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

Гравитация как упругость вакуума

Распад протона, который ищут экспериментаторы, волнует также и теоретиков, ищущих так называемое Великое объединение – теорию, объединяющую все фундаментальные силы природы, за исключением гравитации. А вторая идея, которую судьба подарила Сахарову в 1967 году, нацеливалась именно на гравитацию.

К тому подарку был причастен Зельдович, решивший заполнить пустоту… вакуумом – пустое пространство-время эйнштейновской теории гравитации заполнить квантовым вакуумом микрофизики.

Пустое пространство-время в ch-теории тогда уже не напоминало ящик без стенок, наполненный тиканьем невидимых часов. Еще в конце 1940-х годов экспериментаторы подтвердили то, о чем теоретики говорили с начала 1930-х. Если из какого-то сосуда удалить все содержащееся в нем вещество, то останется не безжизненная пустота, как можно подумать “невооруженным мозгом”, а скрытно бурлящая жизнь: непрестанное рождение и аннигиляция частиц и античастиц. И это безостановочное бурление заметили “вооруженным глазом” экспериментаторы, оно, попросту говоря, меняет цвет пламени. Меняет очень мало, но физики ухитрились заметить. И скучная пустота заслужила научно-латинское имя “вакуум”.

Экспериментаторы разглядели вакуум через микроскопы-спектроскопы, а теоретик Зельдович предложил высмотреть его в телескоп. Он придумал, как объяснить астрономические данные о странном распределении квазаров. Для этого требовалось, чтобы Вселенная в прошлом расширялась некое время очень медленно. Такое поведение могла обеспечить космологическая постоянная в уравнениях Эйнштейна. Однако в 60-е годы эта величина считалась историческим курьезом. Эйнштейн ее породил, и он же ее почти убил. Породил ради статической Вселенной, а решил убить, узнав, что динамическая космология возможна и без нее. Зельдович вдохнул в нее физическую жизнь, предположив, что она – результат физики ch-вакуума, что энергия вакуума оказывает гравитационное действие, влияя и на темп расширения Вселенной.

О своей идее Зельдович рассказал на семинаре, но не нашел сочувствия. Идея противоречила тогдашнему представлению о том, что вакуум воздействует лишь на элементарные частицы, а для объектов комнатных и космических размеров вакуум остается прежней пустотой. Физиков не впечатлил и повод, побудивший Зельдовича сказать столь новое слово в науке, и в этом они оказались правы: астрономический факт, возбудивший творческую фантазию Зельдовича, растворился в новых наблюдениях.

Сахаров от самого Зельдовича узнал, что теоретики не приняли его идею:

После семинара Зельдович позвонил мне по телефону и рассказал содержание своей работы, очень мне сразу понравившейся. А через несколько дней я сам позвонил ему со своей собственной идеей, представлявшей дальнейшее развитие его подхода.

Судьба подготовила Сахарова к восприятию новой идеи, независимо от ее астрономического повода. О квантовом вакууме Сахаров размышлял еще в 1948 году, накануне его высылки из большой науки в “большую технику”. Двадцать лет спустя он не просто поддержал Зельдовича, а увидел, что микрофизика могла бы объяснить гравитацию на самом глубоком уровне – на том, куда гравитация, возможно, и уходит своими корнями.

Квантовое бурление вакуума Зельдович суммировал одной величиной – плотностью энергии, малая величина которой сказалась бы лишь на астрономически больших расстояниях. А Сахаров саму гравитацию решил объяснить как свойство квантового вакуума. Он предположил, что гравитации – школьного Ньютонова тяготения – в сущности, нет. А что же есть? Есть упругость вакуума, которая и приводит ко всем проявлениям всемирного тяготения – от падения яблока до расширения Вселенной.

Но если идея Сахарова “отменила” гравитацию, почему же она так понравилась виднейшей фигуре в гравитации – Джону Уилеру, который с энтузиазмом говорил об этой идее в своих статьях и в фундаментальной монографии “Гравитация”? Потому что главным для Уилера было не то, чтобы любой ценой сохранить эйнштейновскую теорию гравитации, а чтобы по-настоящему ее понять, то есть решить трудные вопросы этой теории. Важнейший из таких вопросов – квантование гравитации.

