Квантовая гравитация во Вселенной 1916 года

Спустя несколько месяцев после триумфального завершения своей теории гравитации Эйнштейн понял, что она… неверна. Изучая следствия новой теории, он обнаружил, что гравитация не только искривляет лучи света — любая планетная система излучает гравитационную энергию. И первым делом он подумал о самых многочисленных планетных системах — об атомах, где вокруг звезды-ядра движутся планеты-электроны.

Всего лишь в 1913 году Нильс Бор спас эти планетные системы от неминуемо быстрой гибели, грозившей им в силу законов электродинамики: двигаясь по орбите, электрический заряд должен излучать электромагнитные волны и терять свою энергию, притом очень быстро — за миллиардную долю секунды электрон должен врезаться в ядро. Чтобы предотвратить такой коллапс атома, Бор предположил, что помимо законов электродинамики действуют и новые — квантовые — законы, запрещающие электрону излучать, пока он находится на одной и той же орбите, и разрешающие излучить соответствующую разность энергий при переходе — квантовом «перепрыге» — с одной орбиты на другую.

Теперь же, три года спустя, в 1916 году, Эйнштейн увидел, что атому грозит новая опасность — гравитационное высвечивание:

Отсюда ясно, что Эйнштейн не считал боровскую h-модель атома подлинной теорией, но осознал также, что и выстраданная им cG-теория гравитации требует h-доработки. «Ничтожность» гравитационного высвечивания он не показал количественно — и правильно сделал. Если в его общую формулу гравитационного излучения подставить параметры атомной планетной системы, то время «гравитационной гибели» атома измерялось бы не миллиардной долей секунды, а миллиардами миллиардов лет! По сравнению с этим ничтожна даже нынешняя оценка возраста Вселенной (десяток миллиардов лет), хотя в 1916 году выражение «возраст Вселенной» еще не имело смысла в физике. Так что никакой наблюдаемой опасности для атомов не было.

Вера Эйнштейна в то, что «реально в природе такого быть не может», относилась не столько к атомам, сколько к его представлению о Вселенной за полгода до публикации его космологии. Идея об эволюции Вселенной была тогда для него чуждой, а в неизменной Вселенной, существующей вечно, смертность атомов недопустима независимо от продолжительности их жизни.

В 1929 году, после признания факта расширения Вселенной и оценки ее возраста, довод Эйнштейна о необходимости квантовать гравитацию потерял силу, но теоретики уже были выше этого. По воле истории именно в 1929 году основатели квантовой механики (то есть h-теории) Гейзенберг и Паули изложили метод квантования электродинамики (то есть построения сh-теории) и заявили, что «квантование гравитационного поля проводится без каких-либо новых трудностей с помощью метода, аналогичного нашему».

Оптимизм этот подразумевал квантование приближенных уравнений слабой гравитации, что и проделал в 1930 году Леон Розенфельд. Работая под руководством Паули, он отвечал на вопрос Гейзенберга: не бесконечна ли энергия поля в квантовой электродинамике с учетом гравитации света. По расчетам Розенфельда, эта энергия действительно бесконечна, что обнаружило «новую трудность для квантовой теории волновых полей Гейзенберга — Паули». При этом Розенфельд, однако, не объяснил, как можно доверять бесконечности, полученной в предположении слабого поля.

Даже не вникая в эти хитрости, ясно, что, если в расчетах появляется бесконечность, значит, что-то не в порядке с самой теорией. Помимо этого, в конце 1920-х годов появились и другие причины ожидать, что подлинная ch-теория принесет в физику революционные перемены, не меньшие, чем принесли теория относительности и квантовая механика.

Так думали почти все фундаментальные теоретики… кроме Эйнштейна. Параллель между электродинамикой и гравитацией, подразумеваемая в его замечании 1916 года, к началу 20-х годов превратилась в его убеждение о глубинном родстве двух сил и в стремление соединить их в некой новой обобщенной сG-теории, следствиями которой стали бы и квантовые свойства. Это убеждение увело Эйнштейна из живой бурлящей науки к миражу Единой теории поля. Некоторые называют это трагедией, хотя сам он сохранял оптимизм, сдобренный иронией. Но уж точно то была драма.

