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

Исторический источник оптимизма

Лучший источник научного оптимизма – история фундаментальной физики. Если за прошедшие четыре века возможны были столь поразительные успехи науки при весьма скромных средствах, то преодолимы, можно надеяться, и последствия временного избытка. Когда заработает проверенный метод Галилея – Эйнштейна, “постсовременный” способ станет объектом изучения историков, которые заметят сходство постсовременной и предсовременной философий науки.

Вспомним впечатляющий конфуз в самый канун рождения современной физики – “Космографию” молодого Кеплера, его кубок шести планет. “Объяснив” число и положения планет с помощью изящной математики и астрономических данных, автор праздновал триумф и тоже не думал об экспериментальной проверке. Он пережил крушение своего триумфа, занявшись менее грандиозной и гораздо более трудоемкой задачей – поиском законов планетных движений. Пережил он без особой горечи и невнимание Галилея к его законам, поскольку, похоже, чувствовал потенциал Галилеева метода – метода современной физики – к познанию мира.

Этот метод в руках последователей Галилея привел к поразительным достижениям и в двадцатом веке, когда к исходной цели – узнать истинное устройство Мироздания – добавилось историческое измерение – выяснить соотношение разных теорий, представляющих физическую реальность с качественно разной глубиной и с разной количественной точностью.

Современные теоретики, считая, что математическое изящество физической теории достаточно для веры в ее правильность, исходят из невозможности экспериментов. Причина – чрезвычайная малость известных до сих пор квантово-гравитационных эффектов.

Этой причине, если отсчитывать от первого cGh-эффекта, указанного Эйнштейном в 1916 году, уже сто лет. Это много, но не беспрецедентно. Атомная гипотеза ждала экспериментального исследования более двух тысячелетий, а гипотеза Галилея о “наибыстрейшей” скорости света – два с половиной столетия. Так что стоит набраться терпения, необязательно коротая время “постсовременными” текстами. Лучше искать наблюдательные эффекты, как это делал Эйнштейн в начале пути к его теории гравитации.

Авторы недавнего обзора в журнале “Успехи физических наук” признали, что “теоретическая физика, предоставив обширный перечень возможных направлений и методов поиска частиц темной материи, исчерпала себя”. Закончили, однако, с оптимизмом: “Почему Природа столь щедра к нам и позволяет открывать свои секреты?” Единственное основание для этого дает именно четырехвековая история успехов физических наук.

В общественном восприятии подобный оптимизм, а то и слепая вера в могущество науки, соседствует ныне с мрачным пессимизмом: в сумасшедшем темпе научно-технического прогресса видят аналог злокачественной опухоли, ведущей к гибели человечества. Оба взгляда порождены историей науки в двадцатом веке, когда она стала определяющим фактором жизни общества. В предыдущие века смещение даты какого-то открытия на пару десятилетий ничего особенно не меняло в мировой истории. В двадцатом века это не так.

К примеру, деление урана, открытое в 1939 году, вполне могли открыть на пять лет раньше в опытах по искусственной радиоактивности. Тогда атомная бомба появилась бы на пять лет раньше – в 1940-м, и, скорее всего, в Германии, где тогда была сильнейшая физика. Ради такого дела Гитлер мог и отложить “решение еврейского вопроса”, изгнавшее многих физиков из страны. А чем грозила человечеству атомная бомба в руках Гитлера, объяснять вряд ли надо.

Другой пример дает советское изобретение водородной бомбы, испытанной через пять месяцев после смерти Сталина. По мнению некоторых экспертов, проживи он еще пару лет в своем нараставшем безумии, и водородная бомба в его руках была бы страшнее атомной в руках германского фюрера.

В этих случаях человечеству повезло, что научно-технические открытия задержались на несколько лет. Но в том, что Карибский кризис 1962 года не закончился мировой ядерной войной, сыграло свою роль уже разработанное термоядерное оружие с его гарантированным взаимным уничтожением обеих сторон.

На ядерное оружие обычно смотрят в лучшем случае как на бессмысленно растраченные ресурсы человечества. Однако если обнаружится, что Земле угрожает столкновение с астероидом, у человечества нет иного источника энергии, сопоставимого по мощи с термоядерным, чтобы отклонить маловероятное, но возможное событие, какие уже бывали в истории Земли. Тогда придется поблагодарить разработчиков “бессмысленного” оружия.