Идея Сахарова открыла новый взгляд на эту неприступную крепость, давно осажденную теоретиками. В то время как его коллеги, расположившись вокруг бастиона боевым лагерем, обдумывали, какими катапультами и стенобойными орудиями проломить толстые стены, Сахаров увидел подземный ход, ведущий в центр крепости. Он предложил всерьез отнестись к тому, что во всех точках пространства-времени бурлит жизнь вакуума, и учесть воздействие этого бурления на поведение обычных физических объектов. Надежда была на то, что следствием полной квантовой теории вакуума станет эйнштейновская теория гравитации с ее искривленным пространством-временем, с ее звездным коллапсом и расширением Вселенной. А уж из эйнштейновской теории, когда гравитация не очень сильна, следует Ньютонов закон тяготения.

Тот, кто помнит вид этого закона по школьному учебнику,

F = GmM/r²,

может спросить, откуда возьмется величина гравитационной постоянной G. Сахаров исходил из того, что в полной теории микромира возникнет новая константа – фундаментальная длина l, указывающая границу применимости геометрических представлений, известных со времен Евклида. На расстояниях, меньших l, обычные понятия пространства и времени должны замениться какими-то другими понятиями – гораздо более глубокими и менее наглядными, что предсказал еще Матвей Бронштейн. Какими именно понятиями, подход Сахарова позволяет пока не уточнять. И позволяет теоретикам продолжать поиск полной теории элементарных частиц. Однако предлагает стратегический план, как этот поиск совместить с пониманием квантовой гравитации. Если эта стратегия увенчается успехом, то из микрофизической длины l возникнет константа G, управляющая падением яблок и движением планет.

В новой микрофизической длине l естественнее всего предположить уже известную нам сGh-длину:

l = l_cGh = (hG/c³)^1/2 ≈ 10^-33 см.

Эту формулу можно переписать в виде:

G = l²c³/h,

чтобы увидеть гравитационную константу как результат квантовой физики вакуума, определяемой константами l, c и h. И тогда вместо “сGh-” надо будет говорить о сhl-физике (ставя константы в историческом порядке).

Свой подход Сахаров назвал: “гравитация как упругость вакуума”. Чем же это похоже на обычную упругость, знакомую каждому безо всякой науки? Делая первые луки, люди интуитивно учитывали упругость дерева, не догадываясь, что упругость определяется силами сцепления между молекулами. Конструктору лука стоит изучать строение вещества, лишь если его не устраивает метод проб и ошибок – перебор материалов наугад.

Аналогично, чтобы описать движение под действием тяготения Земли, достаточно просто знать величину G – коэффициент упругости вакуума согласно Сахарову. Но чтобы узнать, что произойдет со звездой в результате ее коллапса или как начиналось расширение Вселенной, не обойтись без знания полной квантовой теории вакуума.

“Мировая наука и мировая политика” в 1967 году

Механизм барионной асимметрии, изобретенный Сахаровым в 1967 году, – до сих пор единственный путь объяснить наблюдаемое соотношение вещества и антивещества, но все же пока это – гипотеза. А идея объяснить гравитацию свойствами микромира до сих пор остается лишь общей стратегической идеей.

Поэтому, оценивая эти идеи, коллегам Сахарова приходится полагаться на ту силу разумного чувства, которая называется интуицией. Разнообразие интуиций необходимо для успеха совместного научного поиска, но разнообразие интуиций ведет к различию оценок. К примеру, Сахаров назвал одной из лучших идей Зельдовича ту, которая родилась “у забора” астрономии. Сам Зельдович так не думал – в научной автобиографии 1984 года об этой идее ни слова. Некоторые трезвомыслящие теоретики не склонны придавать серьезное значение идее об упругом вакууме, пока она не доведена до настоящей теории – “цыплят по осени считают”. Другие же ценят эту идею более всего сделанного Сахаровым в чистой науке, видя в ней следующий после Эйнштейна шаг к раскрытию физической природы гравитации.

Предоставляя истории окончательное суждение, можно тем не менее сказать: теоретик, в течение одного (1967) года выдвинувший две столь новаторские идеи, мог радоваться. Особенно если этот теоретик нес на себе еще и бремя ведущего разработчика термоядерного оружия.

