Kvant. Космология - II
Горелик Г. Космология XX века в лицах (часть II) //Квант. — 1996. — № 3. — С. 18-21.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
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, называемое теперь «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 геофизики. (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 геофизики.
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 факт. 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 примечаниях 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. Им 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, 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. 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.
Космология и cGh-теория
Об этой проблеме лучше всего говорить на языке трех физических констант: с — скорости света, G — гравитационной постоянной и h - постоянной Планка. Каждая из этих величин соответствует фундаментальной физической теории: релятивизму, тяготению и квантам.
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 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 XX века свою h, заметил, что из констант с, 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. Так назвать их мог только теоретик незаурядной смелости, не боящийся насмешек коллег, крепко держащихся за землю. И действительно, как можно назвать естественными чудовищно малую длину \(~\sqrt{\frac{hG}{c^3}}\) = 10-33 см, немыслимо огромную плотность \(~\frac{c^5}{hG^2}\) = 1094 г/см3 или несуразную массу \(~\sqrt{\frac{ch}{G}}\) = 10-5 г — 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 мегамасштабах?!
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 в начале века указал на необходимость построения квантово-гравитационной теории, на ее долю в течение двух десятилетний 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. Однако с начала 20-х годов совершенно иначе, можно сказать — противоположно, смотрели на тогдашнюю ситуацию Эйнштейн и сочувствующие ему физики. Они стремились построить так называемую единую теорию поля. Эта теория, обобщая общую теорию относительности (ОТО), должна была на геометрической основе единым образом описать 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 находится 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.)
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 жена 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 \(~\sqrt{\frac{hG}{c^3}}\) = 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 \(~\frac{c^5}{hG^2}\) = 1094 г/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», управляющей 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 лишь удивляться проницательности его автора.
Джордж 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 отличался 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 мегафизике. 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 он смог обнаружить, что в океане ядерной физики имеется прекрасная отмель, по которой можно 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».
«СССР зовут страной убийц и хамов. Недаром. Вот пример:
советский парень Гамов,
— Чего хотите вы от этаких людей?!
— У же 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 членом-корреспондентом 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. 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 котором она 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 и, 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 Менделем, 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. А 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 побудили Гамова 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.
