Текст книги "Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации"

Глава 10
Физики в Горячей Вселенной

“Работа в области теории взрыва”

Даже те физики, кто ощущали себя гражданами Вселенной, в середине двадцатого века точно знали о своем паспортном гражданстве. Об этом им повседневно напоминала земная политическая реальность, разделенная на две части железобетонным занавесом “холодной войны”. Физика дала главное оружие той войны – ядерное.

Этот научно-политический факт иногда сопровождают ехидные слова о бессмысленности страшного оружия, поскольку обе сверхдержавы не желали его применять. Другие утверждают, что само наличие сверхоружия предотвратило третью мировую войну. Изобретатель советской водородной бомбы Андрей Сахаров говорил осторожнее: “Мы себя успокаиваем тем, что отодвигаем возможность войны”. И действительно, трудно с определенностью назвать причину того, что не произошло.

Однако некоторые важные события в истории цивилизации определенно стали побочными результатами нового оружия.

Прежде всего так называемое “покорение Космоса”. Именно для доставки ядерного оружия к заморским целям СССР начал форсированную программу баллистических ракет. Вес задуманного Сахаровым термоядерного “изделия” существенно превысил вес человека, и лишь поэтому возникла возможность отправить человека в космос.

Не столь масштабным, но прямым следствием нового оружия стало в 1946 году название купальника, который произвел эффект разорвавшейся ядерной бомбы. Купальник назвали “бикини”, в честь атолла, где США впервые несекретно испытали ядерное оружие в том же 1946 году.

Менее заметную прибыль от “холодной ядерной войны” получила чистая наука, а наибольшую получила наука о самом большом – космология, абсолютно мирная, практически бесполезная и мало кому из физиков интересная в 1940–1950-е годы.

Тогдашнее состояние космологии было удручающим. Теория Фридмана – Леметра не могла справиться с парадоксально короткой шкалой времени – Вселенная оказывалась моложе своих звезд. Это стало одной из причин появления новой – стационарной – космологии, согласно которой Вселенная всегда была, есть и будет одной и той же для любого наблюдателя. Стационарная космология не следовала из какой-либо физики, зато из нее следовала новая физика. Чтобы восполнить наблюдаемое разбегание галактик, постулировалось постоянное вселенское рождение вещества “из ничего”. Темп рождения вещества требовался настолько малый, что был вне пределов экспериментальной проверки.

Сейчас трудно поверить, что столь нефизическая космология могла серьезно противостоять теории Фридмана – Леметра, а значит, и теории гравитации Эйнштейна. Авторы стационарной космологии, видные астрофизики во главе с Фредом Хойлом, конечно же знали и теории, и наблюдательные факты. Но они слишком всерьез принимали то, что единственный тогда наблюдательный факт вселенского масштаба – закон красного смещения и разбегание галактик – не укладывался в теорию Фридмана – Леметра. И в насмешку над “безответственными” теоретиками, которые игнорировали это несоответствие, Хойл назвал их “голливудски-эффектную” космологическую картину теорией Большого взрыва.

В конце 1950-х годов астрономы исправили свои оценки внегалактических расстояний, в результате чего космологическая шкала времени удлинилась почти в десять раз. Это устранило главную – уже тридцатилетнюю – проблему релятивистской космологии, однако сторонники стационарной космологии упорствовали, подкрепляя себя философскими доводами вроде суперпринципа Коперника, то есть утверждая, что во Вселенной не только нет какого-то уникально выделенного места, которое можно было бы назвать ее центром, но нет и никакого выделенного момента времени вроде момента Большого взрыва. Классическую фразу “Ничто не ново под луною” стационарная космология дополнила “…и над луною”.