Самое здравое отношение к открытиям науки и техники выразил Владимир Вернадский еще в 1910 году, говоря о радиоактивности:

Перед нами открылись источники энергии, перед которыми по силе и значению бледнеют сила пара, сила электричества, сила взрывчатых химических процессов… С надеждой и опасением всматриваемся мы в нового союзника.

Сейчас, век спустя, неясно, на что можно надеяться и чего опасаться, когда (и если) решится проблема квантовой гравитации.

Самый ранний прогноз содержится в статье Трех мушкетеров 1928 года (см. гл. 8), во фразе “Представим себе законченную (!) физику”. Восклицательный знак поставили веселые авторы, и из их текста ясно, что “окончательной” может быть лишь cGh-теория. Судя по тому, что к прогнозу этому никто из авторов впоследствии не возвращался, они к нему относились столь же несерьезно, как и к статье в целом.

В 1970-е годы Хокинг уже вполне серьезно предположил, что окончательная теория возникнет еще в двадцатом веке. О конце физики говорили – с надеждой или с отвращением – и другие теоретики, не указывая определенную рубежную дату и опираясь на весьма неопределенные доводы типа: “Все, что делают люди, обязательно имеет конец”.

Более смелые прогнозы, однако, нацелились на главный инструмент науки – человеческое мышление. Р. Пенроуз предположил, что квантование гравитации поможет создать физическую теорию микроструктуры сознания. А крупномасштабным прогнозом озадачил многих Андрей Сахаров. Размышляя вслух о драме идей в физике двадцатого века, он напомнил, что в предыдущие века “религиозное мышление и научное мышление” считались противостоящими друг другу, взаимно исключающими:

Это противопоставление было исторически оправданным, оно отражало определенный период развития общества. Но я думаю, что оно все-таки имеет какое-то глубокое синтетическое разрешение на следующем этапе развития человеческого сознания. Мое глубокое ощущение… – существование в природе какого-то внутреннего смысла, в природе в целом.

Это свое ощущение он извлек из картины мира, открывшейся в двадцатом веке.

Чтобы понять, как Сахаров соединял мышление и ощущение, надо знать его отношение к религии. Он всегда защищал свободу совести и верующих и атеистов. А его собственная духовная эволюция началась с детской религиозности, которую он получил от своей верующей мамы. В семье он увидел также свободу совести:

Мой папа, по-видимому, не был верующим, но я не помню, чтобы он говорил об этом. Лет в 13 я решил, что я неверующий, – под воздействием общей атмосферы жизни и не без папиного воздействия, хотя и неявного. Я перестал молиться и в церкви бывал очень редко, уже как неверующий. Мама очень огорчалась, но не настаивала, я не помню никаких разговоров на эту тему.

Сейчас я не знаю, в глубине души, какова моя позиция на самом деле: я не верю ни в какие догматы, мне не нравятся официальные Церкви (особенно те, которые сильно сращены с государством или отличаются, главным образом, обрядовостью или фанатизмом и нетерпимостью). В то же время я не могу представить себе Вселенную и человеческую жизнь без какого-то осмысляющего их начала, без источника духовной “теплоты”, лежащего вне материи и ее законов. Вероятно, такое чувство можно назвать религиозным.

Опять сошлись разум и чувство. Именно их союз рождает таинственную интуицию, силой которой Галилей и его последователи изобретали новые фундаментальные понятия. Таких изобретателей называют великими физиками. Вероятно, это имел в виду Виталий Гинзбург, сказав, что Сахаров “был сделан из материала, из которого делаются великие физики”. Сказал это нобелевский лауреат, не считавший себя великим физиком, и к тому же глубокий атеист. В конце 1940-х годов они с Сахаровым изобретали термоядерную бомбу, а сорок лет спустя, на первых в СССР свободных выборах, обоих свободолюбивых физиков избрали в народные депутаты.

Ошибаться свойственно и великим физикам. И даже гениальная интуиция иногда ведет не туда. Но, независимо от того, сбудется ли научно-гуманитарный прогноз Сахарова, его отношение к науке – познавательный и исторический оптимизм – также говорит о “материале, из которого он был сделан”.

Андрей Сахаров, 1989.

Фото Ю. Карша (© Yousuf Karsh).

Лучше других понимая угрозы высоконаучного оружия уничтожения, видя в науке и средство улучшения жизни, и основу единства человечества, он верил, что “наука как самоцель, отражение великого стремления человеческого разума к познанию… оправдывает само существование человека на земле”. Корень этого стремления Сахаров видел в далеком прошлом человеческого рода, представляя себе, как “наш обезьяноподобный предок по инстинкту любопытства” приподнимал камни под ногами и находил там “жучков, служивших ему пищей. Из любопытства выросла фундаментальная наука. Она по-прежнему приносит нам практические плоды, часто неожиданные для нас”.