Прежде всего — драма возраста. Последний существенный вклад в физику Эйнштейн сделал в 1925 году, оценив и развив идею 30-летнего индийского теоретика Бозе, в результате чего в науку вошли «статистика Бозе — Эйнштейна» и «конденсат Бозе — Эйнштейна». Непочтительные физики по этому поводу говорят, что «Эйнштейн почил в Бозе». Великому теоретику было тогда всего 46 лет, но, судя по истории физики, это многовато для фундаментально новых идей.

Эйнштейну можно не сочувствовать — судьба дала ему двадцать поразительно плодотворных лет. Он по-прежнему слушал свою интуицию, а не общественное мнение. Интуиция, однако, повела его «не туда», и резко ослабла восприимчивость к новым фактам. Его размышления об истории идей и людей науки остались увлекательно-проницательными до конца его дней, но для новых идей он все более закрывался, как, например, для идей Фридмана и Леметра.

В 20-е годы стремление объединить гравитацию и электромагнетизм можно было оправдать тем, что других сил и не было известно. В 30-е же появились свидетельства о двух новых типах взаимодействия в микромире. А главное — мотив объединить теории «для красоты» радикально отличался от мотивов успешного новаторства Эйнштейна: объяснить новый факт, как в случае фотоэффекта, или устранить противоречие, что привело к теории относительности, к теории гравитации и даже к необходимости ее квантовой «модернизации», о чем он говорил вплоть до 1918 года.

Радикальный поворот, можно сказать, переворот, произошел в 1919–1921 годах, когда Эйнштейн надел на себя шоры Единой теории поля и не снимал их до конца жизни. Трудно уйти от мысли, что в этом сыграл свою роль беспримерный триумф 1919 года, когда экспедиция Эддингтона во время солнечного затмения подтвердила «чисто» теоретическое предсказание Эйнштейна об отклонении света. При всей его самоиронии испытание медными трубами выпало на долю Эйнштейна сильнейшее. На него накинулись репортеры, издатели и просто поклонники знаменитостей:

Адское наводнение славой могло усилить и без того неслабое доверие Эйнштейна к своей интуиции и сделать это доверие слепым. Так, по крайней мере, думали молодые физики Джаз-банда: неужели великий физик не понимает, что из сколь угодно обобщенной сG-теории не выведешь h-физику, если из констант с и G невозможно получить величину размерности h?!

А может, Эйнштейн попросту зазнался? Для мании величия оснований у него было больше, чем у многих, но признаков такой мании не видно. Скорее наоборот. Свое величайшее достижение — теорию гравитации — он поставил под (квантовый) вопрос в год ее создания. А спустя двадцать лет, когда теорию уже экспериментально подтвердили и она заняла свое почетное место, он сравнил ее со зданием, «одно крыло которого сделано из благородного мрамора [геометрия пространства-времени], а другое — из низкосортного дерева [описание массы-энергии]». С такими разными крыльями высоко не поднимешься. Поэтому Эйнштейн и пытался перестроить фундамент глубоко внизу, чтобы на новой основе возвести новое здание полной физической теории.

Так или иначе, к 1930-м годам жизнь Эйнштейна все более разъединялась с жизнью фундаментальной физики. И его не занимали новые проблемы, предвещавшие новый кризис и новую революцию в физике.

 

В ожидании ch-революции

Завершенная в 1927 году квантовая механика, или h-теория, дала надежную теоретическую основу для физики атомных явлений — поведения частиц, движущихся вне ядра. Другое дело — само ядро.

Тогдашняя физика знала, что мироздание построено из трех видов частиц: протоны, электроны и фотоны. Протон — ядро водорода, самое легкое из ядер. Считалось, что все другие ядра, по весу примерно кратные протону, из соответствующего числа протонов и состоят. А то, что положительный заряд ядер меньше, чем это число, объясняли наличием в ядрах электронов — внутриядерных электронов, отрицательный заряд которых компенсирует «лишний» положительный заряд протонов. Так, например, ядро второго по номеру элемента — гелия — считали состоящим из четырех протонов и двух электронов.

К тому времени уже давно расшифровали все три типа радиоактивности — альфа-, бета— и гамма-лучи. Оказалось, что это не столько лучи, сколько частицы: альфа — ядра гелия, бета — электроны, гамма — фотоны очень высокой энергии. Все эти лучи-частицы вылетают из ядер. Но почему из некоторых ядер вылетают альфа-частицы, из других — бета или гамма, а из третьих ничего никогда не вылетает? То был лишь один из безответных вопросов, но только что открытые законы квантовой механики, как считалось, неприменимы к физике ядра. Основания так думать усматривали и в экспериментах, и в теории.