Противостояние двух космологий длилось более пятнадцати лет и завершилось после открытия в 1965 году второго наблюдательного факта вселенского масштаба – космического фонового излучения, идущего равномерно со всех сторон, а не от каких-то определенных источников. Излучение это тепловое, подобно тому, что ощущается рядом с печкой, но печкой, которая лишь на три градуса теплее абсолютного нуля. Это сверхслабое излучение американские экспериментаторы открыли случайно, но не случайно открыли его при разработке высокочувствительной радиосвязи со спутниками, что стало практическим вкладом “оборонки” в космологию. В странном излучении теоретики опознали наследство Большого взрыва, оставленное в горячий момент ранней Вселенной, когда вещество и излучение только что расцепились, продолжая дальнейшую жизнь врозь.

Задолго до того другие экспериментаторы несколько раз натыкались на это излучение и публиковали свои непонятные результаты, которые, однако, никого не зацепили. Тогда теоретики были заняты совсем другим и совершенно секретным – термоядерным – делом. Лишь к концу 50-х годов в США и в начале 60-х в СССР из самой гущи событий в разработке термоядерного оружия вышли мощные лидеры, благодаря которым гравитация, релятивистская астрофизика и космология стали областью активных исследований. Эти физики – Джон Уилер и Яков Зельдович – страстные исследователи, широко открытые к научному общению, сходным образом круто изменили свои научные интересы при всех советско-американских различиях. Уилер в 1955 году заново открыл сGh-границы применимости эйнштейновской теории гравитации. Зельдович стал автором первых советских книг по релятивистской астрофизике и космологии, где, в частности, изложил сh-обоснование расширения Вселенной (“нестарение” фотонов), данное М. Бронштейном.

При этом Зельдович говорил, что “прошлое Вселенной бесконечно интереснее прошлого науки о Вселенной”. Быть может, потому, что для понимания истории науки – даже такой чистой науки, как космология, – одной лишь науки недостаточно. Особенно когда речь идет о повороте от физики супербомб к физике Вселенной. Объясняя этот крутой поворот в своей научной автобиографии, семидесятилетний Зельдович сказал об “атомной проблеме”, которая его в свое время “целиком захватила”:

В очень трудные годы страна ничего не жалела для создания наилучших условий работы. Для меня это были счастливые годы. Большая новая техника создавалась в лучших традициях большой науки <…> К середине 50-х годов некоторые первоочередные задачи были уже решены… Работа в области теории взрыва психологически подготавливала к исследованию взрывов звезд и самого большого взрыва – Вселенной как целого… Работа с Курчатовым и Харитоном дала мне очень много. Главным было и остается внутреннее ощущение того, что выполнен долг перед страной и народом. Это дало мне определенное моральное право заниматься в последующий период такими вопросами, как элементарные частицы и астрономия, без оглядки на практическую ценность их.

О бомбах тут прямо не сказано, но, переводя с советского языка на обычный русский, получим такую картину. К концу 1950-х годов (в США несколько раньше) теоретическая физика термоядерного оружия исчерпалась (сменившись физикой инженерной). Первоочередная задача “большой новой техники” действительно была решена: американские и советские физики совместными усилиями создали для политиков “бич Божий”. Его назвали “взаимно-гарантированное уничтожение” – способность каждой из сверхдержав уничтожить другую, даже после внезапной атаки противника.

Руководители сверхдержав, осознав связь “большой новой техники” и “большой науки”, испытывали почтение к тем, кто эту связь осуществил, и предоставили им возможность заниматься чем они хотят, надеясь, что их новые занятия тоже приведут к какой-то новой технике. Тем более что на теоретические исследования денег надо совсем немного.

“Работа в области теории взрыва” если и готовила к космологии, то лишь приучая к дистанции между теорией и ее проверкой и, соответственно, приучая теоретика к смелости. Термоядерную бомбу физики создавали, не имея возможности проверять свои расчеты на маленьких, пробных, лабораторных бомбочках. Сначала полная теория, и только потом полномасштабный мегатонный взрыв… или пшик. Космология с этим сопоставима не масштабами, а психологией: нужна большая смелость (если не наглость), чтобы решиться строить теорию столь ненаблюдаемого объекта, как Вселенная миллиарды лет назад.

Зельдович хотел заниматься научными вопросами “без оглядки на практическую ценность их”. Для физиков его калибра к концу 1950-х годов термоядерное оружие исчерпало свою теоретическую ценность, а от его практической ценности хотелось уйти куда подальше. Дальше, чем в космологию, уйти было трудно.