Картинка эта говорит не столько о детстве человечества, сколько о детской любознательности человека науки, каким был Андрей Сахаров. Исторический оптимизм был ему опорой в то время, когда советские газеты поливали его грязью. Он верил, что “человечество найдет разумное решение сложной задачи осуществления грандиозного, необходимого и неизбежного прогресса с сохранением человеческого в человеке и природного в природе”, а свою нобелевскую лекцию завершил надеждой, что люди смогут “осуществить требования Разума и создать жизнь, достойную нас самих и смутно угадываемой нами Цели”.

Слова “смутно угадываемой” побуждают к размышлениям и к свободе, без чего невозможны ни наука, ни достойная жизнь.

Благодарности

Благодарю Д. Зимина за идею жанра, связывающего драму развития научных идей с драмами людей науки, и благодарю фонд “Династия” за поддержку работы над книгой.

Благодарю В. Вайнина, С. Зеленского, А. Клименко, А. Леоновича и А. Локшина за критические замечания по тексту, полную ответственность за содержание принимаю на себя.

Благодарю Елену Цезаревну Чуковскую и Любовь Андреевну Верную за возможность использовать в книге фотографии из их семейных архивов и за многолетнее стимулирующее общение.

Хронология важнейших событий, упомянутых в книге

VI в. до н. э. Фалес, основоположник греческой философии и науки, выдвинул идею “первоэлемента” в основе всех явлений природы.

V в. до н. э. Пифагор установил связь между длиной струны и высотой тона.

IV в. до н. э. Демокрит развивал идею атомного строения вещества.

Возникновение геоцентрической системы мира.

III в. до н. э. Аристарх Самосский впервые измерил расстояния до Луны и Солнца и выдвинул гелиоцентрическую систему мира.

Архимед открыл закон плавания тел.

II в. н. э. Птолемей завершил теорию геоцентрической системы мира.

1543 Труд Н. Коперника “О вращении небесных сфер”, содержащий теорию гелиоцентрической системы мира.

1583 Г. Галилей обнаружил изохронность колебаний маятника.

1600 Трактат У. Гильберта “О магните, магнитных телах и о большом магните Земли”.

1602–1609 Г. Галилей установил, что тела в пустоте падают с ускорением постоянным и не зависящим от природы тела, а тело, брошенное под углом к горизонту, движется по параболе.

1607 Г. Галилей попытался измерить скорость света.

1609 Труд И. Кеплера “Новая астрономия”, содержащий первые два закона движения планет.

1610 Г. Галилей в книге “Звездный вестник” описал свои открытия с телескопом.

1619 Трактат И. Кеплера “Гармония мира”, содержащий третий закон движения планет.

1632 Книга Г. Галилея “Диалог о двух основных системах мира – Птолемеевой и Коперниковой” (содержит принцип инерции и принцип относительности).

1638 Книга Г. Галилея “Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых областей науки” (содержит закон свободного падения).

1642 Умер Г. Галилей и родился И. Ньютон.

1644 Э. Торричелли получил вакуум (“торричеллиеву пустоту”) и создал барометр.

1665–1666 И. Ньютон открыл закон тяготения, обратно пропорционального квадрату расстояния между телами.

1666 И. Ньютон разложил белый свет в спектр.

1676 О. Ремер впервые измерил скорость света (по наблюдениям спутников Юпитера).

1687 Труд И. Ньютона “Математические начала натуральной философии” с изложением законов движения и закона всемирного тяготения.

1785 Ш. Кулон установил закон электрического взаимодействия.

1798 Г. Кавендиш при помощи крутильных весов измерил притяжение двух тел, подтвердив закон всемирного тяготения И. Ньютона, и вычислил массу Земли.

1803 Дж. Дальтон ввел понятие атомного веса.

1815 Й. Фраунгофер обнаружил в солнечном спектре темные линии.

1820 X. Эрстед открыл магнитное действие тока, а А. Ампер открыл взаимодействие электрических токов.

1826 Н.И. Лобачевский открыл неевклидову геометрию.

1831 М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

1834 М. Фарадей ввел понятие силовых линий (идея поля).

1845 Математическая теория электромагнитных явлений на основе дальнодействия.

