли в основу теорий Зоммерфельда. Чандра детально изучил статьи Поля Дирака, работавшего тогда в Кембридже, и итальянского ученого Энрико Ферми, которые на основе принципов квантовой механики объяснили удивительные свойства электронного газа.

Для решения какой-нибудь проблемы физики сначала выстраивают подходящую концепцию. Так поступил и Чандра. В 17 лет он занялся изучением квантовой механики для исследования свойств электронного газа, что и привело его к принципиально новым представлениям. Читая книгу Эддингтона, он начал понимать, как свет, электроны и атомы взаимодействуют в звездах, объединил это с теориями Зоммерфельда, и через неделю или две была готова его первая статья.

Не по годам развитой молодой человек был убежден, что его работа достойна публикации в «Proceedings of the Royal Society» («Трудах Королевского общества»), самом престижном научном журнале Великобритании. Он понимал, что статья для этого издания должна быть представлена редакции одним из членов Королевского общества. Чандра недавно прочитал только что изданную «Статистическую механику» Ральфа Фаулера и знал, что Фаулер — член Королевского общества. И Чандра решил рискнуть — он послал ему копию недавно написанной работы. Это случилось в январе 1929 года.

В том же январе в Мадрасе проходило собрание Индийского научного конгресса (созданного по типу британской ассоциации для развития науки). Раман, уже хорошо известный в научном мире, был председателем этого собрания.

Зал был переполнен, когда 18-летний Чандра впервые выступил на Научном конгрессе с докладом о своей работе. Профессор Парамешваран сообщил присутствующим, что Чандра еще только второй год учится в колледже, и добавил гордо, что «статья написана совершенно самостоятельно». Слова Парамешварана были встречены громом аплодисментов.

Шурин Чандры, физик А. С. Ганесан, оставлял ему копии ежемесячных обзоров Королевского астрономического общества за период с 1925 по 1929 год в большой научной библиотеке «виллы Чандры». Просматривая эти обзоры ранней весной 1929 года, Чандра наткнулся на статью Фаулера, где автор предположил, что с помощью квантовой физики можно разрешить парадокс Эддингтона — о том, что белый карлик способен полностью сколлапсировать, а не превратиться в кусок камня. Чандра применил методику расчетов Зоммерфельда для описания электронного газа, которые уже использовал в двух своих первых статьях. «Это я уже умел, и это было только началом», — вспоминал Чандра. И тогда же он решил, что его место в Кембридже.