В СССР сделать это было особенно трудно и особенно интересно. Прежде всего потому, что в конце 1930-х годов космология стала жертвой правящей советской идеологии, еще до генетики и кибернетики. Главными пороками всех этих наук объявили идеализм, поповщину и буржуазность. Крамольным стало выражение “расширение Вселенной”, а слово “космология” попросту изгнали из словаря. Зато в ходу было слово “невозвращенец” для обозначения советских граждан, которые не возвратились из командировок за рубеж, став автоматически изменниками родины. И, как назло, именно «невозвращенец» Георгий Гамов сделал следующий шаг в теории расширяющейся Вселенной.

В реабилитации космологии в СССР больше всего заслуг у трижды Героя Социалистического Труда и (по секрету) главногo теоретика советской атомной бомбы – Зельдовича. В 1961 году он опубликовал свою первую работу по космологии, а затем две большие обзорные статьи в главном физическом журнале “Успехи физических наук”. Еще одной его заслугой перед космологией было то, что он увлек туда за собою другого трижды Героя, Андрея Сахарова – главного теоретика советской водородной бомбы.

Георгий Гамов – прадед водородной бомбы

С космологией Гамов познакомился еще студентом, слушая лекции самого Фридмана, вскоре после открытия динамичной Вселенной. Хотел работать под его началом, если бы не смерть 37-летнего профессора. Вряд ли, впрочем, из намерения Гамова получилось бы что-то путное – слишком далек он был по характеру мышления от математика Фридмана, нацеленного тогда на динамическую метеорологию – задачу предсказания погоды. Космологическая задача, прославившая Фридмана, для него была лишь отвлечением, хоть и очень интересным.

Физический талант Гамова совершенно не вписывался в программу динамики атмосферы. Этот талант обходился минимальной математикой и опирался на сногсшибательное легкомыслие, которое бывает трудно отличить от научной смелости. Главный урок Фридмана, укрепивший смелость Гамова, учил, что даже великий Эйнштейн мог ошибаться.

Описывая свое отношение к науке, Гамов сравнивал себя с пауком, который притаился на краю большой паутины, поджидая легкую добычу. А заметив, что в сеть попала какая-то муха, бросался к ней. То, что первую свою муху Гамов поймал в альфа-распаде, – это отчасти удача, отчасти смелость. Он интересовался всей физикой – от самой маленькой альфы в ядерной физике до самой большой Омеги в космологии, очередь до которой дойдет двадцать лет спустя. Гораздо меньше его интересовала водородная бомба, которой он занимался в 1949–1950 годах.

Титул “отец водородной бомбы” давно бытует в ненаучно-популярных текстах. Почему-то не говорят о дедушках, а ведь без них не было бы и отцов. Гамов имеет право на титул “прадеда водородной бомбы”, и даже сразу двух – и американской и советской. При этом никакой мрачной тени на него не падает, хотя его собственная тень появилась в совершенно секретной хронологии водородной бомбы, подготовленной в 1953 году в Конгрессе США в связи с разбирательством, кто мешал созданию американской водородной бомбы: “As early as 1932 there were suggestions by Russian scientists and others that thermonuclear reactions might release enormous amounts of energy”, или на родном языке Гамова: “Еще в 1932 году русскими учеными и другими высказывались соображения, что термоядерные реакции могли бы привести к высвобождению огромных количеств энергии”.

Факт истории – то, что русский Гамов совместно c австрийцем Хоутермансом и англичанином Аткинсоном первыми занялись теорией термоядерных реакций. Ну, а факты политики начала 1950-х годов побудили авторов совсекретного документа напомнить о русской опасности, не указывая, что русский термоядерный пионер давно живет в США.

Авторы той историко-политической хронологии не знали тайного вклада Гамова в успех советской водородной бомбы. В 1931–1932 годах он пытался создать в Ленинграде Институт теоретической физики. Его старания привели к основанию Физического института Академии наук – ФИАНа, который переехал в 1934 году в Москву и стал убежищем для научной школы академика Леонида Мандельштама. Именно выпускники этой школы Андрей Сахаров и Виталий Гинзбург в конце 40-х годов выдвинули ключевые идеи первой советской водородной бомбы.

Зато хорошо известна роль Гамова в истории американской водородной бомбы. Когда ему в 1934 году предложили должность профессора в университете имени Джорджа Вашингтона, он попросил университет пригласить еще одного теоретика – чтобы было с кем говорить о теоретической физике. И предложил венгерского физика Эдварда Теллера, с которым подружился в Институте Бора и который маялся тогда в Европе в поисках места. Вряд ли надо напоминать, что Эдвард Теллер стал “отцом американской водородной бомбы”.

Отвечая на вопрос о роли Гамова в этом отцовстве, Теллер писал:

Джо был полон идеями, в основном ошибочными. Однако у него было чудесное свойство не обижаться на критику и даже с готовностью ее принимать. В тех же, относительно немногих, случаях, когда он не ошибался, его идеи были по-настоящему плодотворны.

Гамову требовалась математическая помощь, которую он получал от коллег и соавторов. Например, работая над теорией альфа-распада, он просил Фока: “Владимир Александрович, миленький, выведите, пожалуйста, формулу такую-то еще раз, а то я потерял тетрадь с записью”.

Пора пояснить, как советский физик Георгий Гамов стал американским, тем самым узаконив свое студенческое прозвище Джо. Тем более что в этом рассказе появится и подсказка к его вкладу в космологию.

Мы расстались с Гамовым, когда он, игнорируя всеобщее ожидание революционной перестройки физики, решил ядерную проблему альфа-распада. Решил он эту проблему за границей, но достижение сразу заметили на родине в главной пролетарской газете “Правда” (с помощью пролетарского поэта Демьяна Бедного):

 
СССР зовут страной убийц и хамов.
Недаром. Вот пример: советский парень Гамов.
– Чего хотите вы от этаких людей?!
– Уже до атомов добрался, лиходей! —
 

негодовал поэт от имени буржуя. А от своего имени революционно подытожил: “В науке пахнет тож кануном Октября”.

Три года спустя Гамов стал членкором Академии наук СССР, самым молодым физиком в ее истории. Но стать самым молодым академиком ему не довелось. Чувствовал он себя на родине неуютно.

В СССР он приехал осенью 1931 года не с пустыми руками, а с приглашением на Первый международный конгресс по ядерной физике в Риме – сделать один из главных докладов. “George Gamow (Soviet Union)” – значилось в повестке конгресса. Большая честь для молодого физика и, казалось бы, для его родины. Но советская родина почему-то не пустила Гамова на конгресс. Это было ужасно обидно, хотя можно было еще думать, что причина – неповоротливость советской бюрократии: не успели оформить нужные бумаги, ну, что поделаешь… Однако, когда Гамову не дали воспользоваться приглашением Нильса Бора на конференцию в свой институт и еще несколькими приглашениями, стало ясно: началась какая-то другая страница истории. Теперь мы знаем, что начала строиться сталинская стена, отделившая Россию от остального мира на долгие полвека.

Гамова взял на работу Радиевый институт, директор которого – академик Владимир Вернадский – понимал, что “одаренная для научной работы молодежь есть величайшая сила и драгоценное достояние человеческого общества, в котором она живет, требующая охраны и облегчения ее проявления”. Именно он выдвинул кандидатуру 27-летнего Гамова в Академию наук.

Вольной птице в клетке не поется, даже если ей присвоить почетное звание. Гамов пытался выскользнуть из клетки: то на байдарке по Черному морю, нацелившись на турецкий берег, то на северных оленях, нацелившись на Финляндию. По примеру знаменитой лягушки “дрыгал лапками”. Увы, клетка была не квантовая, и не было возможности туннельно просочиться сквозь стенку. На счастье Гамова, в 1933 году дверца клетки приоткрылась. Гамова командировали на важный научный конгресс, откуда он уже не вернулся, став “невозвращенцем”, – что по тогдашним советским законам каралось смертной казнью.