1849–1851 Опыты Л. Физо и Ж. Фуко по измерению скорости света в движущейся среде.

1851 Ж. Фуко при помощи маятника экспериментально продемонстрировал вращение Земли вокруг своей оси.

1853 У. Томсон получил формулу для периода электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора и индуктивности.

1854 Г. Риман создал общую дифференциальную (Риманову) геометрию.

1859 Г. Кирхгоф и Р. Бунзен открыли спектральный анализ.

1859 Дж. Максвелл открыл первый закон статистической физики – распределение молекул газа по скоростям.

1862 Г. Кирхгоф ввел понятие черного тела и дал его модель.

1865 Дж. Максвелл ввел понятие электромагнитного поля, создал основы его теории, из которой предсказал электромагнитные волны и выдвинул идею об электромагнитной природе света.

1869 Д.И. Менделеев открыл периодический закон химических элементов.

1887 Опыты А. Майкельсона и Э. Морли не обнаружили “эфирный ветер” – влияния движения источника света на скорость света.

1888 Г. Герц открыл фотоэффект и экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом.

1895 В. Рентген открыл излучение, названное его именем.

Создана модель абсолютно черного тела в виде полости с внутренними зеркальными стенками и узким отверстием.

А.С. Попов изобрел радио.

1896 А. Беккерель открыл радиоактивность урана.

1897 Дж. Дж. Томсон открыл электрон и выдвинул гипотезу об электронном составе атомов.

1899 Э. Резерфорд показал наличие в излучении урана двух компонентов – альфа– и бета-лучей.

1900 М. Планк сформулировал квантовую гипотезу и ввел фундаментальную константу – постоянную Планка, положив начало квантовой теории.

1905 А. Эйнштейн создал теорию относительности (c-теорию), открыл связь массы и энергии E=mc², выдвинул гипотезу о квантовом характере света, чтобы объяснить законы фотоэффекта.

1907 А. Эйнштейн, опираясь на выдвинутый им принцип эквивалентности, начал разрабатывать релятивистскую теорию гравитации.

1908 Г. Минковский предложил понятие четырехмерного пространства-времени как геометрической основы теории относительности.

1911 На основе опытов по рассеянию альфа-частиц в тонких металлических пленках Э. Резерфорд открыл атомное ядро и создал планетарную модель атома.

1913 Н. Бор предложил первую квантовую модель атома водорода.

1916 А. Эйнштейн завершил создание теории пространства-времени и гравитации (cG-теории) и предсказал ее наблюдательные эффекты.

1917 А. Эйнштейн из своей теории гравитации получил первую космологическую модель Вселенной.

1919 Э. Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород, и открыл протон.

1919 Первая экспериментальная проверка отклонения света звезды в поле тяготения Солнца, предсказанного теорией гравитации Эйнштейна.

1922–1924 А.А. Фридман нашел нестационарные решения гравитационных уравнений Эйнштейна, включая возможность расширения Вселенной.

1923 Л. де Бройль высказал идею о волновых свойствах частиц.

1925–1927 Создана квантовая механика (h-теория).

1927–1929 Ж. Леметр, на основе астрономических наблюдений Э. Хаббла, открыл расширение Вселенной.

1927 Ч. Эллис и У. Вустер обнаружили нарушение баланса энергии в бета-распаде.

1928 П. Дирак предложил ch-уравнение движения электрона.

1928 Л.И. Мандельштам и М.А. Леонтович построили теорию туннельного эффекта, на основе которого Г. Гамов создал теорию альфа-распада.

1929–1931 На основе опытов Эллиса – Вустера и теоретических парадоксов (“азотная катастрофа” и др.) Н. Бор предположил нарушение законов сохранения в физике ядра, а В. Паули, в противовес, выдвинул гипотезу новой ядерной – нейтральной – частицы.

1931 В статье Л. Ландау и Р. Пайерлса предсказана невозможность создания ch-теории электромагнитного поля.

1931 П. Дирак предсказал античастицы, рождение и аннигиляцию пар.

1932 Открытие нейтрона и позитрона.

1933 Открыто рождение пары электрона и позитрона из гамма-кванта и аннигиляция электрона и позитрона.

1933 В статье Н. Бора и Л. Розенфельда “обезврежено” предсказание Л. Ландау и Р. Пайерлса 1931 года, тем самым гарантирована возможность создания ch-теории электромагнитного поля.

1936 В двух статьях М. Бронштейна о проблеме квантования гравитации выявлена несовместимость cG-теории гравитации и квантовой h-теории без радикального изменения основных понятий теории, включая понятия пространства и времени.