В 1927 году в точных опытах установили, что электроны, вылетающие при бета-распаде ядер, имеют разные энергии, а разность энергий ядра до и после распада больше средней энергии бета-электронов. При этом не было гамма-излучения, которое могло бы спасти баланс энергии.

Это дало Бору основание предположить, что в ядерной физике баланс действительно нарушается — нарушается закон сохранения энергии. Эту страшную гипотезу Бор высказал, будучи уверен, что речь шла о новой, неизученной области физики, для которой требуется ch-теория. И опирался он при этом на h-теорию квантовой механики, в основе которой знаменитое соотношение неопределенностей координаты частицы x и ее импульса p = mV:

 

∆ x^.∆ p > h.

 

Применяя это соотношение к внутриядерным электронам, для которых ∆ x не больше размеров ядра, получали, что диапазон скоростей этих электронов

 

∆ V > h/m∆ x.

 

Если сюда подставить массу электрона m, а вместо ∆ x — размер ядра, окажется, что скорости внутриядерных электронов близки к скорости света, и, значит, для описания их поведения нужна ch-теория, которой еще не было и в которой мог не выполняться закон сохранения энергии. К этому Бор привлек еще одну загадку тогдашней физики, точнее астрофизики, — загадку звездной энергии: тогда не знали, какой источник энергии обеспечивает сияние звезды на протяжении миллиардов лет. И Бор предположил, что нужный источник объясняется той же самой ch-теорией, в которой энергия может рождаться из «ничего» и которая объяснит, как и в каком темпе такое рождение происходит.

В 1929 году Бор послал свою гипотезу Паули. А тот, взамен, выдвинул собственную: в ядрах существуют какие-то нейтральные — незаряженные — частицы, которые при бета-распаде вылетают вместе с электронами, но из-за своей нейтральности уносят неучтенную часть энергии незаметно. В 1931 году противостоящие гипотезы публично встретились на Первом международном конгрессе по ядерной физике в Риме, где большинство участников поддержали Бора.

Надо сказать, что сохранность энергии стала вопросом уже в самом начале ядерной эры. Открытие радиоактивности намекало на порождение энергии из ничего. Потом выяснили, что «не из ничего», а из ядра, где эта энергия неизвестным образом запасена и хранится до поры до времени — до загадочного момента радиоактивного распада.

Так что не надо ставить двойку по физике Нильсу Бору и примкнувшим к нему физикам. Конечно же, они знали, что в неядерной физике закон сохранения действует неукоснительно. Но знали и то, что уже осуществилась замшелая мечта средневековых алхимиков — превратить одно простое вещество в другое, скажем, свинец в золото. В ядерной физике, или, если хотите, в ядерной алфизике, это стало возможно. Добавь к ядру протон — и безо всяких магических заклинаний другое вещество готово. Так можно из свинца сделать золото. Другое дело, что дешевле добыть золото из земли, но это уже вопрос не физики, а экономики.

Так что, заподозрив вечный нано-двигатель в ядре и вечный мега-фонарь в звезде, Бор лишь проявил оправданную смелость. Вопрос был в том, оправдается ли эта смелость в новой теории или все доводы как-то рассеются и возникнет какая-то иная теория ядерных процессов.

На гипотезу же Паули смотрели как на отчаянно искусственную попытку спасти старый закон сохранения энергии. Паули, правда, нашел и другой резон заподозрить новую нейтральную частицу — чтобы предотвратить так называемую азотную катастрофу. Тогда было известно, что свойства ядра зависят от того, содержит ли оно четное или нечетное число частиц. В ядре азота число протонов и внутриядерных электронов было нечетным, а вело себя это ядро как «четное». Участие нейтральной частицы могло бы это противоречие решить. Тем не менее и этот довод большинству теоретиков казался совершенно искусственным. Добавить неведомую нейтральную частицу к трем надежно установленным элементам мироздания — непомерная цена консерватизма. Не случайно и Паули, уже знаменитый среди коллег, несколько лет не решался публиковать свою гипотезу.

А как на все это смотрели еще не знаменитые физики Джаз-банда?

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: