Автор книги: Геннадий Горелик
Жанр: Физика, Наука и Образование
Возрастные ограничения: +16
сообщить о неприемлемом содержимом
Текущая страница: 15 (всего у книги 23 страниц)
Три фундаментальные константы c, G и h
На космологию и на передний край физики Бронштейн смотрел, можно сказать, свысока – с такого высока, откуда видно “отношение физических теорий друг к другу и к космологической теории”. Так он назвал раздел в статье 1933 года “К вопросу о возможной теории мира как целого”. В размышлениях об этом вопросе, привлекая историю физики и “географию” применимости разных теорий, он опирался на особую роль трех физических констант: c, G и h – скорость света, гравитационная постоянная и постоянная Планка. Константы эти входят в формулировки фундаментальных теорий, необходимых, в принципе, для описания любого физического явления. Ими можно пренебречь лишь из практических соображений, если не нужна слишком высокая точность. Константы c, G и h можно назвать фундаментальными, встроенными в фундамент мироздания. Но так было не всегда.
Скорость света c, введенная Галилеем и измеренная Ремером еще в семнадцатом веке, стала фундаментальной лишь в 1905 году в теории относительности. Гравитационная постоянная G, фактически измеренная Кавендишем в конце восемнадцатого века, а вошедшая в физику в начале девятнадцатого, обрела фундаментальность в теории гравитации-пространства-времени, завершенной в 1916 году. А постоянная h, введенная Планком в 1900 году, обрела фундаментальный статус в квантовой механике, завершенной к 1927 году.
Именно тогда, в середине 1920-х годов, Матвей Бронштейн входил в науку и вырабатывал свой cGh-взгляд на мир теоретической физики. С этой точки зрения, указанные фундаментальные теории можно называть c-теорией, cG-теорией и h-теорией. А теорию гравитации Ньютона – G-теорией. Принимая за исходный пункт исторического развития Ньютонову механику как теорию упругого удара, или физику бильярда, Бронштейн представил схемы преемственного развития и смены теорий, которые образуют cGh-карту фундаментальных теорий или (вместо глобуса) cGh-куб, изображенные на рисунке, где полужирный шрифт и сплошные рамки соответствуют теориям, уже созданным к началу 30-х годов.
cGh-карта фундаментальной физики
Иллюстрации из статьи М. Бронштейна 1933 года
N-теория (HM) – Ньютонова механика,
G-теория (ГН) – Гравитация Ньютона,
c-теория (ТО) – Теория относительности,
cG-теория (ГЭ) – Гравитация Эйнштейна,
h-теория (КМ) – Квантовая механика,
ch-теория (КЭ) – Квантовая электродинамика,
cGh-теория (КГ) – Квантовая гравитация.
(Полужирный шрифт и сплошные рамки соответствует теориям, уже созданным к началу 30-х годов.)
Три схемы, изображенные слева, образуют грани cGh-куба фундаментальных теорий (справа).
Что же касается теорий, создания которых ожидали, физики о них думали по-разному.
Из уважения к заслугам Эйнштейна начнем с него, хотя к началу 30-х годов его взгляды мало кто разделял. Как ни удивительно, физик, столько сделавший для развития квантовой теории и получивший Нобелевскую премию в основном за это, тогда уже, по существу, не признавал фундаментальный характер постоянной h. Уже лет десять Эйнштейн искал так называемую единую теорию поля, в которой гравитация и электромагнетизм – проявления некоего единого поля, и надеялся, что следствием этой теории станет квантовая теория и сама величина h. В 30-е годы у него остались лишь считанные сторонники.
Все другие теоретики считали h не менее фундаментальной константой, чем c, и ожидали ch-теорию для явлений, где важны h-свойства, а скорости близки к c. Таким, в частности, был гипотетический эффект покраснения фотонов, который Бронштейну удалось оценить и отвергнуть. Однако при всем почтении перед величайшим достижением Эйнштейна надо сказать, что роль гравитации в насущных проблемах тогдашней физики считалась – и вполне резонно – несущественной. Поэтому константа G в качестве основной выглядела гораздо менее убедительно, чем, например, элементарный электрический заряд, а также массы электрона и протона, из которых, как считалось к началу 30-х годов, построено все вещество.
Почти все теоретики, работавшие на переднем крае физики, свое внимание сосредоточивали на одной ch-грани cGh-куба, не заглядывая на cG-грань, на которой находились гравитация и космология. Да и Риманова геометрия, необходимая в теории гравитации, настолько отличалась от языка остальной физики, что лишь немногие ее освоили. Среди этих немногих был Бронштейн. Он понимал, что космология требует теорию явлений, в которых существенны и кванты и гравитация, то есть cGh-теорию.
Главная проблема космологии радикально отличается от обычных проблем физики и астрофизики, которые касаются многочисленных явлений, наблюдаемых в разных реализациях и с разных сторон. А Вселенная не только абсолютно единична, но – если верить теоретическим моделям Фридмана – Леметра – может быть в принципе не охватываема наблюдениями в силу своей бесконечности.
Оценить это отличие помогает пример Владимира Фока – выдающегося российского теоретика и виднейшего специалиста в теории гравитации. Он учился у Фридмана и его знаменитые статьи по космологии перевел по просьбе автора на немецкий язык для публикации в Германии. Не сомневаясь в математической правильности решений Фридмана, он не мог признать эти решения описанием Вселенной в целом именно потому, что целое это недоступно наблюдению.
Бронштейн студентом слушал лекции Фока и впоследствии с ним общался близко, однако космологию считал законной областью для размышлений физика-теоретика.
Для физика труднейший вопрос космологии: почему из множества возможных решений осуществилось то, которое мы наблюдаем, – расширение с определенной скоростью, радиусом кривизны и плотностью? В обычных задачах физики ответ на такого рода вопрос сводится к начальным условиям и к законам, управляющим данным явлением. В космологии ключевая проблема – как описать то начальное состояние, что привело к нынешнему – наблюдаемому – состоянию. Идея Леметра о первичном атоме и его “радиоактивном” распаде заменила формально-математическое начало яркой, но неопределенной физической метафорой. Чтобы превратить эту метафору в физику, надо было бы ответить на каверзные вопросы: почему радиоактивный распад, известный лишь для микромасштабов атомного ядра, может произойти и в мегамасштабном “ядре” всей Вселенной? Как в результате подобного распада возникла наблюдаемая однородность распределения вещества во Вселенной? И, главное, какая физическая теория управляла тем первоначальным распадом?
По мнению Бронштейна, управлять могла лишь cGh-теория.
Звуки физики Джаз-банда
Поиски обстоятельств, в которых рождался cGh-взгляд на физику, приводят к заметке 1928 года “Мировые постоянные и предельный переход”, где обсуждается несколько тем, но постоянные c, G и h выделены как наиболее общие. Автор этой заметки, однако, не Бронштейн, и авторов целых три – Георгий Гамов, Дмитрий Иваненко и Лев Ландау. Самому молодому, Льву, – 20 лет, двум другим по 24. Это их единственная общая статья, хотя они себя именовали Тремя мушкетерами. Матвей Бронштейн, который по возрасту был ближе к Ландау, присоединился к ним через пару лет после возникновения содружества и пользовался их студенческими прозвищами – Джо, Димус и Дау.
Мушкетеры, азартно занимаясь наукой и развлекаясь, стали центром притяжения для компании юных физиков, которая вошла в историю науки под именем Джаз-банда. Не желая жить по нотам, они свободно импровизировали, всегда готовые подхватить тему, развить, а еще лучше опровергнуть. Все как в джазе. Только вместо музыки в их жизни звучали стихи на темы физики и лирики.
Рождение Джаз-банда совпало с рождением квантовой механики – первой теории микромира. До того были лишь догадки и гениальные прозрения о физике атомов. А в 1925–1927 годах, в череде головокружительных открытий, возникала общая теория. Необычные понятия новой теории – как звуки джаза – невозможно было принимать равнодушно. Они очаровывали, выводили из себя, вовлекали в новую науку и… побуждали сочинять стихи.