Бремя это с Сахарова сняли руководители страны в 1968 году, лишь только на Западе опубликовали его “Размышления о прогрессе, мирном сосуществовании и интеллектуальной свободе”. Физик-теоретик принял свое решения, опираясь на тот же разум и ту же силу характера, что и в научных исследованиях. После распада СССР, когда открылись секретные архивы, выяснилось, что этот поступок Сахарова опирался на те же самые качества – проницательный анализ фактов и смелость мысли, которые определяли его научную жизнь.

У него были две профессии – физик-теоретик и эксперт по стратегическому оружию. Факты, доступные ему в силу его второй профессии, убедили его в некомпетентности советского руководства в проблемах стратегического равновесия – в области его полной компетенции. Произошло это, по совпадению, в том же 1967 году. Именно в том году на авансцену мировой политики вышла проблема стратегической противоракетной обороны.

Прежнее уравнение стратегического равновесия в мире, разделенном на два лагеря, имело два слагаемых – ядерно-ракетное оружие (ЯРО) и глубокое НЕДОВЕРИЕ к противной стороне:

ЯРО_СССР + НЕДОВЕРИЕ_СССР = ЯРО_USA + НЕДОВЕРИЕ_USA.

К концу 1950-х годов объем ЯРО вырос настолько, что каждая из сторон, даже будучи атакована, могла нанести другой “неприемлемый ущерб”, и это означало равновесие, пусть и равновесие страха. Равновесие не было абсолютно устойчивым из-за второго – нематериального – слагаемого, и Карибский кризис 1962 года показал это, подведя к самому порогу войны. Неизбежность возмездия удержала обе стороны от непоправимого. Развитие и накопление наступательного оружия не меняли суть устрашающего баланса, названного взаимно-гарантированным уничтожением.

Однако к 1967 году стало ясно, что в стратегическом уравнении может появиться новое слагаемое – стратегическая противоракетная оборона (СПРО):

ЯРО_СССР + СПРО_СССР + НЕДОВЕРИЕ_СССР = ЯРО_USA + СПРО_USA +НЕДОВЕРИЕ_USA

Реальных систем СПРО еще не было, но были проекты, модели и прошли первые испытания. Анализ нового уравнения привел Сахарова к парадоксальному выводу, что разворачивание соревнования в новом, вроде бы оборонительном, оружии увеличивает угрозу мировой войны. Источник опасности опять был в нематериальном слагаемом – в НЕДОВЕРИИ. В ходе гонки наступательно-оборонительных вооружений, неизбежно состоящей из временных отставаний и опережений, будут возникать моменты, когда руководство страны придет к выводу, что на данной стадии – на какое-то время – страна обеспечила себе противоракетный “зонтик”. Тогда возникнет соблазн покончить с противником раз и навсегда, нанеся стратегический удар и не опасаясь возмездия. Иначе это сделает противник, обеспечив себе – на какое-то время – противоракетный “зонтик”.

В секретном обстоятельном послании в Политбюро от 21 июля 1967 года Сахаров изложил свое понимание ситуации и предложил два конкретных шага.

Во-первых, принять американское предложение о моратории на СПРО, то есть убрать новое слагаемое из стратегического баланса. Сахаров не идеализировал руководителей США и допускал, что их предложение носит

конъюнктурный характер и обусловлено, вероятно, предвыборными соображениями, но объективно, по моему мнению и мнению многих из основных работников нашего института, отвечает существенным интересам советской политики, с учетом ряда технических, экономических и политических соображений.

Эти соображения Сахаров объяснил в своем письме и предложил

поймать американцев на слове, как в смысле реального ограничения гонки вооружения, в котором мы заинтересованы больше, чем США, так и в пропагандистском смысле, для подкрепления идеи мирного сосуществования.

Во-вторых, догадываясь, что предложение о моратории на СПРО инициировали американские эксперты, подобные ему, Сахаров предложил поддержать “группы зарубежной научной и технической интеллигенции, которые при благоприятных условиях могут явиться силой, сдерживающей ястребов”, напомнив, что “эти группы играли важную роль при подготовке Московского договора о запрещении испытаний”. Наилучшей поддержкой, считал он, стало бы открытое обсуждение новой стратегической ситуации в советской печати. И приложил к письму статью на эту тему “Мировая наука и мировая политика”, подготовленную вместе с известным журналистом Э. Генри. В статье, разумеется, не было секретных сведений, но главная мысль осталась: гонка противоракетной обороны значительно увеличила бы опасность ядерной войны, и роль ученых – разъяснить и предотвратить эту опасность.

