№№
2-4, 1996
№№
2-4, 1996
© Г.Е. Горелик
Космология XX века в лицах
Г.Е. Горелик
Космологию можно было бы назвать древнейшей частью естествознания, поскольку уже первые наблюдения астрономического характера подразумевали некий космологический фон. Однако фон этот был еще слишком гуманитарным, не отделимым от мифа, от религии. И даже мощное развитие физики в ХIХ веке не сделало космологию естественной наукой. Попытки распространить надежно установленные законы физики на Вселенную как целое натыкались на неразрешимые парадоксы.
Физической теорией космология стала лишь в 1917 году. Это грандиозное по смыслу событие приняло форму 10-страничной статьи в журнале Берлинской академии наук. Автору статьи предстояло еще несколько лет пребывать хотя и видным физиком-теоретиком, но все же лишь "одним из". И мировая слава, и жгучий интерес, и признание гениальности обрушатся на него не за его работу по космологии, а за теорию, одним из приложений(!) которой эта работа стала. Теория пространства-времени-гравитации, построенная Эйнштейном в 1915 году и названная им Общей теорией относительности, впервые позволила охватить Вселенную-как-целое последовательной физико-математической картиной.
Эйнштейновская теория гравитации связала всемирное ньютоновское тяготение со свойствами пространства-времени, геометрия которого оказалась евклидовской (а хронометрия - галилеевской) лишь приближенно, когда силы тяготения достаточно малы. И охватить безграничные просторы Вселенной мысленным взором Эйнштейну удалось, только выйдя за пределы этого приближения. В результате появилась геометрическая картина - конечная, но безграничная, как поверхность сферы, - существующей вечно и неизменно, с одним и тем же радиусом, Вселенной.
Эту картину ее создатель вовсе не считал венцом творения, и фактически она была связана со всей его физикой, которая только условно, или в педагогических целях, разделяется на разные области. То, что впоследствии попало в совсем разные учебники, жило когда-то в одной голове: и квантовая физика, за достижения в которой Эйнштейн получил Нобелевскую премию, и теория относительности, автором которой он вошел в общественное сознание ХХ века.
Эйнштейн принадлежал к поколению, на глазах которого теоретическая физика стала самостоятельной профессией. Но самостоятельность не означает независимости, в данном случае от физики экспериментальной - от наблюдений над Природой - от испытаний естества. И Эйнштейн оставался естествоиспытателем даже в своих космологических размышлениях. Статичность Вселенной была для Эйнштейна экспериментальным, наблюдательным фактом, а не просто доставшейся в наследство атеистической доктриной:
"Самое важное из всего, что нам известно из опыта о распределении материи, заключается в том, что относительные скорости звезд очень малы по сравнению со скоростью света", - Эйнштейн не указал, какой конкретно экспериментальный материал он имел в виду, но роль этого факта видна уже из того, что на десяти страницах статьи он упоминается семь раз.
Космологии, скорее, повезло, что ее создатель не очень следил за новейшими достижениями астрономии. Ему, по-видимому, не было известно о галактической структуре Вселенной (тогда лишь гипотетической), об открытии Слайфером в 1913 году огромных скоростей некоторых галактик (тогда - "спиральных туманостей"); развитие этих исследований приведет в конце 20-х годов к закону Хаббла. Но осилить, освоить теоретически, сразу и безграничность Вселенной и ее динамичность было бы гораздо трудней, чем сделать это по очереди.
Почувствовать, насколько условно для великого физика разделение физики на теоретическую и экспериментальную, чистую и прикладную, можно на примере, касающимся сразу и релятивистской космологии и квантовой физики.
Общая теория относительности, решив важнейшую теоретическую задачу - объединить теорию относительности и теорию тяготения, уже при своем рождении была нацелена на астрономическое приложение - объяснить загадку в движении планет. Загадку, малую количественно, но вызывающе не поддающуюся ньютоновской теории. И эта загадка - в перигелии Меркурия - была успешно решена.
Следующее приложение новой теории пространства-времени, увиденное Эйнштейном в 1916 году, касалось не старых загадок в астрономических пространствах, а неизвестного нового явления. Эйнштейн обнаружил, что всемирное тяготение способно не только искривлять лучи света, но и само излучаться. В частности, любая планетная система должна рождать гравитационное излучение. Получив из своих общих уравнений соответствующую формулу - закон гравитационных волн, он сразу же подумал о самых многочисленных планетных системах - об атомах, где вокруг звезды-ядра движутся планеты-электроны.
Всего лишь в 1913 году над этими планетными системами ломал голову Нильс Бор, спасая их от гибели, грозившей им в силу классической электродинамики: вращающийся электрический заряд должен излучать электромагнитные волны и терять свою энергию, т.е. электрон должен был бы врезаться в ядро, и притом всего за миллиардную долю секунды. Бор спас атомы, открыв, что наряду с законами электродинамики действуют еще и новые - квантовые - законы.
Теперь же, спустя три года, атомам стала грозить новая опасность - гравитационное высвечивание их энергии.
"Поскольку в природе в действительности ничего подобного не должно быть, - писал Эйнштейн, - то, по-видимому, квантовая теория должна модифицировать не только максвелловскую электродинамику, но также и новую теорию гравитации".
Количественных оценок Эйнштейн при этом не привел. И правильно сделал. Потому что если в его общую формулу подставить параметры атомной планетной системы, то время жизни атома окажется равным уже не миллиардной доле секунды, а миллиардам миллиардов лет! Так что с эмпирической точки зрения никакой реальной опасности атомам не угрожало.
Но в деятельности теоретика участвуют не только эмпирические и теоретические факторы, но и метатеоретические или, говоря о физике, метафизические факторы, то есть предубеждения. В зависимости от (и после) результатов, полученных данным теоретиком, его предубеждения называют научным идеалом, исследовательской программой или предрассудком, хотя природа этих понятий едина. Об этом стоит помнить, читая у Эйнштейна, что гравитационного излучения внутриатомных электронов, даже в ничтожном количестве, быть не должно.
Во время, к которому относятся эти слова Эйнштейна, он размышлял над космологической проблемой. Идея космологической эволюции была тогда для него совершенно чуждой, и его первая космологическая теория была статической. А в статической, неизменяющейся, существующей вечно Вселенной эффект гравитационного высвечивания внутриатомной энергии недопустим независимо от величины эффекта. Сам Эйнштейн о такой связи физики атома и физики Вселенной не писал, но, как свидетельствует история науки, в уме физика-мыслителя идеи не могут жить, не замечая одна другую.
Так впервые соприкоснулись квантовая физика и релятивистская космология, и это соприкосновение только еще предвещало грядущее взаимодействие этих двух фундаментальных физических концепций.
Александр Александрович Фридман (1888-1925)
Весной 1922 года в главном физическом журнале того времени - "Zeitschrift fur Physik" появилось обращение "К немецким физикам!". Правление Германского физического общества извещало о трудном положении коллег в России, которые с начала войны не получали немецких журналов. Поскольку лидирующее положение в тогдашней физике занимали немецкоязычные ученые, речь шла о многолетнем и жестоком информационном голоде. Немецких физиков просили направлять по указанному адресу публикации последних лет, с тем чтобы потом переслать их в Петроград.
Однако в том же самом журнале, всего двадцатью пятью страницами ниже, помещена статья, полученная из Петрограда и, на первый взгляд, противоречащая призыву о помощи. Имя автора - А.Фридман - физикам было неизвестно. Его статья с названием "О кривизне пространства" касалась Общей теории относительности (ОТО). Точнее - ее самого грандиозного приложения: космологии.
