Критерии правильной теории и квантовые границы гравитации

Эйнштейн говорил о двух главных критериях в оценке теории: ее «внешнем оправдании», или соответствии опыту, и «внутреннем совершенстве», или логической простоте основ теории.

Критерии эти, успешно работавшие во всей истории физики, споткнулись на проблеме квантовой гравитации. «Внешнему оправданию» здесь мешает астрономическое число 10⁴⁰ — отношение величины электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами к их гравитационному взаимодействию. Справиться с числами такого астрономического масштаба можно было бы, заменяя лабораторные опыты на астрофизические наблюдения, но практического пути к реальным сGh-объектам пока не найдено.

Не легче говорить о «внутреннем совершенстве» попыток квантования гравитации, разглядывая накопленные за многие десятилетия теоретические конструкции. Кладбище этих попыток напоминает о заброшенных кладбищах проектов вечного двигателя и теорий эфира. А очередные приливы авторского оптимизма основаны скорее на сомнительном критерии «внешнего совершенства», попросту говоря, — внешней привлекательности очередной кандидатки в теорию. И вдобавок — на популярной у студентов-физиков мудрости, согласно которой «математика умнее человека»: надо лишь аккуратно проводить выкладки, а там, глядишь, физический результат сам собой проявится. О критерии привлекательности говорить особенно нечего, поскольку «мятеж никогда не кончался удачей, иначе бы он назывался иначе». А о математике Эйнштейн когда-то сказал, что это — лучший способ водить самого себя за нос.
 Анализ измеримости поля, которым занимались в 1930-е годы, можно — в добавление к критериям Эйнштейна — назвать «внутренним оправданием» теории. Это был анализ границ применимости теории, проводимый изнутри ее самой — до создания теории более общей.

Результат Бора — Розенфельда состоял в том, что квантовая электродинамика как ch-теория, не имеет пространственно-временных границ, поскольку из двух ее фундаментальных констант c и h нельзя составить никакую длину.

В сGh-теории констант три, и из них длину составить уже можно:

 

l_cGh= (hG/c³)^1/2 ≈ 10^-33 см.

 

Эту величину называют иногда планковской длиной. Она впервые появилась в статье Планка 1900 года безо всякой связи с квантованием гравитации. Планк тогда даже не понимал, что в физике началась новая — квантовая — эра. Он был лишь уверен, что открыл новую физическую константу h (тогда еще обозначаемую буквой b) и надеялся встроить ее в здание классической физики. А предложенные им «естественные единицы измерения»

 

l_cGh= (hG/c³) ≈ 10^-33 см,

m_cGh= (hG/G) ≈ 10^-5 г,

t_cGh= (hG/c⁵) ≈ 10^-43 сек

 

имели единственную цель — чтобы новые единицы измерения «сохраняли свое значение для всех времен и для всех культур, в том числе и внеземных, и нечеловеческих». Это экзотически-межпланетное предложение с несуразными значениями «естественных эталонов» не нашло сочувствия у коллег и было забыто на полвека.

Бронштейн пришел к cGh-границе в ходе своего анализа измеримости. Явно у него фигурирует лишь планковская масса — как рубежная масса пробного тела, «пылинки, весящей сотую долю миллиграмма»,

 

m_cGh= (hG/c) ≈ 10^-5 г.

 

Такая пылинка проявит квантово-гравитационную суть, если ее размер l_cGh, а тогда ее плотность

 

_cGh= m_cGh/ (r_cGh)³= c⁵/G²h ≈ 10⁹⁴г/см³.

 

И это — граница, за которой необходима теория квантовой гравитации, cGh-теория. За этой границей — начало расширения Вселенной и последняя стадия коллапса звезды.

Самое малое расстояние, доступное современной экспериментальной физике, порядка 10^-16 см, во столько же раз больше квантово-гравитационной длины r_cGh, во сколько земной шар больше атома. С учетом такой пропасти, отделяющей эксперимент от теории, говорить что-либо определенное о квантово-гравитационной физике может показаться делом совершенно несерьезным. Однако история знает похожий случай: теория электромагнетизма, созданная в прошлом веке для явлений масштаба 1 см, подтверждается в наше время экспериментально вплоть до расстояний 10^-16 см. Поэтому можно надеяться, что квантовая теория гравитации, cGh-теория, поможет объяснить устройство нашего мира и в самых малых, и в самых больших масштабах. Эту надежду первым выразил Бронштейн еще в 1930 году:

Предсказание Бронштейна относительно квантовой гравитации имело характер запрета: невозможно решить cGh-проблему «малой кровью», с сохранением основных понятий теории гравитации. Характер запрета имели такие законы физики, как, например, запрет на существование вечного двигателя, то есть закон сохранения энергии, или невозможность определить скорость источника света по измерению скорости самого света, что стало основой теории относительности.