В ответ на свое экспертное послание Сахаров получил указание не лезть со своими непрошеными советами. Сам по себе этот факт заслуживал размышлений теоретика и требовал действий от “отца” водородной бомбы, осознающего свою ответственность. В результате он написал большую статью “Размышления о прогрессе, мирном сосуществовании и интеллектуальной свободе” и отдал ее в “самиздат”.

Статью эту он послал также в Политбюро, не зная, что КГБ уже доставило туда экземпляр и что по указанию Брежнева члены Политбюро знакомятся с текстом. Спустя считанные недели после того, как Сахаров “стукнул по столу” своими “Размышлениями”, появился первый признак того, что советские лидеры изменили свою позицию и согласились начать переговоры с США. Переговоры завершились в 1972 году договором, важнейшей частью которого стал мораторий на СПРО.

Ну, а Сахаров, уже отлученный от секретного мира стратегических проблем, продолжал размышлять над ними и над теми политическими фактами, которые стали ему известны “экспериментально”. Проблема стратегического равновесия требовала учитывать социально-экономические возможности страны, включая эффективность науки и техники и эффективность государственных решений.

Теоретик-изобретатель

Сахарову закрыли въезд на Объект, где он жил и работал почти двадцать лет, но власти не знали, что делать с “шалавым политиком”, как выразился министр Среднего машиностроения, то бишь ядерных дел. 47-летний физик почти год был безработным, хоть и при своей средмашевской зарплате. В сентябре 1968-го он впервые участвовал в международной конференции (правда, на советской земле). Сделал доклад о гравитации как упругости вакуума и познакомился с Джоном Уилером, на которого его гипотеза произвела сильнейшее впечатление.

Весной 1969 года И.Е. Тамм, учитель Сахарова, предложил ему вернуться в Физический институт Академии наук, где он начинал свой путь в науке. В заявлении директору ФИАНа Сахаров пояснил:

В настоящее время я фактически не работаю по линии Министерства Среднего Машиностроения на работе, бывшей моим главным делом в 1948–68 гг. В ФИАНе предполагаю работать в области теории элементарных частиц. Мне потребуется некоторый срок для ликвидации пробелов в моих знаниях в этой области. Прошу официально запросить Министерство Среднего Машиностроения о моем переводе в ФИАН.

Сохранился и черновик его заявления в Средмаш с просьбой о переводе “в ФИАН для работы в области теории элементарных частиц”. Спустя полтора месяца Средмаш отпустил столь несреднего машиностроителя. Сахаров был заместителем научного руководителя Объекта, и его перевод согласовывался на самом верху.

Изображенная на черновике зловещая змеюка отражает отношение Сахарова к военно-промышленному комплексу. Этот термин ввел в 1961 году Президент США Эйзенхауэр, в прощальной речи предостерегая своих сограждан “от чрезмерного влияния военно-промышленного комплекса”.

В сентябре 1962-го Сахаров понял, что предостережение касается и его социалистической родины. Он пытался предотвратить дублирующее ядерное испытание, которое, он был уверен, не требовалось для обороноспособности страны. К тому времени он уже измерял мощность ядерного взрыва количеством будущих жертв от радиоактивного загрязнения атмосферы. Он выступил против военно-промышленных и научно-технических карьеристов, для которых еще одно испытание означало новые ордена, премии и повышения по службе. Гуманитарные тревоги “отца” советской водородной бомбы были им совершенно чужды. Он старается убедить министра, звонит Хрущеву. Но терпит поражение:

Ужасное преступление совершилось, и я не смог его предотвратить! Чувство бессилия, нестерпимой горечи, стыда и унижения охватило меня. Я упал лицом на стол и заплакал. Вероятно, это был самый страшный урок за всю мою жизнь: нельзя сидеть на двух стульях!

Его представление о советском государстве дало трещину. Это была не первая трещина, но кое-что важное ему удавалось делать. Так, например, он способствовал заключению Договора 1963 года о запрещении ядерных испытаний в атмосфере и этим гордился.