Именно в этой статье родилось "расширение Вселенной". До 1922 года такое словосочетание выглядело бы полной нелепостью. Конечно, о том, что расширение Вселенной началось миллиарды лет назад, астрофизике еще только предстояло узнать; еще предстояло измерять и вычислять, сколько именно миллиардов - 2, 20 или гораздо больше; еще предстояло размышлять над проблемой горизонта Вселенной. Но интеллектуальный горизонт раздвинулся именно в 1922 г. И раздвинул его тридцатичетырехлетний Александр Фридман.
Перенесемся в 1922 год.
Общая теория относительности, или релятивистская теория гравитации, имеет всего 7 лет от роду. Лишь 5 лет назад Эйнштейн обнаружил возможность дать физико-математическое описание свойств Вселенной как целого. И вот неизвестный автор из Советской России - страны, казалось бы, изолированой от мировой науки, - смело утверждает, что эйнштейновский результат совсем не обязателен, а представляет собой весьма частный случай.
Первоначальное эйнштейновское решение космологической проблемы уподобляло Вселенную маятнику, находящемуся в покое. Эйнштейн с помощью ОТО рассчитал напряжение в "стержне подвеса". А Фридман, можно сказать, обнаружил, что груз, подвешенный на стержне, вовсе не обязан пребывать в покое. И - с помощью тех же уравнений ОТО - рассчитал, каким именно должно быть движение.
Пропорция
++маятник в покое +++++++++маятник в движении
------------------------------------- ++= ++-----------------------------------
космология Эйнштейна ++++++космология Фридманаможет пояснить только математический характер работы Фридмана, но не физический. И уж тем более - не историко-физический. Поэтому возьмем аналогию чуть посложнее, хотя тоже довольно легковесную, - уподобим Вселенную резиновому надувному шарику. Такая аналогия лучше передает смысл ОТО - связь кривизны пространства-времени и состояния вещества (об этом напоминает и название статьи Фридмана). Ведь геометрические свойства шарика (попросту говоря, его радиус) должны быть связаны со свойствами резины, ее плотностью и упругостью.
Эйнштейн обнаружил, что ОТО устанавливает подобную связь не только для каждого отдельного участка "шарика", но и для шарика в целом. Начал он, разумеется, с "шарика" простейшей - идеально круглой - формы. И - тоже разумеется - предположил, что шарик не меняется со временем, то есть радиус его постоянен.
Первое "разумется" вполне обычно для профессии теоретика, хотя и может показаться странным неискушенному человеку. Теоретику часто приходится искать ночью ключ под фонарным столбом не от уверенности, что ключ лежит именно там, а потому что в других местах искать просто невозможно (как ни странно, подобные поиски часто оказываются успешными). Решать сложные уравнения ОТО для произвольно сложной геометрии не под силу даже великому физику. Поэтому он начинал с наиболее простого случая - максимально однородной геометрии, хотя из наблюдений астрономов в 1917 году очень трудно было извлечь свидетельство однородного распределения вещества во Вселенной.
Со вторым его предположением - о неподвижности шарика - все обстояло прямо наоборот. Люди издревле убеждались в постоянстве, незыблемости звездной картины. Только на фоне неподвижных звезд астрономам удалось понять движение планет, а физикам - закон всемирного тяготения, развитием которого стала ОТО. И, наконец, незыблемость мироздания - вечность Вселенной - привычно от имени науки противостояли религиозным домыслам о сотворении мира. Гораздо легче было посягнуть на другой привычный атрибут картины мира - бесконечность Вселенной (что и сделал Эйнштейн в 1917 году). Конечную, но безграничную - риманову - геометрию тогда уже обсуждали не только математики; даже астрономы примеряли ее к реальному пространству, но, разумеется, на основе ньютоновской физики.
В обоснование неподвижности Вселенной Эйнштейн положил факт малых скоростей звезд. Но говорить об этом как о наблюдаемом факте можно было только с очень большой натяжкой. Систематических наблюдений движения звезд еще не было. А в отдельных случаях наблюдались скорости довольно большие. Можно подумать, что Эйнштейну в очередной раз помогла его гениальная интуиция, но вернее будет сказать, что всякое иное предположение, кроме статичности, было тогда просто немыслимо. Поэтому даже само слово "предположение" здесь не очень уместно, скорее, надо сказать - "аксиома".
И вот на эту аксиому поднял руку А.А.Фридман.
Но вернемся к резиновому, точнее, к риманову шарику Вселенной, который Эйнштейн взял в руки в 1917 году. Сделав свои упрощающие предположения, Эйнштейн с огорчением обнаружил, что никакого ширика в его руках на самом-то деле нет, есть только бесплотные аксиомы. Он обнаружил, что уравнения ОТО, выстраданные им два года назад, не имеют надлежащего решения! Помочь ему мог бы любой трехгодовалый естествоиспытатель, которому прекрасно известно, что настоящая жизнь резинового шарика начинается, только если его надуть. Но Эйнштейн - недаром великий физик - и сам додумался до этого. Он добавил в уравнения ОТО всего одну величину, назвав ее космологической постоянной. Она и стала тем воздухом, упругость которого уравновесила упругость Вселенского шарика.
Когда Фридман познакомился с космологией Эйнштейна, то, разумеется, оценил грандиозность поставленной физической задачи. Однако математическое ее решение вызвало у него сомнения. Конечно, воздушный шар вполне может пребывать в покое, так же, как и маятник. Но шар может и менять свой размер, оставаясь идеально круглым, - может расширяться и сжиматься даже сам по себе, если только достаточно упруг. Так качается маятник, если его толкнуть и затем предоставить самому себе.
В статье Фридмана 1922 года рассказывалось, как именно должна изменяться со временем сфера пространства-времени. При этом эйнштейновское - покоящееся - состояние Вселеной оказалось лишь частным, очень частным случаем. Здесь аналогия, которая до сих пор столь усердно использовалась, помогать отказывается. Резиновый шарик гораздо легче представить себе в неизменом, нежели в меняющемся состоянии. А радиус вселенской сферы, согласно Фридману, меняется в соответствии с упругими свойствами пространства-времени, заложенными в уравнении ОТО.
Нестатическая картина Вселенной оказалась очень странной. Во-первых, она могла существовать даже и без космологической постоянной. Радиус Вселенной вначале возрастал до некоторой максимальной величины, затем, уменьшаясь, доходил до нуля. И опять начиналось расширение, согласно тем же уравнениям, тоже с нулевого значенияя радиуса. А что такое сфера нулевого радиуса? Ничто! В лучшем случае - точка. Очень трудно было принять эти две точки - в начале и в конце. Даже Эйнштейн не поверил результатам Фридмана. Сочтя его космологическую картину неправдоподобной, он без труда, но, увы, и безо всякого основания нашел мнимую ошибку в вычислениях петроградского космолога. Только получив письмо от Фридмана, отстаивающего свою правоту, и проделав еще раз вычисления, Эйнштейн признал результаты русского коллеги и в специальной заметке назвал их "проливающими новый свет" на космологическую проблему. А для потомков сама ошибка Эйнштейна проливает свет на смысл и масштаб работы Фридмана.
А.Эйнштейн: Замечание к работе А.Фридмана "О кривизне пространства"
Результаты относительно нестационарного мира, содержащиеся в упомянутой работе, представляются мне подозрительными. В действительности оказывается, что указанное в ней решение не удовлетворяет уравнениям поля <...> значение этой работы в том и состоит, что она доказывает это постоянство [радиуса мира во времени].
18 сентября 1922 г.
А.Эйнштейн: К работе А.Фридмана "О кривизне пространства"
В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне г-ном Крутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет. Оказывается, что уравнения поля допускают наряду со статическими также и динамические (т.е. переменные относительно времени) решения для структуры пространства.
31 мая 1923 г.
С высоты нынешних знаний работу Фридмана легко недооценить. Сегодняшний студент может проделать его выкладки на двух страницах и скептически подумать: "Ну что он, в сущности, сделал?! Решил уравнение в квадратурах, только и всего! Так ведь и школьники решают уравнения ежедневно. Правда, эйнштейновские уравнения помудреней квалратных, но ведь и Фридман - не школьник. Эйнштейн нашел один "корень" своих уравнений, Фридман - остальные. Так, может быть, возвеличивание работы Фридмана - это пережиток минувших лет, когда радетели славы российской изо всех сил разыскивали отечественных Невтонов?
Нет, не пережиток. Хотя бы потому, что те самые радетели, наоборот, изо всех сил старались забыть об отечественном вкладе в космологию, оказавшуюся прислужницей... мракобесия.
Дело в том, что формулы в физических работах живут своей, отдельной жизнью. Это и хорошо, и не очень. Хорошо, потому что облегчает жизнь физика: от формул легче отделяются научные предрассудки и необязательные интерпретации, выразимые только в словах. Но, с другой, исторической стороны, когда на формулы, написанные много лет назад, смотрит человек, вооруженный только учебниками, то он не склонен замечать находящиеся рядом слова и вникать в смысл, который в них вкладывали тогда.
Работу Фридмана нельзя называть просто еще одним решением уравнений ОТО, которое поставили на полку рядом с первым эйнштейновским решением. Потому что именно Фридман открыл космологическую проблему во всей ее глубине. Во-первых, обнаружилось, что изменение это родовое свойство Вселенной. Тем самым понятие эволюции распространилось на самый всеобъемлющий объект. Во-вторых, возник вопрос, до сих пор не имеющий убедительного ответа: каким образом множественность космологических описаний, даваемых ОТО, можно совместить с принципиальной единственностью самой Вселенной? Ведь слово "Вселенная" пишут с большой буквы не столько из уважения к ее масштабам, сколько из уважения к правилам русского языка, как "название единичного в своем роде предмета". А единичную Вселенную Эйнштейна сменила бесконечная совокупность возможных устройств Вселенной, обнаруженная Фридманом.
Работа, которая столь широко раздвинула горизонт науки, - это, несомненно, работа огромной важности.
Кто открыл расширение Вселенной?
Кем был автор этой работы - физиком или математиком? Был ли великий результат случайной находкой или заслуженным вознаграждением? Эти вопросы неизбежно встают перед всяким, кто пытается понять смысл происшедшего в 1922 году.
Первую научную работу Фридман сделал (еще будучи гимназистом) в самом центре математического континента, во владениях царицы математики - Теории чисел. Окончил Фридман математическое отделение университета. Его учителем был крупный математик, имя которого носит сейчас Математический институт Академии наук. Основной объем научной работы Фридмана относился к аэрогидродинамике. Он занимался динамической метеорологией и по призванию, и по долгу службы в Главной геофизической обсерватории. Очень много сил он отдал поиску закономерностей самых, быть может, хаотических в подлунном мире процессов - процессов в земной атмосфере, которые делают погоду. Несмотря на физически звучащие слова, занимался он в сущности математикой - уравнениями в частных производных.
На таком же, родном для Фридмана, математическом языке говорит о надлунном мире общая теория относительности. Это облегчило путь к релятивистской космологии. Профессия помогла Фридману и в другом. Математику легче противостоять мировому авторитету великого физика и усомниться в его результатах.
Наконец, только математик, получив решение, в котором плотность вещества обращается в бесконечность, а радиус Вселенной - в нуль, мог назвать это состояние просто точкой, а не знаком вопроса, скажем. Физик должен был бы усомниться в применимости самой физической теории к таким экзотическим состояниям (справедливости ради надо сказать, что подобные сомнения были высказаны впервые лишь спустя многие годы). Но математик, имея перед собой уравнение без каких-либо ограничений на его применимость, доверяет этому уравнению всецело. Конечно, сейчас, много уже чего зная о начальной "точке", легко советовать Фридману побольше бдительности. Хотя бы потому, что точка эта не сплошная - какой бы маленькой сфера ни была, внутри-то ее пусто! Впрочем, "точка" в начале расширения, как сейчас известно, чревата вовсе не пустой, а квантово-гравитационной физикой.
Так что же? Выходит, Фридман - настоящий чистый математик? "Настоящий" - да, но "чистый" - это не про него. Несмотря на теоретико-числовое начало его научной биографии, в студенческие годы он интересовался и физикой - участвовал в "Кружке новой физики", которым руководил физик П.Эренфест.
Эренфеста отличал критический взгляд и прямо-таки жажда ясности, что делало его прекрасным учителем, в особенности для ученика с математическим складом ума. Иметь среди своих наставников физика Эренфеста - это отличный задел для освоения такой физико-математической теории, как ОТО.
Но это не все. История науки, имея, видимо, особые виды на Фридмана, в содружестве с социальной историей позаботилась и о других благоприятных обстоятельствах.
Во-первых, когда вихрь событий революции и гражданской войны помог Фридману оказаться в Пермском университете, ему пришлось из-за нехватки преподавателей взять на себя дополнительно курсы дифференциальной геометрии (а это - язык ОТО) и физики (а это - область действия ОТО). Такое расширение кругозора, отчасти вынужденное, несомненно, пригодилось ему при освоении ОТО.
Во-вторых, когда Фридман в 1920 году вернулся в Петроград, судьба свела его с Всеволодом Константиновичем Фредериксом. Этого русского физика мировая война застала в Германии. Его ожидала бы грустная участь подданного вражеской державы, если бы не заступничество Гильберта, математика N 1 в тогдашней Германии. В результате Фредерикс на несколько лет стал ассистентом Гильберта - как раз тогда, когда завершалось создание ОТО. В 1915 году к Гильберту приезжал Эйнштейн для обсуждения теории, которую вынашивал уже восемь лет. Эти обсуждения сыграли важную роль, и Гильберт одним из первых очень высоко оценил новую теорию гравитации. Свидетелем всего этого был Фредерикс.
Немецкие физики и до 1922 года старались помочь своим коллегам в России. Особенно заботился об этом Эренфест. Летом 1920 года в Петроград пришло его письмо, первое после многолетнего перерыва. Этот момент можно считать прорывом информационной блокады. В августе 1920 года Фридман пишет Эренфесту, кроме прочего: "Занимался аксиомой малого [специального] принципа относительности... Очень хочу изучить большой [общий] принцип относительности, но нет времени". Для изучения ему оставалось полтора года. Впрочем, не полтора, а гораздо меньше, поскольку в основном его время было занято работой в Геофизической обсерватории и преподаванием.
Изучать Общую теорию относительности в России 1920 года было трудно: ни иностранных публикаций, ни обзоров в отечественных журналах. А в мире уже бушевал настоящий бум вокруг новой теории. Начался он в 1919 году, сразу после подтверждения английскими астрономами предсказанного Эйнштейном отклонения лучей света от далеких звезд. И триумф теории относительности все-таки достиг России.
Начали появляться популярные брошюры о новой теории. Одной из первых была книжка самого Эйнштейна. В предисловии автора к русскому переводу, изданному в Берлине и датированному ноябрем 1920 года, говорилось: "Более, чем когда либо, в настоящее тревожное время следует заботиться обо всем, что способно сблизить людей различных языков и наций. С этой точки зрения особенно важно способствовать живому обмену художественных и научных произведений и при нынешних столь трудных обстоятельствах. Мне поэтому особенно приятно, что моя книжечка появляется на русском языке".
Но невозможно овладеть теорией по ее популярному изложению, даже принадлежащему автору теории. И вряд ли в 1922 году появилась бы фридмановская космология, если бы не физик Фредерикс. Именно ему принадлежит первое в России изложение ОТО. Его обзор 1921 года в "Успехах физических наук", как и еще несколько статей, посвященных ОТО, могли помочь Фридману освоить эту теорию.
Обстоятельства, о которых говорилось до сих пор, лишь извне свидетельствуют о физическом компоненте в открытии Фридмана. Но есть и прямое свидетельство, содержится оно в его статье.