Как отнесся Вернадский к решению Гамова? Несомненно, с горечью, но вряд ли безоговорочно осуждая. По его словам,

ученый по существу интернационален – для него на первом месте, раньше всего, стоит его научное творчество, и оно лишь частично зависит от места, где оно происходит. Если родная страна не даст ему возможности его проявить, он морально обязан искать этой возможности в другом месте.

Незаконное рождение Горячей Вселенной

Гамов не упомянул Вернадского в своей автобиографии “Моя мировая линия”, но его космологическая идея обязана и науке Вернадского – геохимии, которая занимается распространенностью химических элементов на Земле. Вернадский понимал, что эта общая проблема включена в историю самой планеты, то есть в космическую историю Солнечной системы. Гамов, несомненно, слышал об этом в Радиевом институте, а в его первой статье о космологии 1946 года есть ссылка на книгу по геохимии, откуда он взял данные о распространенности элементов.

Гамов взялся за космологии, надеясь теоретически объяснить эти данные – объяснить происхождение химических элементов во Вселенной. В то время считалось, что нынешняя пропорция элементов зафиксировалась в некий ранний момент расширения Вселенной, когда – из-за уменьшения плотности и охлаждения – активные ядерные реакции прекратились. А до того момента, как считалось, имелось ядерно-тепловое равновесие между разными ядрами. Однако равновесные расчеты давали ничтожную долю тяжелых элементов, вопреки данным геохимии.

Гамов предположил иной – неравновесный – сценарий: в быстро расширяющейся Горячей Вселенной из первичного чисто нейтронного вещества при уменьшении плотности начинают образовываться протоны, к которым последовательно прилипают нейтроны, образуя все более тяжелые ядра, пока расширение Вселенной не остановит этот процесс. Эта идея Гамова оказалась очень плодотворной, хоть и… ошибочной. Ошибочной, потому что последовательное добавление нейтронов обрывается очень рано – не существует устойчивых ядер с массой 5, и перепрыгнуть через этот барьер не удавалось. А плодотворной стала сама возможность неравновесной физики.

Теоретики предполагали равновесие, в сущности, по той же причине, по которой потерянные ключи ищут под фонарем – там светлее и, значит, легче искать. Лучше все же сообразить, где примерно ключи могли выпасть, и искать там, хоть и ощупью. Так и условия ранней Вселенной лучше не постулировать “для простоты”, а извлечь из них следствия, которые после сравнения с наблюдениями скажут нечто о процессах в начале космологического расширения. Так впоследствии получили соотношение легких элементов космологического происхождения – водорода и гелия, подтвердив предположение Гамова о том, что ранняя Вселенная была горячей.

Первыми же пользу из идеи неравновесности извлекли главные оппоненты Гамова – сторонники стационарной космологии. Они разработали теорию рождения тяжелых элементов во взрывах звезд, и ныне это – общепринятое представление о происхождении основного вещества планет, включая все живое. Уже поэтому космология имеет отношение к жизни. Без того чтобы взрывы первого поколения звезд в юной Вселенной накопили элементы тяжелее гелия, известная нам форма жизни была бы невозможна.

Однако сама стационарная космология не выдержала другого следствия из идеи Горячей Вселенной – космического реликтового излучения. Гамов и его сотрудники несколько раз оценивали температуру этого излучения, хоть и не для того, чтобы озадачить радиоастрономов своим предсказанием. Они хотели убедиться в разумности своего сценария: если получилась бы слишком большая температура, сценарий пришлось бы забраковать. Его забраковали, как уже сказано, по совсем другой причине, но представление о фоновом космическом излучении и его малой температуре жило своей жизнью и дождалось случайного открытия в 1965 году!

И Гамов дождался триумфа правильного следствия из его ошибочной идеи. Эту удачу он заслужил, расширив горизонт физического подхода к ранней Вселенной и не отступив от космологии Фридмана в трудное для нее время.