Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации - Геннадий Горелик

Именно тогда, в середине 1920-х годов, Матвей Бронштейн входил в науку и вырабатывал свой cGh-взгляд на мир теоретической физики. С этой точки зрения, указанные фундаментальные теории можно называть c-теорией, cG-теорией и h-теорией. А теорию гравитации Ньютона — G-теорией. Принимая за исходный пункт исторического развития Ньютонову механику как теорию упругого удара, или физику бильярда, Бронштейн представил схемы преемственного развития и смены теорий, которые образуют cGh-карту фундаментальных теорий или (вместо глобуса) cGh-куб, изображенные на рисунке, где полужирный шрифт и сплошные рамки соответствуют теориям, уже созданным к началу 30-х годов.

cGh-карта фундаментальной физики

Иллюстрации из статьи М. Бронштейна 1933 года

N-теория (HM) — Ньютонова механика,

G-теория (ГН) — Гравитация Ньютона,

c-теория (ТО) — Теория относительности,

cG-теория (ГЭ) — Гравитация Эйнштейна,

h-теория (КМ) — Квантовая механика,

ch-теория (КЭ) — Квантовая электродинамика,

cGh-теория (КГ) — Квантовая гравитация.

(Полужирный шрифт и сплошные рамки соответствует теориям, уже созданным к началу 30-х годов.)

Три схемы, изображенные слева, образуют грани cGh-куба фундаментальных теорий (справа).

Что же касается теорий, создания которых ожидали, физики о них думали по-разному.

Из уважения к заслугам Эйнштейна начнем с него, хотя к началу 30-х годов его взгляды мало кто разделял. Как ни удивительно, физик, столько сделавший для развития квантовой теории и получивший Нобелевскую премию в основном за это, тогда уже, по существу, не признавал фундаментальный характер постоянной h. Уже лет десять Эйнштейн искал так называемую единую теорию поля, в которой гравитация и электромагнетизм — проявления некоего единого поля, и надеялся, что следствием этой теории станет квантовая теория и сама величина h. В 30-е годы у него остались лишь считанные сторонники.

Все другие теоретики считали h не менее фундаментальной константой, чем c, и ожидали ch-теорию для явлений, где важны h-свойства, а скорости близки к c. Таким, в частности, был гипотетический эффект покраснения фотонов, который Бронштейну удалось оценить и отвергнуть. Однако при всем почтении перед величайшим достижением Эйнштейна надо сказать, что роль гравитации в насущных проблемах тогдашней физики считалась — и вполне резонно — несущественной. Поэтому константа G в качестве основной выглядела гораздо менее убедительно, чем, например, элементарный электрический заряд, а также массы электрона и протона, из которых, как считалось к началу 30-х годов, построено все вещество.

Почти все теоретики, работавшие на переднем крае физики, свое внимание сосредоточивали на одной ch-грани cGh-куба, не заглядывая на cG-грань, на которой находились гравитация и космология. Да и Риманова геометрия, необходимая в теории гравитации, настолько отличалась от языка остальной физики, что лишь немногие ее освоили. Среди этих немногих был Бронштейн. Он понимал, что космология требует теорию явлений, в которых существенны и кванты и гравитация, то есть cGh-теорию.

Главная проблема космологии радикально отличается от обычных проблем физики и астрофизики, которые касаются многочисленных явлений, наблюдаемых в разных реализациях и с разных сторон. А Вселенная не только абсолютно единична, но — если верить теоретическим моделям Фридмана — Леметра — может быть в принципе не охватываема наблюдениями в силу своей бесконечности.

Оценить это отличие помогает пример Владимира Фока — выдающегося российского теоретика и виднейшего специалиста в теории гравитации. Он учился у Фридмана и его знаменитые статьи по космологии перевел по просьбе автора на немецкий язык для публикации в Германии. Не сомневаясь в математической правильности решений Фридмана, он не мог признать эти решения описанием Вселенной в целом именно потому, что целое это недоступно наблюдению.

Бронштейн студентом слушал лекции Фока и впоследствии с ним общался близко, однако космологию считал законной областью для размышлений физика-теоретика.

Для физика труднейший вопрос космологии: почему из множества возможных решений осуществилось то, которое мы наблюдаем, — расширение с определенной скоростью, радиусом кривизны и плотностью? В обычных задачах физики ответ на такого рода вопрос сводится к начальным условиям и к законам, управляющим данным явлением. В космологии ключевая проблема — как описать то начальное состояние, что привело к нынешнему — наблюдаемому — состоянию. Идея Леметра о первичном атоме и его «радиоактивном» распаде заменила формально-математическое начало яркой, но неопределенной физической метафорой. Чтобы превратить эту метафору в физику, надо было бы ответить на каверзные вопросы: почему радиоактивный распад, известный лишь для микромасштабов атомного ядра, может произойти и в мегамасштабном «ядре» всей Вселенной? Как в результате подобного распада возникла наблюдаемая однородность распределения вещества во Вселенной? И, главное, какая физическая теория управляла тем первоначальным распадом?

По мнению Бронштейна, управлять могла лишь cGh-теория.

Звуки физики Джаз-банда

Поиски обстоятельств, в которых рождался cGh-взгляд на физику, приводят к заметке 1928 года «Мировые постоянные и предельный переход», где обсуждается несколько тем, но постоянные c, G и h выделены как наиболее общие. Автор этой заметки, однако, не Бронштейн, и авторов целых три — Георгий Гамов, Дмитрий Иваненко и Лев Ландау. Самому молодому, Льву, — 20 лет, двум другим по 24. Это их единственная общая статья, хотя они себя именовали Тремя мушкетерами. Матвей Бронштейн, который по возрасту был ближе к Ландау, присоединился к ним через пару лет после возникновения содружества и пользовался их студенческими прозвищами — Джо, Димус и Дау.

Мушкетеры, азартно занимаясь наукой и развлекаясь, стали центром притяжения для компании юных физиков, которая вошла в историю науки под именем Джаз-банда. Не желая жить по нотам, они свободно импровизировали, всегда готовые подхватить тему, развить, а еще лучше опровергнуть. Все как в джазе. Только вместо музыки в их жизни звучали стихи на темы физики и лирики.

Рождение Джаз-банда совпало с рождением квантовой механики — первой теории микромира. До того были лишь догадки и гениальные прозрения о физике атомов. А в 1925–1927 годах, в череде головокружительных открытий, возникала общая теория. Необычные понятия новой теории — как звуки джаза — невозможно было принимать равнодушно. Они очаровывали, выводили из себя, вовлекали в новую науку и… побуждали сочинять стихи.

Главный поэт Джаз-банда, Женя Каннегисер, рассказывала много лет спустя:

Джаз-Банд выпускал рукописный журнал «Physikalische Dummheiten» [Физические Глупости], который читался в Университете и вообще нахально развлекался по поводу наших учителей. Джо, Димус и Дау были гораздо дальше остальных как по способностям, так и по знанию физики и разъясняли нам все новые увлекательные открытия квантовой механики.

Квантовая механика была такой же новостью для преподавателей, как и для студентов. Поэтому учились в основном по научным журналам и друг у друга — в нескончаемых разговорах и спорах. Такое самостоятельное освоение науки как ничто другое способствовало развитию их способностей и научной смелости.

Дух Джаз-банда запечатлен в «Гимне Теоретикам», сочиненном Женей. Первую строку для «Гимна…» она позаимствовала из «Капитанов» Николая Гумилева:

Вы все, паладины Зеленого Храма,Над пасмурным морем следившие румб,Гонзальво и Кук, Лаперуз и де Гама,Мечтатель и царь, генуэзец Колумб!

Жениных товарищей манили путешествия иного рода:

Вы все, паладины Зеленого Храма,По волнам де Бройля державшие путь,Барон Фредерикс и Георгий де Гамов,Эфирному ветру открывшие грудь!

Ландау, Иваненко, крикливые братья,Крутков, Ка-Тэ-Эфа ленивый патрон,И ты, предводитель Рентгеновской рати,Ты, Френкель, пустивший плясать электрон!

Блистательный Фок, Бурсиан, ФинкельштейнИ жидкие толпы студентов-юнцов,Вас всех за собою увлек A. Эйнштейн,Освистаны вами заветы отцов.

Не всех Гейзенберга пленяют наркозы,И Борна сомнителен очень успех,Но Паули принцип, статистика БозеВ руках, в головах и в работах у всех!

Но пусть расползлись волновые пакеты,Еще на природе густая чадра,Опять неизвестна теория света,Еще не открыты законы ядра.

И в Цайтшрифте ваши читая работы,Где темным становится ясный вопрос,Как сладостно думать, что яростный БотеДля ваших теорий готовит разнос!

Не стоит объяснять все физические имена и термины. Кому они неизвестны, тот может без них обойтись. Женя и ее друзья не могли. Поясню лишь несколько мест. Де Бройль догадался, что каждая частица, если к ней присмотреться, — кое в чем волна (квантовую механику называли также волновой механикой). Профессор Крутков заведовал в университете Ка-Тэ-Эфом (Кабинетом теоретической физики) без особого пыла, в отличие от легкого на подъем Френкеля в Физтехе. Квантовые идеи Гейзенберга и Паули оказались на редкость успешны, а опыты Боте только что «разнесли» в пух и прах гипотезу самого Нильса Бора.