Главный поэт Джаз-банда, Женя Каннегисер, рассказывала много лет спустя:
Джаз-Банд выпускал рукописный журнал “Physikalische Dummheiten” [Физические Глупости], который читался в Университете и вообще нахально развлекался по поводу наших учителей. Джо, Димус и Дау были гораздо дальше остальных как по способностям, так и по знанию физики и разъясняли нам все новые увлекательные открытия квантовой механики.
Квантовая механика была такой же новостью для преподавателей, как и для студентов. Поэтому учились в основном по научным журналам и друг у друга – в нескончаемых разговорах и спорах. Такое самостоятельное освоение науки как ничто другое способствовало развитию их способностей и научной смелости.
Дух Джаз-банда запечатлен в “Гимне Теоретикам”, сочиненном Женей. Первую строку для “Гимна…” она позаимствовала из “Капитанов” Николая Гумилева:
Вы все, паладины Зеленого Храма,
Над пасмурным морем следившие румб,
Гонзальво и Кук, Лаперуз и де Гама,
Мечтатель и царь, генуэзец Колумб!
Жениных товарищей манили путешествия иного рода:
Вы все, паладины Зеленого Храма,
По волнам де Бройля державшие путь,
Барон Фредерикс и Георгий де Гамов,
Эфирному ветру открывшие грудь!
Ландау, Иваненко, крикливые братья,
Крутков, Ка-Тэ-Эфа ленивый патрон,
И ты, предводитель Рентгеновской рати,
Ты, Френкель, пустивший плясать электрон!
Блистательный Фок, Бурсиан, Финкельштейн
И жидкие толпы студентов-юнцов,
Вас всех за собою увлек A. Эйнштейн,
Освистаны вами заветы отцов.
Не всех Гейзенберга пленяют наркозы,
И Борна сомнителен очень успех,
Но Паули принцип, статистика Бозе
В руках, в головах и в работах у всех!
Но пусть расползлись волновые пакеты,
Еще на природе густая чадра,
Опять неизвестна теория света,
Еще не открыты законы ядра.
И в Цайтшрифте ваши читая работы,
Где темным становится ясный вопрос,
Как сладостно думать, что яростный Боте
Для ваших теорий готовит разнос!
Не стоит объяснять все физические имена и термины. Кому они неизвестны, тот может без них обойтись. Женя и ее друзья не могли. Поясню лишь несколько мест. Де Бройль догадался, что каждая частица, если к ней присмотреться, – кое в чем волна (квантовую механику называли также волновой механикой). Профессор Крутков заведовал в университете Ка-Тэ-Эфом (Кабинетом теоретической физики) без особого пыла, в отличие от легкого на подъем Френкеля в Физтехе. Квантовые идеи Гейзенберга и Паули оказались на редкость успешны, а опыты Боте только что “разнесли” в пух и прах гипотезу самого Нильса Бора.
С помощью стихов Гумилева Джаз-банд приобрел нового участника. Женя встретила его ранней весной 1927 года:
Стояли лужи, чирикали воробьи, дул теплый ветер, и я, выходя из лаборатории на Васильевском острове, повернулась к маленькому ростом юноше, в больших очках, с очень темными, очень аккуратно постриженными волосами, в теплой куртке, распахнутой, так как был очень неожиданно теплый день, и сказала: “Свежим ветром снова сердце пьяно…”
После чего он немедленно продекламировал:
и все вступление к этой поэме Гумилева. Я радостно взвизгнула, и мы тут же, по дороге в Университет, стали читать друг другу наши любимые стихи. И, к моему восхищению, Матвей Петрович прочитал мне почти всю “Синюю звезду”[4]4
Сборник Н. Гумилева “К синей звезде” издан в Берлине в 1923 г., спустя два года после его казни.
[Закрыть] Гумилева, о которой я только слышала, но никогда ее не читала.Придя в Университет, я бросилась к Димусу и Джо – в восторге, что нашла такого замечательного человека. Все стихи знает наизусть и даже “Синюю звезду”! Вот как Матвей Петрович вошел в круг Джаз-Банда.
Я помню его, смотрящего через очки, которые у него почти всегда сползали на кончик носа. Он был исключительно “цивилизован”. Не только в том смысле, что он все читал, почти обо всем думал, но для очень молодого еще человека он был необыкновенно деликатен по отношению к чувствам и ощущениям других людей, очень благожелателен, но вместе с тем непоколебим, когда дело шло о “безобразном поведении” его друзей.
Не помню, кто его назвал Аббатом, но это имя к нему очень шло. Благожелательный скептицизм, чувство юмора и почти универсальное понимание.
Необычное прозвище Аббат дали ему в другой студенческой компании – астрономической, с которой Бронштейн связался ранее. Он приехал из Киева в 1926 году и поступил учиться на физический факультет, уже успев опубликовать статью – о рентгеновских фотонах – в том самом знаменитом “Цайтшрифте”. Его интересовала и физика небесная. Поэтому в университете ходил одновременно на лекции к астрономам и подружился с некоторыми, особенно с Виктором Амбарцумяном. В пригородном поезде между университетом и Пулковской обсерваторией читались вслух интересные книги – необязательно по астрофизике. В частности, повесть Анатоля Франса о жизни и приключениях аббата Куаньяра, доктора богословия и магистра всяческих наук. Острый ум, невероятная образованность и доброжелательность, сдобренная иронией, – все это подсказало молодым астрономам прозвище для своего товарища-физика – Аббат Куаньяр, которое укоротилось до Аббата. Так что аббат Леметр был тут ни при чем, хотя именно тогда он писал свою знаменито не замеченную статью. В истории случайные совпадения соседствуют с неслучайными.
Веселый дух Джаз-банда запечатлелся и в статье Трех мушкетеров о мировых константах, опубликованной в 1928 году в солидном “Журнале Русского физико-химического общества”. Зачем понадобились утроенные усилия для статьи, которая не оставила следа в других работах всех троих авторов? И почему идея об особой роли констант c, G и h столь заметна у не-автора Бронштейна?
Мушкетеров вряд ли заботило, что они оставляют историкам трудную задачу – понять происхождение странной статьи. Но трудные задачи интереснее решать. И вот решение.
Статья родилась не в ученых дискуссиях у доски с мелом, а в дружеском трепе за обедом в студенческой столовой. Кто-то вспомнил, что у одной из джаз-девушек грядет день рождения. И кто-то предложил в качестве подарка посвятить ей научную статью, а заодно повеселиться за счет “зубров” – так они именовали физиков, отставших от скорого поезда науки по возрасту и малой скорости ума. То, что зубры называли физикой, в Джаз-банде обзывали “филологией”, “патологией” или просто ахинеей. Такого рода физика находила порой себе место в “Журнале Русского физико-химического общества”, от аббревиатуры которого – ЖРФХО – веяло чем-то старорежимным.
Подарочную статью мушкетеры смастерили, можно сказать, из воздуха, в котором витали и трепались всевозможные идеи. В трепе физиков сырые идеи соединяются с идеями здравыми и остроумными, но не настолько определенными, чтобы их предлагать мировой научной публике в “Цайтшрифте”. А чтобы поздравить с днем рождения, годится и ЖРФХО. Авторство идей, сложенных в такого рода статью, малосущественно. Почему Аббат не записан среди авторов? Быть может, в тот день его отвлекли какие-то другие дела, скажем, астрономические. А скорее, он уклонился от участия в самой затее. При полнокровном чувстве юмора он был человеком морально более серьезным, чем его друзья.
Как и предполагали мушкетеры, редакция ЖРФХО благосклонно отнеслась к их вкладу в мировую науку. Но поздравительное посвящение изъяли, чтобы к мыслям ученых мужей не примешивать ненаучные чувства. Уцелела, однако, дата в конце статьи, совпадающая с днем рождения невольной виновницы самой затеи.
Когда пять лет спустя Бронштейн развил и опубликовал свой cGh-взгляд на физику, он не сослался на статью своих друзей, что было бы для него немыслимо, если бы идея была не его. Человек высокой морали, он ссылался даже на устные замечания.
В понимание cGh-физики Бронштейну еще предстояло сделать важный вклад, но рассказ об этом следует начать с событий 1916 года, когда будущие участники Джаз-банда были еще детьми.
Глава 9
Как не состоялась ch-революция и родилась cGh-проблема
Квантовая гравитация во Вселенной 1916 года
Спустя несколько месяцев после триумфального завершения своей теории гравитации Эйнштейн понял, что она… неверна. Изучая следствия новой теории, он обнаружил, что гравитация не только искривляет лучи света – любая планетная система излучает гравитационную энергию. И первым делом он подумал о самых многочисленных планетных системах – об атомах, где вокруг звезды-ядра движутся планеты-электроны.
Всего лишь в 1913 году Нильс Бор спас эти планетные системы от неминуемо быстрой гибели, грозившей им в силу законов электродинамики: двигаясь по орбите, электрический заряд должен излучать электромагнитные волны и терять свою энергию, притом очень быстро – за миллиардную долю секунды электрон должен врезаться в ядро. Чтобы предотвратить такой коллапс атома, Бор предположил, что помимо законов электродинамики действуют и новые – квантовые – законы, запрещающие электрону излучать, пока он находится на одной и той же орбите, и разрешающие излучить соответствующую разность энергий при переходе – квантовом “перепрыге” – с одной орбиты на другую.
Теперь же, три года спустя, в 1916 году, Эйнштейн увидел, что атому грозит новая опасность – гравитационное высвечивание:
Из-за внутриатомного движения электронов атом должен излучать энергию не только электромагнитную, но и гравитационную, хоть и ничтожное количество. Поскольку реально в природе такого быть не может, то, видимо, квантовая теория должна изменить не только электродинамику Максвелла, но также и новую теорию гравитации.
Отсюда ясно, что Эйнштейн не считал боровскую h-модель атома подлинной теорией, но осознал также, что и выстраданная им cG-теория гравитации требует h-доработки. “Ничтожность” гравитационного высвечивания он не показал количественно – и правильно сделал. Если в его общую формулу гравитационного излучения подставить параметры атомной планетной системы, то время “гравитационной гибели” атома измерялось бы не миллиардной долей секунды, а миллиардами миллиардов лет! По сравнению с этим ничтожна даже нынешняя оценка возраста Вселенной (десяток миллиардов лет), хотя в 1916 году выражение “возраст Вселенной” еще не имело смысла в физике. Так что никакой наблюдаемой опасности для атомов не было.
Вера Эйнштейна в то, что “реально в природе такого быть не может”, относилась не столько к атомам, сколько к его представлению о Вселенной за полгода до публикации его космологии. Идея об эволюции Вселенной была тогда для него чуждой, а в неизменной Вселенной, существующей вечно, смертность атомов недопустима независимо от продолжительности их жизни.
В 1929 году, после признания факта расширения Вселенной и оценки ее возраста, довод Эйнштейна о необходимости квантовать гравитацию потерял силу, но теоретики уже были выше этого. По воле истории именно в 1929 году основатели квантовой механики (то есть h-теории) Гейзенберг и Паули изложили метод квантования электродинамики (то есть построения сh-теории) и заявили, что “квантование гравитационного поля проводится без каких-либо новых трудностей с помощью метода, аналогичного нашему”.
Оптимизм этот подразумевал квантование приближенных уравнений слабой гравитации, что и проделал в 1930 году Леон Розенфельд. Работая под руководством Паули, он отвечал на вопрос Гейзенберга: не бесконечна ли энергия поля в квантовой электродинамике с учетом гравитации света. По расчетам Розенфельда, эта энергия действительно бесконечна, что обнаружило “новую трудность для квантовой теории волновых полей Гейзенберга – Паули”. При этом Розенфельд, однако, не объяснил, как можно доверять бесконечности, полученной в предположении слабого поля.
Даже не вникая в эти хитрости, ясно, что, если в расчетах появляется бесконечность, значит, что-то не в порядке с самой теорией. Помимо этого, в конце 1920-х годов появились и другие причины ожидать, что подлинная ch-теория принесет в физику революционные перемены, не меньшие, чем принесли теория относительности и квантовая механика.
Так думали почти все фундаментальные теоретики… кроме Эйнштейна. Параллель между электродинамикой и гравитацией, подразумеваемая в его замечании 1916 года, к началу 20-х годов превратилась в его убеждение о глубинном родстве двух сил и в стремление соединить их в некой новой обобщенной сG-теории, следствиями которой стали бы и квантовые свойства. Это убеждение увело Эйнштейна из живой бурлящей науки к миражу Единой теории поля. Некоторые называют это трагедией, хотя сам он сохранял оптимизм, сдобренный иронией. Но уж точно то была драма.
Прежде всего – драма возраста. Последний существенный вклад в физику Эйнштейн сделал в 1925 году, оценив и развив идею 30-летнего индийского теоретика Бозе, в результате чего в науку вошли “статистика Бозе – Эйнштейна” и “конденсат Бозе – Эйнштейна”. Непочтительные физики по этому поводу говорят, что “Эйнштейн почил в Бозе”. Великому теоретику было тогда всего 46 лет, но, судя по истории физики, это многовато для фундаментально новых идей.
Эйнштейну можно не сочувствовать – судьба дала ему двадцать поразительно плодотворных лет. Он по-прежнему слушал свою интуицию, а не общественное мнение. Интуиция, однако, повела его “не туда”, и резко ослабла восприимчивость к новым фактам. Его размышления об истории идей и людей науки остались увлекательно-проницательными до конца его дней, но для новых идей он все более закрывался, как, например, для идей Фридмана и Леметра.
В 20-е годы стремление объединить гравитацию и электромагнетизм можно было оправдать тем, что других сил и не было известно. В 30-е же появились свидетельства о двух новых типах взаимодействия в микромире. А главное – мотив объединить теории “для красоты” радикально отличался от мотивов успешного новаторства Эйнштейна: объяснить новый факт, как в случае фотоэффекта, или устранить противоречие, что привело к теории относительности, к теории гравитации и даже к необходимости ее квантовой “модернизации”, о чем он говорил вплоть до 1918 года.
Радикальный поворот, можно сказать, переворот, произошел в 1919–1921 годах, когда Эйнштейн надел на себя шоры Единой теории поля и не снимал их до конца жизни. Трудно уйти от мысли, что в этом сыграл свою роль беспримерный триумф 1919 года, когда экспедиция Эддингтона во время солнечного затмения подтвердила “чисто” теоретическое предсказание Эйнштейна об отклонении света. При всей его самоиронии испытание медными трубами выпало на долю Эйнштейна сильнейшее. На него накинулись репортеры, издатели и просто поклонники знаменитостей:
Хлынул поток газетных статей, и страшное наводнение запросов и приглашений затопило меня так, что мне снится, будто я жарюсь в аду, а почтальон – это сам сатана; он рычит на меня не переставая и швыряет мне в голову очередную кипу писем, между тем как я еще не успел ответить на старые.
Адское наводнение славой могло усилить и без того неслабое доверие Эйнштейна к своей интуиции и сделать это доверие слепым. Так, по крайней мере, думали молодые физики Джаз-банда: неужели великий физик не понимает, что из сколь угодно обобщенной сG-теории не выведешь h-физику, если из констант с и G невозможно получить величину размерности h?!
А может, Эйнштейн попросту зазнался? Для мании величия оснований у него было больше, чем у многих, но признаков такой мании не видно. Скорее наоборот. Свое величайшее достижение – теорию гравитации – он поставил под (квантовый) вопрос в год ее создания. А спустя двадцать лет, когда теорию уже экспериментально подтвердили и она заняла свое почетное место, он сравнил ее со зданием, “одно крыло которого сделано из благородного мрамора [геометрия пространства-времени], а другое – из низкосортного дерева [описание массы-энергии]”. С такими разными крыльями высоко не поднимешься. Поэтому Эйнштейн и пытался перестроить фундамент глубоко внизу, чтобы на новой основе возвести новое здание полной физической теории.
Так или иначе, к 1930-м годам жизнь Эйнштейна все более разъединялась с жизнью фундаментальной физики. И его не занимали новые проблемы, предвещавшие новый кризис и новую революцию в физике.
Правообладателям!
Это произведение, предположительно, находится в статусе 'public domain'. Если это не так и размещение материала нарушает чьи-либо права, то сообщите нам об этом.