1937 Опровергнув гипотезу спонтанного распада фотонов, М. Бронштейн обосновал факт реального расширения Вселенной.

1938 Построена теория термоядерного источника энергии звезд.

1938 Открыто спонтанное деление ядра урана.

1946 Дж. Гамов выдвинул идею “Горячей Вселенной”.

1947–1949 Завершено создание современной квантовой электродинамики (ch-теории).

1956–1957 Открыто несохранение четности (C-асимметрия) и выдвинута гипотеза сохранения комбинированной четности (CP-симметрия).

1964 Обнаружено несохранение комбинированной четности (СР-асимметрия).

1965 Открыто реликтовое излучение – остаточное излучение ранней Вселенной.

1967 А. Сахаров предложил объяснение барионной асимметрии Вселенной, связанное с CP-асимметрией “тремя условиями Сахарова”.

1979 Принимая кафедру, которую когда-то занимал Ньютон, С. Хокинг произнес речь “Виден ли конец теоретической физики?”, в которой счел вполне вероятной возможность, что фундаментальная теоретическая физика будет закончена еще в XX веке.

2004 Вышли две солидные монографии с одинаковым названием “Квантовая гравитация” и равно безысходные, а видный физик-теоретик Ф. Дайсон высказал идею, что “квантовая гравитация физически бессмысленна”.

2013 Первое присуждение премии им. М. Бронштейна за работы в теории квантовой гравитации. Премия имени 30-летнего советского физика присуждена 34-летнему итальянскому физику, работающему в Канаде. Прошло 75 лет после гибели Матвея Бронштейна.

Основные источники

Физики

Архимед. Сочинения. М.: Физматгиз, 1962.

Бор Н. Избранные научные труды: В 2. М.: Наука, 1970–1971.

Bohr N. Collected Works. Vol. 9 Nuclear Physics, 1929–1952. Amsterdam: North-Holland, 1986.

Бронштейн М.П. Современное состояние релятивистской космологии // Успехи физических наук. 1931. № 11. С. 124–184.

Бронштейн М.П. К вопросу о возможной теории мира как целого // Успехи астрономических наук. 1933. № 3. С. 3–30

Бронштейн М. Квантование гравитационных волн (1936). // Альберт Эйнштейн и теория гравитации: Сборник статей / Под ред. Е.С. Куранского. – М.: Мир, 1979.

Бронштейн М. Квантовая теория слабых гравитационных полей (1936). // Эйнштейновский сборник. 1980–1981. М.: Наука, 1985. С. 267–282.

Галилей Г. Избранные труды: В 2 т. М.: Наука, 1964.

Galilei G. Dialogues on two world systems (transl. T. Salusbury), 1661; Dialogue Concerning the Two Chief World Systems (transl. S. Drake), 1967.

Galilei G. Letter to Benedetto Castelli (1613); Letter to Madame Christina of Lorraine, Grand Duchess of Tuscany Concerning the Use of Biblical Quotations in Matters of Science (1615).

Гинзбург В.Л. О науке, о себе и о других. М.: Изд-во физ-мат. лит-ры, 2003.

Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М.: Бюро Квантум, 1995.

Dyson F. The world on a string // New York Review of Books. 2004. May 13.

Зельдович Я.Б. Избранные труды. Частицы, ядра, Вселенная. М.: Наука, 1985.

Кеплер И. О шестиугольных снежинках. М., Наука, 1982.

Ландау Л.Д. Собрание трудов: В 2 т. М.: Наука, 1969.

Максвелл Дж. К. Статьи и речи. М.: Наука, 1968.

Newton I. A treatise of the system of the world, 1728.

Peierls R. Bird of Passage: Recollections of a Physicist. Princeton Univ. Press, 1985.

Паули В. Труды по квантовой теории. М.: Наука, 1977.

Планк М. Избранные труды. М.: Наука, 1975.

Сахаров А.Д. Воспоминания: В 3 т. / Сост. Боннэр Е. – М.: Время, 2006.

Сахаров А.Д. Дневники. М.: Время, 2006.

Сахаров А.Д. Научные труды. М.: ЦентрКом, 1995.

Тамм И.Е. Теоретическая физика. // Октябрь и научный прогресс. / Под ред. М.В. Келдыша и др. – М.: Изд-во АПН, 1967.

Эйнштейн А. Собрание научных трудов: В 4 т. М.: Наука, 1965–1967.