Если говорить очень кратко, математика стремится установить все логически возможные истины, а физика - только одну: как в действительности устроено мироздание, одно-единственное здание мира. Поэтому работа физика приобретает законченный смысл, только когда получена какая-то конкретная величина в граммах-секундах-сантиметрах, чтобы ее можно было сопоставить с (единственной) реальностью. Математику всякие граммы-секунды совершенно ни к чему.
Так вот, в конце статьи Фридмана появилась конкретная физическая величина - 1О миллиардов лет, "период мира", по выражению Фридмана, или время жизни Вселенной между ее точечными состояниями. Эта величина удивительно близка к возрасту Вселенной, фигурирующему в современной космологии. Почему? Как Фридман догадался? Не догадался, а вычислил (оговорившись, что для расчета данных совершенно недостаточно). Из своих уравнений он получил связь между "периодом мира" и массой Вселенной. А величину этой массы взял из работы де Ситтера 1917 года, который исходил из реальных, хотя и не очень определенных, астрономических наблюдений. Голландский астроном, правда, в своих оценках предполагал эйнштейновскую статическую модель Вселенной, но, видимо, желание Фридмана получить какую-то конкретную физическую величину было слишком велико. А раз в основе его выкладок лежали реальные наблюдения, то и близость его "периода Мира" к нынешнему возрасту Вселенной не так уж удивительна.
Так кем же все-таки был основоположник нестационарной космологии - математиком или физиком? И каким - великим, выдающимся или просто крупным? Не будем укладывать Фридмана в прокрустово ложе подобных классификаций. Ясно одно: Александр Александрович Фридман сделал великое открытие. А какой титул ему за это присвоить, так ли важно? Лучше других сказал о Фридмане хорошо знавший его человек: "Математик по образованию и таланту, он и в юности и в зрелых годах горел желанием применять математический аппарат к изучению природы".
Конечно, чтобы применять математический аппарат к такому поистине уникальному объему природы, как Вселенная, необходима была большая смелость. Этому качеству не учат ни на математическом, ни на физическом факультетах. Оно или есть, или его нет. Смелость Фридмана видна невооруженным глазом: добровольно пошел на русско-германский фронт - в авиацию, а будучи уже профессором (и автором новой космологии), участвовал в рекордном полете на аэростате.
Итак, одаренность, знания и смелость. Такое сочетание вполне достойно награды, которую иногда называют везением, иногда - благоприятными историческими обстоятельствами. Но Фридману не суждено было дожить до времени, когда стал ясен подлинный масштаб его открытия. Этот талантливый, образованный и смелый человек умер в 37 лет от брюшного тифа.
При этом не забудем, в какой стране и в какое время угораздило родиться "расширяющейся Вселенной". Спустя 7 лет после смерти А.А.Фридмана в дневнике В.И.Вернадского появилась запись:
"Разговор с Вериго об А.А.Фридмана. Рано погибший м.б. гениальный ученый, что мне чрезвычайно высоко характеризовал Б.Б.Голицын в 1915 и тогда я обратил на него внимание. А сейчас - в связи с моей теперешней работой и идеей (его) о раздвигающейся пульсирующей Вселенной - я прочел то, что мне доступно. Ясная, глубокая мысль широко образованного Божьим даром охваченного человека. По словам В[ериго] - его товарища и друга - это была обаятельная личность, прекрасный товарищ. Он с ним сошелся на фронте (Вериго в Киеве, Фридман - авиатор в Гатчине). В начале большевистской власти Фридман и Тамаркин, его приятель, но гораздо легковеснее его, были прогнаны из Университета. Одно время Фридман хотел бежать вместе с Т[амаркиным]: м.б. остался бы жив? Но ему дали возможность большой работы: Директор Главной Физической Обсерватории. Е"
Математик Я.Д.Тамаркин (1988-1945), товарищ и соавтор Фридмана в нескольких работах, нелегально покинул Советскую Россию в 1922 г. Работал и преподавал в Кембридже.
Матвей Петрович Бронштейн (1906-1938)
Журнал "Успехи физических наук" поместил некролог о Фридмане, ни разу до того не упомянув о главной его работе. И в этом можно видеть символ трудной судьбы нестационарной космологии, - особенно трудной на родине "расширяющейся Вселенной".
А ведь ситуация казалась чуть ли не триумфальной, когда в 1929 году американский астроном Э.Хаббл, обработав обширные наблюдения, обнаружил, что спектры далеких галактик смещены в красную сторону. Обычное для астрономии объяснение спектральных смещений - движение источника света: красному смещению соответствует удаление источника. Скорости галактик и расстояния до них связало соотношение, названное "законом Хаббла". Поскольку этот закон относился ко всему миру галактик, из него следовало, что мир этот расширяется. А это означало подтверждение фридмановской космологии. Так почему же не триумф? Потому что возраст Вселенной, следующий из хаббловских измерений и вычислений, оказался равен двум миллиардам лет, а этого явно не хватало ни для астро-, ни для гео-физики. (Вселенная оказывалась моложе Земли!)
Расширение Вселенной или старение фотонов?
Впервые о теории Фридмана рассказал в УФН в 1931 году молодой физик-теоретик М.П.Бронштейн. Обстоятельный и яркий обзор "Современное состояние релятивистской космологии" давал ясное представление о грандиозном шаге в познании мира, сделанном релятивистской космологией и только что качественно подтвержденном открытием Хаббла, и о главной проблеме тогдашней космологии - количественном несоответствии результата Хаббла и данных астро- и гео-физики.
Только через три десятилетия, в результате новых и более надежных наблюдений хаббловская оценка возраста Вселенной увеличилась в десять раз, к всеобщему удовлетворению.
Но в 30-е годы не было оснований сомневаться в результатах авторитетного астронома. Из-за трудности внегалактических наблюдений космология долгое время могла опираться на один лишь этот эффект. А одна точка опоры - маловато для устойчивого равновесия теории.
До открытия Хаббла в космологии видели в основном демонстрацию могущества теории относительности и смотрели на нее с ласковой снисходительностью, как на многообещающее, но еще слишком юное создание. Когда же появились эмпирические данные, находящиеся в компетенции теории, ссылки на юность утрачивали значение.
Симптомы грядущих отечественных - отнюдь не научных - проблем космологии обнаружились уже в обзоре Бронштейна, точнее, в редакционных примечания к нему. Там, с "высоты" натурфилософских воззрений классиков, живших в прошлом веке, обличались идеологические пороки космологии, допускающей конечность Вселенной в пространстве и времени. В дальнейшем, по мере усиления идеологического контроля над естествознанием и перемещением этого контроля в руки все более невежественных надзирателей, космология во все более сильных выражениях отлучалась от науки.
В самом хаббловском эффекте красного смещения не сомневались, но искали для него менее грандиозное объяснение. Искали и нашли. Таким объяснением попроще стало предположение о "старении" фотонов, пойманное в мутной воде тогдашних теоретических поисков.
Если при путешествии света энергия отдельных составляющих его фотонов уменьшается, например, из-за спонтанного распада фотонов на несколько других, то, значит, частота света уменьшается - излучение краснеет. Даже очень малая вероятность такого распада (незаметная в лабораторных условиях), умноженная на огромные расстояния, которые свет проходит от далеких галактик, могла бы дать искомое красное смещение.
Некоторым теоретикам милее был такой "понятный", очень маленький эффектик, чем грандиозная и непонятная картина Вселенной, разлетающейся во все стороны. Новая гипотеза пришлась особенно по сердцу отечественным блюстителям философского порядка в космологии, страстно обличавшим "поповские бредни" о возможной конечности Вселенной во времени и пространстве. Покраснение фотонов объявлялось идеологически приемлемым объяснением эффекта Хаббла.
В последней статье М.П.Бронштейна, датированной 1937 годом, - последним годом его тридцатилетней жизни, это подсказанное новейшей физикой и "идеологически" приемлемое объяснение красного смещения было "закрыто". Как он показал, сам принцип относительности и квантовая теория исключают это объяснение. Тем самым расширение Вселенной получило фундаментальное физическое обоснование, сколь бы трудным ни был этот астрономический факт для тогдашней астрофизики и натурфилософии.
Но в релятивистской космологии была еще одна фундаментальнейшая проблема, к пониманию и решению которой первый шаг сделал М.П.Бронштейн.
Об этой проблеме лучше всего говорить с помощью трех физических констант: c - скорость света, G - гравитационная константа и h - постоянная Планка. Каждая из этих величин соответствует фундаментальной физической теории: релятивизму, тяготению и квантам. И с помощью этих констант очень удобно говорить об истории теоретической физики.
Эйнштейновская теория гравитации, или cG-теория, после Фридмана заставляла говорить о точечном начале расширения Вселенной. Но понятие точки уместно лишь в математике. Физик хотел бы узнать, что - внутри этой точки.
Сейчас уже хорошо известно, что внутри должна содержаться квантовая теория гравитации, или cGh-теория.
Такой теории пока нет. И, судя по всему, ее построение станет эпохальным событием в истории физики. Первые основания для такого прогноза обнаружил Матвей Петрович Бронштейн в 1935 году.
Неизбежность h-обобщения cG-теории первым увидел сам Эйнштейн еще в 1916 году. Он обратил внимание, что его теория должна будет измениться, когда "захочет" проникнуть в область квантовых явлений.
Но еще первооткрыватель квантов Планк, предлагая на пороге ХХ века свою h, заметил, что из констант c, G и h, перемножая и деля их надлежащим образом, можно образовать физические величины любой размерности - длину, массу, время и т.д. И получающиеся таким образом величины он предложил считать "естественными" единицами измерения.
Назвать их естественными мог только теоретик незаурядной смелости, не боящийся насмешек коллег, крепко держащихся за землю. И действительно, как можно назвать естественными чудовищно малую длину (hG/c3)1/2 = 10-33см, немыслимо огромную плотность c5/hG2 = 1094 г/см3 или несуразную массу (ch/G)1/2 = 10-5г - ни очень большую, ни слишком маленькую. Такую массу, как заметил спустя 36 лет Бронштейн, имеет самая обычная пылинка, а что может быть заурядней пылинки, что имеет меньшее отношение к тайнам мироздания и в микро- и в мега масштабах?!
Насмешки действительно последовали, и Планк через некоторое время перестал напоминать о своем предложении. Ни насмешники, ни он сам не подозревали, что у этих странных планковских величин есть будущее. Оно и сегодня остается будущим, но зато сейчас имеются основания считать это будущее великим - считать планковские cGh-величины рубежами квантово-гравитационной физики, характерными масштабами cGh-теории.
После того, как Эйнштейн указал на необходимость построения квантово-гравитационной теории, на ее долю в течении двух десятилетий доставались лишь немногие и при этом довольно поверхностные замечания. Объяснить это нетрудно. Перед физикой стояли гораздо более насущные задачи: построить подлинную h-теорию - квантовую механику и квантовую теорию электромагнитного поля, входящую, как легко понять, в ch-теорию. Большинство теоретиков считали, что подключать гравитацию к этим трудным задачам - неоправданное излишество.
С начала 20-х годов совершенно иначе, можно сказать - противоположно, смотрел на тогдашнюю ситуацию Эйнштейн и сочувствующие ему физики. Они стремились построить так называемую единую теорию поля. Эта теория, обобщая ОТО, должна была на геометрической основе единым образом описать и гравитацию и электромагнетизм - все известные тогда фундаментальные силы, а, кроме того и сверх того, должна была объяснить квантовые явления!
С точки зрения современной физики истина находилась посередине. Константы c, G и h сейчас видятся равно фундаментальными. Если цель Эйнштейна - единая теория - сегодня стала общепризнанной целью фундаментальной физики, то средства, избранные Эйнштейном для достижения этой цели, кажутся сейчас неоправданно скупыми. С другой стороны, многие физики уже уверены, что построить полную последовательную ch-теорию невозможно, игнорируя G-физику.
В 30-е годы ближе других к золотой середине - к пониманию cGh-структуры теоретической физики был Матвей Петрович Бронштейн. Его научные интересы были широки: астрофизика и полупроводники, космология и ядерная физика. Важнейшим же его научным результатом суждено было стать работе по квантовой теории гравитации. Это было первое глубокое исследование проблем cGh-теории. Бронштейн был прекрасно подготовлен для него. Он глубоко знал и ОТО и квантовую теорию. Поэтому ясно видел всю неизбежность cGh-теории и видел две главные точки ее приложения - космологию и физику массивных звезд. И именно он первый обнаружил, что путь к этой теории очень непрост, - что построение полной cGh-теории требует "отказа от обычных представлений о пространстве и времени и замене их какими-то гораздо более глубокими и лишенными наглядности понятиями. "Wer's nicht glaubt, bezahlt einen Taler". (Одна из самых неправдоподобных сказок братьев Гримм кончается той же поговоркой: "Кто этому не верит, с того талер". Можно смело предлагать талер тому, кто найдет в физическом журнале еще хоть один подобный абзац.)
Подробнее на эту тему см. статью Г.Е. Горелика "Gloria mundi" - V.V.
Несмотря на то, что прошло уже более полувека с тех пор, как были написаны эти слова, они сохраняют свое значение. До сих пор нет полной cGh-теории и появились дополнительные основания считать, что для ее построения придется радикально изменить фундамент физики.
Почему сам М.П.Бронштейн не принял участия в создании cGh-теории? Лучше других об этом могла бы рассказать его вдова Лидия Корнеевна Чуковская. Это она помогла родиться "Солнечному веществу" М.П.Бронштейна - шедевру детской литературы о науке. Это на ее глазах августовской ночью 1937 года люди в сапогах вытаскивали рукописи Матвея Петровича из его письменного стола и рвали, рвали их на клочки. Это она в 1957 году получила справку о посмертной реабилитации М.П.Бронштейна "по вновь открывшимся обстоятельствам" и "за отсутствием состава преступления"...
За прошедшие десятилетия наука узнала очень многое о микрофизике - о физике элементарных частиц (которых за это время стало чуть ли не в 100 раз больше) и о ее взаимосвязи с космологией. И в наше время физики ожидают, что квантование гравитации будет лишь одним, хотя, быть может, и главным результатом последовательной cGh-теории. Надеются, что эта теория станет единой теорией всех фундаментальных взаимодействий, когда физики изучат пространство-время с точностью до (hG/c3)1/2 = 10-33 см, и, вместе с тем, ответит на главный вопрос космологии - о происхождении Вселенной. Ведь у расширяющейся Вселенной в прошлом плотность должна была быть сколь угодно большой и когда-то, в частности, больше планковской c5/hG2 = 1094г/см3.
Многое в нынешних представлениях показалось бы естественным М.П.Бронштейну, который еще в 1930 году написал:
"Будущая физика не удержит того странного и неудовлетворительного деления, которое сделало квантовую теорию "микрофизикой" и подчинило ей атомные явления, а релятивистскую теорию тяготения - "макрофизикой", управляющими не отдельными атомами, а лишь макроскопическими телами. Физика не будет делиться на микроскопическую и космическую: она должна стать и станет единой и нераздельной."
Долгое время такой прогноз не находил сочувствия у физиков. А сейчас можно удивляться проницательности его автора.
Джордж Антонович Гамов (1904 - 1968)
Заслуги Фридмана перед космологией не ограничиваются его собственным научным вкладом - "моделью Фридмана". Профессор Петроградского университета значительную часть своего времени отдавал преподаванию. Слушателей у него было совсем немного, и среди них выделялся один юноша. Тогда он выделялся прежде всего высотой своего роста и голоса. Но впоследствии этому 20-летнему студенту, которого друзья звали Джонни, суждено было прославить свое имя в истории советской и американской науки. Впрочем, лучше сказать "мировой", тем более что автобиографию свою Георгий Антонович Гамов назвал "Моя мировая линия".
Одно из трех его мировых достижений называется "Большой Взрыв" - "Big Bang", на языке страны, принявшей физика-невозвращенца в 1934 году. Под этим названием известна космологическая модель, родившаяся в 40-е годы чтобы объяснить химическое разнообразие нашей Вселенной.
Приходится признать, что вряд ли эта модель могла появиться раньше, даже если бы студент Гамов имел возможность учиться у профессора Фридмана гораздо дольше, чем позволила история. И не из-за пристрастного отношения казенной советской идеологии к релятивистской космологии, или мега-физике. А потому что прежде должна была развиться, созреть микрофизика.
И в этом созревании деятельное участие принял Гамов. Его первое мировое достижение очень характерно для его научного стиля и тоже было взрывом, хотя и не столь грандиозным. В 1928 году, когда была сделана эта работа, теоретики пребывали в неком оцепенении перед океаном ядерной физики, поскольку были убеждены - и не без оснований - что для путешествий в этом океане необходимо построить квантово-релятивистский корабль или даже подводную лодку.
Гамов знал все теоретические и экспериментальные основания для оцепенения. Но такое состояние было ему абсолютно не свойственно. И поэтому, расхаживая по берегу и смело шупая ногой воду, он смог обнаружить, что в океане ядерной физики имеется прекрасная отмель, по которой можно - почти аки по суху - зайти довольно далеко. Эта отмель - альфа-распад ядер. И Гамов не упустил возможности, предоставленной природой. Природой и Наркомпросом.
Именно на деньги последнего в июне 1928 года Гамов отправился на стажировку в Германию, всего на несколько месяцев. Но этого ему хватило чтобы сделать работу, ставшую началом теоретической ядерной физики. Работа принесла Гамову мировую известность и заграничные стипендии, позволившие ему продлить свою стажировку на три года.
Достижение было отмечено и на родине. Первым это сделал главный пролетарский поэт в главной пролетарской газете. Уже через несколько недель Демьян Бедный откликнулся на газетное сообщение о том, что "аспирант ленинградского университета сделал открытие, произведшее огромное впечатление в международной физике. Молодой ученый разрешил проблему атомного ядра":
-----------До атомов добрались СССР зовут страной убийц и хамов.
Недаром.
_____Вот пример:
___________советский парень Гамов,
- Чего хотите вы от этаких людей?!
- Уже до атомов добрался, лиходей!- негодовал Бедный-буржуй. И Бедный-автор подытожил: "В науке пахнет тож кануном Октября".
Не удивительно, что через три года Гамов стал членкором Академии наук СССР, самым молодым в ее истории. Но стать самым молодым академиком ему не довелось, потому что он почувствовал себя на родине очень неуютно. Лишь отчасти этот неуют создавало атмосферное давление Диамата. Главным стал холод крепчавшей научной бюрократии. В результате - гололедица, когда свободно двигаться по дороге научной жизни можно лишь в специальной обуви. Гамов мог бы добавить - "или если из пешехода уже сыпется песок", потому что создать Институт теоретической физики ему помешали старшие товарищи по академии.
Только один академик старшего поколения относился к Гамову с полным доверием и старался "дать свободный простор его работе". Это был В.И.Вернадский, директор Радиевого института, считавший, что "одаренная для научной работы молодежь есть величайшая сила и драгоценное достояние человеческого общества, в которомона живет, требующая охраны и облегчения ее проявления". Именно он выдвинул кандидатуру 27-летнего Гамова в Академию наук.
Джордж Гамов в автобиографии не вспомнил российского геохимика и мыслителя. Так, может быть, в истории космологии тем более не следовало бы это делать? Наука, однако, устроена так, что ее разделение на области и департаменты довольно условно. Одна из проблем, сильно занимавших геохимика Вернадского, - распространенность и история химических элементов на нашей планете. Но именно распространенность и история химических элементов во Вселенной стала для Гамова - опять! - отмелью в метафизически бездонном и почти безжизненном тогда океане космологии. Именно эта отмель позволила ему задать содержательный физический вопрос по поводу происхождения Вселенной: Каковы были условия в начале расширения, во время Большого Взрыва, что его "осколками" стали разные химические элементы в наблюдаемой пропорции?
Разумеется, одним жгучим научным интересом его бывшего директора и попечителя не объяснить рождение Гамовской идеи о Большом Взрыве. Так же как не свести его теорию альфа-распада к работе Л.И.Мандельштама и М.А.Леонтовича, решивших в начале 1928 года общую квантовую задачу о прохождении частицы через барьер. В обоих случаях самому Гамову надо было проложить туннель под барьером, состоящим не только из математики, но, главным образом, из физики.
Чтобы пробить туннель под вторым физико-математическим барьером, Гамову пригодилось и мощное развитие ядерной физики, и раскрытие источника звездной энергии и даже, вполне возможно, вовлеченность в создание термоядерной бомбы...
Но творчество - такая хитрая вещь, что здесь разложить все по полочкам невозможно. И вполне справедливо особое внимание уделить тому, кто сумел взять с разных полочек нужные компоненты и создать из них нечто совсем новое.
Гамов это смог сделать. Благодаря ему космология из философски-математической и астрономической науки превратилась в физическую.
Осталось только сказать о третьем мировом достижении советского ядерщика и американского космолога - на этот раз в области биологии. Когда Дж.Уотсон и Ф.Крик открыли в 1953 году "двойную спираль" - структуру молекулы ДНК, открылся и новый научный океан - молекулярной генетики. Существование генов, доказанное еще монахом Менделем на горохе, стало возможным пощупать молекулярно. И здесь, на берегу нового океана оказался Гамов.
Он не стал дожидаться, пока построят электронные микроскопы и научатся препарировать нуклеиновые спирали. Вопреки Кузьме Пруткову, он не стал изучать законов языка ирокезского, а просто вслушался в странную речь. И обратил внимание, что генетические рецепты 20 нуклеиновых кислот, из которых устроено все живое, написаны алфавитом, в котором всего четыре буквы. Как это можно сделать? Например, если слова этого языка все трехбуквенные. Но это уже не биология, а теория кодирования!? Да, конечно, речь идет именно о генетическом коде, важный шаг к разгадке которого сделал Джордж Гамов.
Быть может, именно интерес к генетике и ее трагическая судьба на родине побудила его в автобиографии 1968 года предсказать свое будущее в России - "концлагерь в Сибири за взгляды на мировой эфир и квантовую неопределенность". Если ему и в самом деле удалось прочитать это будущее в социальных генах организма, называемого Сталинизмом, то он был воистину выдающийся генетик. Однако в этом его предсказании можно и усомниться. И не только потому, что директорами советских институтов, в которых он работал, были царский генерал А.Н.Крылов и член Временного правительства В.И.Вернадский. А потому что Советской власти, для своей государственной мощи, была нужна физика. Конечно, ни горячей Вселенной, ни молекулярной генетики советскому Гамову было бы не видать. Но одним из отцов советского ядерного оружия и, соответственно, трижды Героем он бы мог стать. Гамов, однако, предпочел менее героическую биографию. Был ли он прав? На такие вопросы история науки не отвечает.
Яков Борисович Зельдович (1914-1987)
и Андрей Дмитриевич Сахаров (1921-1989)В 60-е годы космология стала новой наукой. Астрономическое уточнение межгалактической шкалы расстояний устранило главный дефект предшествующей релятивистской космологии, - Хаббловский возраст Вселенной перестал противоречить данным космогонии, прежде всего ядерной геохронологии, согласно которой возраст Земли составлял несколько миллиардов лет.
К этому "исправленному" изданию релятивисткой космологии подоспели два эпохальных открытия. Радиотелескопы обнаружили фоновое - вселенское - радиоизлучение, со всех сторон одинаково греющее Землю, - так, как если бы весь Космос был нагрет до 3 К (-270о С). А телескопы оптические обнаружили квазары - звездоподобные объекты, излучающие с галактической интенсивностью и находящиеся на космологических расстояниях -- сравнимых с расстоянием до горизонта Вселенной, откуда свет за конечное время расширения Вселенной уже не дошел бы до наблюдателя.
Нетрудно понять, насколько увеличилась "жилплощадь" космологии, если учесть что в предыдущие три десятилетия единственной экспериментальной точкой ее опоры было Хаббловское разбегание галактик. Этой точки опоры было достаточно, чтобы перевернуть мир космологических умозрений, но слишком мало чтобы устойчиво строить здание релятивисткой астрофизики и физической космологии.
В 60-е годы новые точки опоры появились, и строительство закипело. Тогдашний строительный бум можно назвать и бэби-бумом, - резко подскочила рождаемость гипотез, и, с другой стороны, даже студент мог предложить новое решение космологических уравнений.
Именно в ту пору в космологию пришли два зрелых физика - академики и трижды герои соцтруда. Первая космологическая работа Я.Б.Зельдовича датирована 1961 годом, первая работа А.Д.Сахарова - 1965-м.
У этого их биографического поворота были свои социальные, психологические и научные причины. Академические звания и звезды героев оба получили за вклады в советский атомный проект. Зельдович вошел в этот проект еще до его государственного развертывания и сыграл ключевую роль в создании атомной бомбы. Сахаров попал в проект накануне испытания этой бомбы и сыграл ключевую роль в создании термоядерной. По воле истории оба физика-теоретика в самом творческом возрасте должны были жить в самом секретном городе страны и заниматься самым секретным и самым разрушительным оружием.
Переход от всего этого к совершенно открытой и абсолютно мирной работе с бесконечной звездной Вселенной перед глазами, каким бы прыжком не казался, был довольно естественным в силу совокупности обстоятельств.
Физико-технические задачи ядерно-оружейного проекта после решающего успеха 1955 года, когда была испытана советская супер-бомба, все больше эволюционировал в техническую сторону. Фундаментальная физика - физика элементарных частиц - все дальше уходила вглубь микромира от физики ядерного взрыва, которая с каждым новым ускорителем становилась все ниже-энергетической.
К этому добавлялась политическая оттепель, затронувшая и ядерное противостояние сверхдержав. Необходимость сверхусилий по созданию все более мощной взрывчатки уже не казалась столь очевидной и безусловной как в 40-е годы. Впрочем, подобные общественно-политические факторы имеют разный вес для разных физиков. Гораздо универсальней действовало истощение физического "задачника" Министерства среднего машиностроения, руководящего спецпроблемой.
В 40-е годы у Энрико Ферми были основания сказать по поводу чудовищно-разрушительного оружия: "superb physics" (превосходная физика). Сахаров об еще более адском оружии сказал: "рай для теоретиков". И для их коллег, привыкших к реалиям ядерного века, это была не столько кощунственная, сколько точная констатация. Ведь это была возможность воспроизвести и "подержать в руках" звездное вещество!
Однако Минсредмаш не очень-то интересовался миром звезд, и его военно-технические задачи становились все скучнее и все рутиннее для физиков-теоретиков, - для тех из них, кто не превратился в инженерно-технических работников и сохранил свободолюбивый исследовательский инстинкт.
Этот инстинкт побуждал пренебречь привилегиями Средмаша (которые, впрочем, диалектически соединялись с тяготами секретности) и стараться вернуться в открытую науку. А в этой науке областью, наиболее близкой к физическому раю, была релятивистская астрофизика и космология. Для тех, кто привык иметь дело с миллионами градусами, составлять уравнения для таких состояний вещества и проверять их на полигонах, космология не была столь уж неземной областью.
В начале 60-х годов, когда Зельдович и Сахаров вернулись к чистой физике, стала осознаваться мысль, что ответы на самые фундаментальные вопросы требуют соединить микрофизику, или физику элементарных частиц, и мегафизику, то есть космологию. Именно сюда, на стык двух филологически не стыкующихся областей, обратился мысленный взор "отцов" советских супер-бомб.
Научные наследия Зельдовича и Сахарова сильно различаются, как различаются и сами эти два замечательных физика.
О Зельдовиче один его западный коллега сказал, что познакомясь с его разнообразными и многочисленными работами, он заподозрил в его фамилии коллективный псевдоним, подобный Бурбаки в математике. В библиографии Зельдовича раздел "Астрофизика и космология" содержит около 200 названий, а из его соавторов можно было бы составить небольшой институт. У Сахарова космологических работ раз в десять меньше, нет и соавторов. В этом отражалось и различие их интересов. Зельдович занимался всей огромной областью астрофизической космологии, с ее обилием наблюдательного материала, простором для приложения разнообразных методов физики и математики. Сахарова более занимала космогоническая космология.
Я.Б.Зельдович помимо специальных статей писал обзоры, популярные статьи и книги, в которых сам рассказывал о своих астро-космологических идеях.
У А.Д.Сахарова таких рассказов практически нет. Поэтому поясним, быть может, наиболее фундаментальную и успешную его космологическую идею.
СРТ-симметрия асимметричной Вселенной
Почти сразу после открытия того, что наша Вселенная расширяется, физики-теоретики, склонные к целостному взгляду на мир, пришли в глубокое недоумение. Им было ясно, что расширение Вселенной - это не просто некая астрономическая закономерность, а фундаментальный факт мироздания. Им было ясно, что космологическая теория должна опираться на физику. Но формально глядя на физический закон - уравнение Эйнштейна, из которого Фридман получил нестатическую космологию, было еще яснее, что само уравнение в равной мере описывает и расширение, и сжатие, и более сложные движения Вселенной. Иными словами, уравнение Эйнштейна симметрично по времени, или Т-симметрично, а реально наблюдаемое, одно-единственное поведение Вселенной явно не Т-симметрично.
Кто же или что же отвечает за отбор из всех возможных космологических сценариев только одного? Не лежит ли в основе космологии такая физика, объединяющая и теорию относительности, и квантовую теорию, что основной закон этой физики тоже Т-несимметричен?
Наиболее отчетливо эти соображения высказал еще в тридцатые годы М.П.Бронштейн, и он же впервые обнаружил, что эйнштейновский закон гравитации, управляющий расширением Вселенной, применим лишь ограниченно.
Раз Вселенная расширяется, значит, вчера ее галактики были ближе друг к другу, чем сегодня, а позавчера - еще ближе. Если бы эйнштейновское уравнение было бы везде-всегда правильно, то в некий момент плотность вещества во Вселенной была бесконечно велика.
Однако в физике бесконечность обычно говорит о каком-то неблагополучии. И в 1935 году Бронштейн обнаружил, что эйнштейновский закон гравитации неабсолютен, что в ситуациях, когда на сцену выходит Его Малейшество Квант, закон Эйнштейна надо исправлять. Происходит это, например, когда плотность вещества больше некоторой величины, составленной из констант с, G и h, - невообразимо большой и называемой планковской плотностью.
Все это означает, что ключ к разгадке вселенского расширения надо искать в миллиарднолетнем прошлом Вселенной, или, как иногда выражаются, в ее первых мгновениях. И несколько десятилетий этот ключ таился в кромешной космологической тьме.