Даже после “Размышлений” 1968 года Сахаров, уже противостоя руководителям советского государства, “по мироощущению все еще был в этом государстве – не во всем с ним согласный, резко осуждающий что-то в прошлом и настоящем и дающий советы относительно будущего – но изнутри и с сознанием того, что государство это мое”.

Размышляя о противоракетном фронте “холодной войны”, Сахаров открыл “экспериментальный” факт, который определял судьбы страны и мира. Неустойчивое стратегическое равновесие угрожало превратить “холодную войну” в мировое самоубийство. Решение проблемы он нашел, соединив прогресс, международную безопасность и интеллектуальную свободу. Включение прав отдельной личности в решение мировых проблем многим казалось наивным прекраснодушием, но Сахаров изобретательно расширил средства, чтобы достичь желаемую цель – уменьшить и обезвредить слагаемое НЕДОВЕРИЕ в уравнении стратегического равновесия. Он осознал, что главная опасность не в самом по себе сверхмощном оружии, а именно в НЕДОВЕРИИ, которое и запускает оружие в действие.

Он понял, что в ядерно-ракетный век единственная надежная основа международной безопасности – права личности, включая интеллектуальную свободу. А уменьшить недоверие к данному правительству можно, лишь если это правительство станет доверять своим гражданам, обеспечит их права. Права, сформулированные в Декларации прав человека, принятой ООН еще в 1948 году, когда Сахаров изобретал первую советскую термоядерную бомбу. Двадцать лет спустя он обосновал связь между сверхмощным оружием, надежным миром и правами личности: само наличие сверхмощного оружия и стремление к миру вынуждает претворять Декларацию прав человека в жизнь.

Найдя такое изобретательно-теоретическое решение важнейшей мировой проблемы, Сахаров приступил к его осуществлению практическими действиями, чему посвятил последнее двадцатилетие своей жизни.

Теперь от чистой науки его отвлекало не бремя разработчика термоядерного оружия, а взятое на себя новое бремя – защита прав человека. Неужели это было ему столь же интересно, как теоретическая физика? Дело не в интересе, а в личном чувстве ответственности человека, который смотрит на мир взглядом фундаментального теоретика, а действует как практичный изобретатель. Сахаров осознавал, что его “отцовство” советской водородной бомбы защищает его более других, придает его мнению больший вес и, значит, возлагает на него особую ответственность.

В одном человеке таланты теоретика и изобретателя сходятся очень редко, поскольку требуют разных типов мышления и даже противоречат друг другу. Сочетание это удивляло близких коллег Сахарова. Виталий Гинзбург, например, говорил, что Сахаров “был сделан из материала, из которого делаются великие физики”, но “просто… у него всегда был такой изобретательский дух”, подразумевая, что изобретательство отвлекало Сахарова от фундаментальной физики.

Если говорить о взаимодействии двух талантов Сахарова, то его стиль жизни можно назвать “теоретик-изобретатель”. Это выражение он применил, говоря о своей военно-технической работе, но оно годится и к его теоретической физике, и к его общественной деятельности.

Теоретики различаются не только интуицией, но и способом работы. Одни начинают с какой-то общей идеи и ищут путь к ее конкретному оформлению. Другие начинают с упрощенной теории конкретного явления. Третьи – с самой общей физической теории, которую они пытаются применить к данной проблеме.

В теоретике Сахарове жил изобретатель. Инженер-изобретатель исходит из уже изученных готовых элементов, которые можно комбинировать. Теоретик-изобретатель придумывает и сами элементы, которые не противоречат фундаментальным законам. Изобретательность проявляется в том, насколько необычные элементы берутся для конструкции. Однако, прежде чем взяться за изобретательство, теоретику первым делом надо выявить и поставить перед собой загадку природы (или проблему общества, если это теоретик гуманитарного профиля). В этом ему никто не поможет, даже историк науки.

Но кое-чему история учит. Один из ее уроков Сахаров выразил в загадочно-зеркальной форме:

“Сто загадок – одна отгадка” можно назвать формулой научного триумфа в истории фундаментальной физике. Другой урок этой истории состоит в том, что обычно в сердцевине отгадки крылись новые загадки.

Фундаментальная загадка, занимавшая Сахарова более всего, – происхождение наблюдаемой Вселенной, нацелена на самое далекое прошлое, а ее разгадка связана с вопросом о будущем физики.