Размышляя об истории попыток квантования гравитации, приходишь к выводу, что большая часть публикаций не возникла бы, если бы их авторы знали и всерьез восприняли анализ, проделанный Бронштейном. Тем самым по меньшей мере сэкономили бы изрядное количество бумаги и рабочего времени.

Ну, а почему сам Матвей Бронштейн остановился на достигнутом и не перешагнул cGh-границу, найдя те самые «лишенные наглядности понятия», которые, как он предвидел, заменят обычные представления о пространстве и времени?

 

Галилей, 1937

Вскоре после защиты cGh-диссертации Бронштейну исполнилось 29 лет. На все его замыслы ему осталось полтора года. За это время он сделал несколько научных работ, в том числе уже известную нам работу о (не)возможности спонтанного распада фотона как обоснование факта расширения Вселенной и первое в истории соединение ch-физики и cG-космологии. Кроме того, он преподавал в Ленинградском университете и многообразно участвовал в жизни науки. Особенно близкие отношения связывали его с Ландау.

Документальное свидетельство тому — конспект рукописи, озаглавленной «М.П. Бронштейн и Л. Ландау. Статистическая физика». На обложке тетради приметы времени: столетие со дня смерти Пушкина, отмечавшееся в феврале 1937 года, картина дуэли и стихотворение Лермонтова «Смерть поэта».

Эта рукопись не успела превратиться в книгу, как и многие другие рукописи того времени, авторы которых — поэты и физики — гибли в 1937 году не на дуэлях, а в тюремных подвалах и лагерях…

Ближе всего, в домашней обстановке, дружбу Ландау и Бронштейна наблюдала Лидия Чуковская, жена Бронштейна:

Это была дружба на равных — при всех различиях внутренних миров и стилей жизни. Быть может, слово «дружба» в данном случае неточное — слишком самостоятельны были оба. Проще сказать об их различиях в объеме культурной жизни. Для Бронштейна гуманитарная культура во всей полноте была столь же важна, как и физика. Для Ландау это были несопоставимые сферы. Особенно ясно это видела Лидия Чуковская, для которой физика была лишь делом жизни любимого человека, а главным в ее жизни было точное слово — слово, точно выражающее чувство и мысль:

Зато Лидии Чуковской, совместно с Самуилом Маршаком, удалось втянуть Бронштейна в научно-художественную литературу для юных читателей. На его письменном столе рядом с высоконаучными статьями, понятными считанным коллегам, в работе были детские книги о научных открытиях — при редакторском соучастии Лидии Чуковской. «Солнечное вещество» и «Лучи Икс» вышли в Детиздате в 1936-м и 1937-м, книжка об изобретении радио успела выйти лишь в журнальном варианте, и он начал книгу о Галилее.

Для предыдущих книг Бронштейн брал сюжеты из жизни физиков-экспериментаторов. Теоретическую физику с экспериментальной связывает единая кровеносная система, но язык теории слишком далеко отстоит от повседневного, чтобы о ней рассказывать 12-летнему читателю. Жизнь Галилея — первого современного физика — дает уникальную возможность рассказать простыми словами о всей физике — и экспериментальной, и теоретической. Его экспериментальные открытия стали основой теоретических. Галилеев закон свободного падения не только стал основой, на которой Ньютон создал единый свод законов движения земных и небесных тел. Тремя веками позже Эйнштейн в законе Галилея разглядел принцип эквивалентности и геометрический язык гравитации. И то же самое свойство гравитации, открытое Галилеем, завязало главный узел квантовой гравитации — узел, открытый Бронштейном в 1935 году.

Книга эта стала бы не просто очередной его научно-художественной повестью. Для предыдущих он брал сюжеты из физики экспериментальной, а Галилей — и теоретик, и экспериментатор, что дает уникальную возможность рассказать простыми словами о современной физике в целом, тем более что он ее, собственно, и основал.

Все знают, как Галилей забрался на башню, бросал сверху шары из разного материала и заметил, что, вопреки Аристотелю, они достигают земли одновременно. Бронштейн в своей книге наверняка объяснил бы, что это — всего лишь легенда, что Галилей шары не бросал, а придумал опыты, хоть и менее эффектные, но более убедительные, — колебания маятников и движение по наклонной плоскости. И вместе с этим придумал новый метод поиска истины: свободно изобретать понятия для описания Природы, ставить ей вопросы языком эксперимента, а ее ответы выражать на языке математики.