Загадка, однако, была заперта двумя ключами, и второй замок долгое время был незаметен. Хотя свет из этой замочной скважины проник в физику уже в начале тридцатых годов под именем "позитрона". Под именем ошибочным, скажем прямо - вводящем в заблуждение. Подобрать имя для новой частицы надо было попросить теоретиков, тем более, что один из них предсказал эту частицу за несколько лет до экспериментального открытия. Они назвали бы ее просто антиэлектроном. Это длиннее, но зато гораздо понятнее. Со всеми другими подобными частицами именно так и поступили. К шестидесятым годам античастиц наоткрывали уже достаточно для того, чтобы из них творить антимиры, писть о них стихи и фантастические романы, а главное чтобы задать вопрос: если у любой частицы имеется свой антипод, симметрично противоположный двойник, то почему эти антиэлектроны, антипротоны, антинейтроны... встречаются так редко, а сделанные из них антизвезды и антигалактики глазу астрофизиков по сию пору не встречались? Неужели наш мир столь несимметричен?..
Слово "симметрия" произнесено, и поскольку живет оно не только в физике, нетрудно понять, что симметрии бывают двух типов. Например, возьмем в руки колесо. Относительно оси колесо можно повернуть на любой угол, и в результате положение не отличишь от исходного. Если же осью вращения сделать "спицу" колеса, то для совпадения с исходной конфигурацией надо совершить поворот ровно на 180 градусов, не менее. Первая симметрия называется непрерывной, а вторая - дискретной.
В физике действуют симметрии, не сводящиеся к пространственным, а в квантовой физике особую роль играют именно дискретные симметрии. Для физика созвучны слова "атомизм", "квантовость", "дискретность". А после того, как выяснилось, что квантовая физика позволяет рождать частицы сразу, целиком, три дискретные симметрии и вовсе вышли на авансцену.
С одной из этих симметрий мы уже познакомились, правда, без всякой квантовости. Т-симметрия поворачивает время вспять, заменяя везде t на -t и, значит, заменяя все скорости на противоположно направленные.
Р-симметрия, наиболее геометрическая, превращает правую руку в левую, родинку с левой щеки переносит на правую, вращение волчка меняет на противоположное - короче, делает все, что делает с нашим миром любое зеркало. И, наконец, самая непонятная - С-симметрия - любую элементарную частицу заменяет на ее античастицу.
Каждая из операций С, Р, Т похожа на взмах волшебной палочки. И в общем-то ниоткуда не следует, что после этакого взмаха в физическом мире ничего не изменится. Из теории относительности удалось извлечь только то, что взмах сразу тремя палочками ничего в физике не меняет. Это называется СРТ-симметрией.
А по отдельности? Несколько десятилетий физики были уверены, что фундаментальные законы симметричны для любой из С-, Р-, Т-волшебных палочек. Жить в таком мире физикам, конечно, было бы проще, но...
Представьте себе, что у человека правая и левая руки совершенно одинаковы. Делать перчатки таким простым людям, конечно, в два раза проще, но можно ли понять, что такое человек, игнорируя различие правой и левой руки (и геометрическое, и динамическое), различие правого и левого полушарий его мозга (образного и логического)? Простота бывает признаком гениального, но бывает и хуже воровства. Чрезмерное упрощение мира крадет у него красоту.
Уже в тридцатые годы наиболее проницательные из теоретиков заподозрили нечто неладное в сочетании Т-симметрии фундаментальной микрофизики и явной Т-несимметрии в мегафизике, то есть в космологии.
Однако всему свое время, и довольно долгим было время раздельного развития микро- и мегафизик. Вопросов хватало в физике элементарных частиц и в космологии по отдельности.
Симметрии же целиком достались в удел микрофизике. Первой, в 1956 году, дрогнула право-левая симметрия Р. Оказалось, что некоторые физические законы различают правое и левое. Это открытие было шокирующим, нобелевским и всего лишь "перволасточным". Физики не могли мириться с кособокостью мироздания и предположили, что воссоздать симметрию можно операцией С, то есть комбинированной симметрией. И в первых обнаруженных случаях Р-несимметрии это предположение оправдалось: от перемены правого на левое и одновременно частиц на античастицы физические явления не менялись.
Дальнейшее изучение мира элементарных частиц привело к неполноте и СР-симметрии: обнаружились такие законы их жизни, которые нарушают и СР-симметрию. Остался только один всеобщий закон - СРТ-симметрии, и он останется в силе, пока останется сама теория относительности.
Однако, согласно этому закону, получалось, что микрофизика несимметрична относительно переворота стрелы времени. Всю микрофизику можно разделить на три области, вложенные одна в другую и другая в третью. Явления самой доступной области симметричны относительно С, Р и Т по отдельности, в другой действительны симметрии СР и Т, наконец, в самой удаленной от "уровня Земли" - только совместно СРТ.
Но все это микрофизика, все это относится к элементарным частицам. А в мегафизике, в космологии в это же время теоретики ломали себе головы над тем, как могла бы космология развести подальше друг от друга миры и антимиры, чтобы они не соприкасались (и их аннигиляция не осветила Вселенную обжигающе ярким светом) и чтобы не пришлось гадать о Творце Вселенной, правша он или левша.
Легче всего было тем, кто не боялся ни десницы божьей, ни его шуйцы. Такие были готовы принять асимметрию мироздания как факт изначальный и всякие размышления на этот счет назвать досужими.
Однако испокон веков были такие, кто в обнаруженной асимметрии упрямо искал симметрию более глубокую. Среди таких и А.Д.Сахаров. Он вывел СРТ-симметрию из микромира на мегапросторы Вселенной, а точнее - в мегамикромир, поскольку речь идет о бурных событиях, происходивших с элементарными частицами по всей Вселенной в самые первые мгновения ее Большого Взрыва. И суть идеи Сахарова состояла в том, что наблюдаемые С-, Т-, Р-асимметрии Вселенной связаны с СРТ-симметрией микрофизики.
Конечно, суть не была голой: сколь ни важна роль скелета, для жизни организма нужны и другие составляющие. И основную, скелетную, идею Сахаров ввел в жизнь в совокупности с другими: несохранение барионного заряда и распад протона, гипотетические частицы с планковской массой и теория великого объединения... Названные идеи живут и развиваются уже два десятилетия, - работа Сахарова положила начало важнейшему этапу в объединении физики микромира и мегамира.
Отличие этого этапа космологии от предыдущих в том, что прежде ключевые, освещающие путь идеи появлялись поодиночке, "на межгалактических расстояниях" друг от друга. Для нынешнего этапа характерна сцепленность, одновременная значимость сразу нескольких идей. И, соответственно, обсуждает проблемы космологии целое научное сообщество.
Одно такое обсуждение состоялось в конце 1979 года в малом зале теоротдела ФИАНа. Докладывал А.Д.Сахаров. Хотя до его высылки в Горький оставались считанные недели, речь шла исключительно о неземных делах. О супертяжелых Х-бозонах, о механизме несохранения барионного заряда в ранней Вселенной.
Никаких объявлений о докладе не было, поэтому пришли только "свои". И еще один коренастый и подвижный, бритоголовый человек в свитере. Это был ЯБ, - так называли Зельдовича не только его сотрудники.
Сахаров говорил о развитии идеи барионной асимметрии Вселенной, говорил, как всегда, неуверенным по звучанию голосом. Затем у доски вынырнул ЯБ, и наоборот очень уверенным голосом стал говорить о трудных местах нового эскиза космологической картины, о том, как образовывались супертяжелые бозоны в сверхплотной Вселенной...
А кто-то глядя на них, подумал о том, как образовалась такая большая плотность героев соцтруда - шесть у одной доски, как за полтора десятилетия до того оба академика вышли из закрытого мира Средмаша на просторы Вселенной. Первым - Я.Б.Зельдович, затем А.Д.Сахаров. Они жили по разному в мире людей, но у обоих одной из важнейших составляющих жизни была Вселенная.
Февраль1998 |