Бронштейн в своей книге, вероятно, объяснил бы, как Галилеев закон свободного падения помог Ньютону открыть динамику движения тел земных и небесных. Рассказал бы, возможно, как в законе Галилея Эйнштейн разглядел искривленное пространство-время. А быть может, и о том, что свойство гравитации, открытое Галилеем, завязало узел квантовой гравитации.

Как Бронштейн собирался строить свой рассказ о Галилее, неизвестно. Но известно, почему эта книга не состоялась. Об этом — письмо Бронштейна с датой «5 апреля 1937». Оно адресовано новому руководителю Детиздата, который только что разгромил редакцию Маршака и отстранил Чуковскую от редактирования ряда книг:

И высказал, назвав все своими именами — «бездушный чиновник-бюрократ», «наглое литературное воровство», «литературный бандитизм».

Это письмо Лидия Чуковская увидела лишь после его отправки. Ей казалось, что именно оно привело к аресту четыре месяца спустя…

 

В августе 1937 года, когда Ландау возвращался из отпуска, на перроне его встретили физики:

В апреле 1938 года «исчез» и Ландау, но всего на год. Вытащил его из тюремной пропасти П.Л.  Капица. Выйдя из тюрьмы в конце апреля 1939 года, Ландау через несколько недель приехал в Ленинград и пришел к Чуковской. Она записала тогда в дневнике:

Тридцать лет спустя она пояснила, что подумала, узнав об аресте Ландау:

 

 

 

Не успевшие стать академиками: Матвей Бронштейн (1906–1938), Александр Витт (1902–1938), Семен Шубин (1910–1938).

 

 

 

Тюремные фотографии Льва Ландау (1938), которые могли стать последними.

 

Двадцать лет имя «врага народа» М.  Бронштейна не упоминалось публично. Его детские книги изъяли из библиотек. Запрет сняла смерть Сталина. В томе «Октябрь и научный прогресс», выпущенном к 50-летию Советской власти, академик И.Е.  Тамм, подводя итоги развития советской теоретической физики, написал: «Некоторые исключительно яркие и многообещающие физики этого поколения безвременно погибли: М.П.  Бронштейн, С.П.  Шубин, А.А.  Витт». Эти физики из первого поколения получивших образование в советское время были арестованы в 1937-м, получили разные приговоры — расстрел, восемь лет, пять лет, и все трое погибли в 1938-м. Тамм, первый советский физик-теоретик, получивший Нобелевскую премию, знал их лично. Он был оппонентом на диссертации Бронштейна, Шубин был его любимым учеником, а вместе с Виттом он работал в Московском университете.

 

В тридцатые годы квантовая гравитация не была актуальной ни в каком практическом смысле. Теоретики занимались физикой атомов и молекул, металлов и полупроводников. Затем в центре внимания оказалась ядерная физика с ее военно-практическими и глобально-политическими приложениями. Из-за этих приложений физика стала Большой Наукой, число теоретиков быстро выросло. К 1970-м годам задач им стало не хватать. Тогда-то и взялись за проблемы гравитации.

С тех пор изданы сотни книг о квантовой гравитации, опубликованы многие тысячи статей, но проблема не поддается. Так можно ли думать, что Бронштейн, проживи он дольше, сумел бы найти путь к решению? История науки дает довод «за», опираясь на различия в происхождении теории относительности и теории гравитации Эйнштейна.

По мнению самого Эйнштейна, с которым согласны историки, теория относительности появилась бы и без его участия. Возможно, на пару лет позже. Опыты со светом и с быстрыми электронами требовали теоретического ответа. Потенциальные авторы такого ответа, то бишь теории относительности, — Х.  Лоренц и А.  Пуанкаре — были, можно сказать, соавторами Эйнштейна.

Теория гравитации рождалась совершенно иначе. Не было практической надобности. Главной причиной стало чисто теоретическое противоречие гравитации Ньютона и предельной скорости света. Эйнштейн нашел путь, опираясь фактически лишь на Галилеев закон свободного падения и уже признанную теорию относительности. Но за восемь лет движения по этому пути к новой теории гравитации никто из коллег-физиков к нему не присоединился. Трудно сказать, как развивалась бы история физики, если бы Эйнштейн погиб в 30-летнем возрасте. Но вполне вероятно, что новая теория гравитации не возникла бы до наших дней.

Так же не исключено, что Матвей Бронштейн в последние дни своей жизни, в тюремной камере, нашел путь к понятиям более глубоким, чем пространство-время. Ведь творческая мысль была единственным болеутоляющим средством в его распоряжении.

 

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»:

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.

 

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться: