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:

Из-за внутриатомного движения электронов атом должен излучать энергию не только электромагнитную, но и гравитационную, хоть и ничтожное количество. Поскольку реально в природе такого быть не может, то, видимо, квантовая теория должна изменить не только электродинамику Максвелла, но также и новую теорию гравитации.

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:

Хлынул поток газетных статей, и страшное наводнение запросов и приглашений затопило меня так, что мне снится, будто я жарюсь в аду, а почтальон — это сам сатана; он рычит на меня не переставая и швыряет мне в голову очередную кипу писем, между тем как я еще не успел ответить на старые.

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?

 

Альфа, бета, Гамов и «Новый кризис теории квант»

Джаз-банд, по существу, распался в 1928 году, когда между двумя мушкетерами пробежала черная кошка, а третий — Георгий Гамов — отправился в Европу. В университет он поступил раньше своих друзей, раньше закончил и поехал на стажировку в Германию по стипендии Наркомпроса (тогдашнего Министерства образования).

Гамову повезло не только с талантом при рождении. Повезло еще и в том, что незадолго до отъезда он прочитал важную статью московских теоретиков, а вскоре после приезда в Германию узнал о новых опытах великого Резерфорда по альфа-распаду. Эти везения помогли Гамову сделать свою первую важную работу в физике, и то был первый успех теоретической ядерной физики. За этот успех, помимо мировой славы, Гамов получил и западную стипендию еще на целый год пребывания в лучших физических домах Европы — как раз когда заканчивалась трехмесячная стипендия Наркомпроса. История этого успеха помогает понять, чем тогдашняя физика так притягивала молодых веселых людей, что они посвящали ей стихи и готовы были посвятить жизнь.

Гамов теоретически объяснил одно ядерное явление — альфа-распад, объяснил на основе квантовой механики, безо всякой ch -теории. Это не противоречило общим соображениям Бора, поскольку альфа-частица в восемь тысяч раз тяжелее электрона. Поэтому, подставив ее массу в соотношение неопределенностей, получим, что ее скорость в ядре много меньше скорости света, а значит, для нее достаточно h -теории.

Чтобы ощутить необычность квантовых законов, вспомним историю о лягушке, попавшей в горшок со сливками. Она стала дрыгать лапками, отчего из сливок сбилось твердое масло, и уже с этой подставки выпрыгнула из горшка. Мораль «не падать духом и дрыгать лапками» годится на все случаи жизни. Почти на все — дело плохо, если сливок в горшке вовсе нет, а лягушачьих сил не хватает, чтобы допрыгнуть до края горшка.

Дело, однако, меняется, если обычный горшок заменить на квантовый — если и горшок, и лягушка имеют атомные размеры. Тогда даже и без сливок лягушка имеет шанс выбраться на волю, если, конечно, не падает духом и прыгает. Шанс есть, даже если она прыгает лишь на полвысоты горшка. А чем выше прыгает, тем вероятнее освобождение — сказочно-квантовое проникновение сквозь стенки горшка, на волю. Этот странный результат квантовой механики, названный позже «туннельным эффектом», обнаружили в конце 1927 года московские теоретики Леонид Мандельштам и Михаил Леонтович, статью которых Гамов прочитал перед отправкой в Европу.

Гамов, можно сказать, уподобил альфа-частицу лягушке и атомное ядро — горшку. Он не знал, из чего сделаны стенки ядерного горшка, но обнаружил, что и без этого знания — на основе квантовых законов — можно получить закономерности альфа-радиоактивности, заодно объяснив новые опыты Резерфорда. Тем самым квантовые законы оказались применимы не только в атоме, но и, хотя бы частично, в ядре. Неудивительно, что первооткрыватель атомных законов Нильс Бор, оценив этот результат, выхлопотал несоветскую стипендию для молодого советского теоретика. И неудивительно, что физика, в которой возможны подобные альфа-лягушки, притягивала умных и веселых молодых людей.

Через год после Гамова еще один умный и веселый советский теоретик, Лев Ландау, отправился в Берлин с наркомпросовской стипендией в кармане. Немецкая физика была тогда сильнейшей в мире, в Берлине жил великий Эйнштейн — так что столицу Германии можно было назвать физической столицей мира. Ландау, однако, вряд ли согласился бы с этим. Да, он считал Эйнштейна не просто великим, а величайшим и созданную им теорию гравитации — самой красивой из физических теорий. Но восхищение перед творениями прошлого не мешало 21-летнему Ландау видеть насущные проблемы физики и считать, что великий Эйнштейн, сделавший важные первые шаги к квантовой теории, пошел не туда.

Оба теоретика оказались однажды на собрании Германского физического общества, и вот что об этом рассказал очевидец (Отто Фриш):

Когда Эйнштейн закончил доклад, председательствующий почтительно предложил задавать вопросы. Тут в задних рядах встал молодой человек и сказал примерно так: «То, что профессор Эйнштейн рассказал нам, не так уж глупо. Однако второе уравнение, строго говоря, не следует из первого. Необходимо предположение, которое не доказано…» Все обернулись, разглядывая смельчака. Все, кроме Эйнштейна, который смотрел на доску и думал. Через минуту он перевел взгляд на аудиторию и сказал: «Молодой человек совершенно прав; забудьте все, что я сегодня вам рассказал».

Не надо думать, что молодой человек — Ландау — упивался своей смелостью. Ему, как и Эйнштейну, было интереснее происходившее на доске и важнее, как соотносятся написанные мелом формулы с устройством природы. То есть он любил саму науку, а не себя в ней. Любил самозабвенно, хотел взаимности, но не грустил, когда взаимность доставалась не ему, а кому-то другому.

После Берлина Ландау отправился в Цюрих, где царил Вольфганг Паули, о котором в гимне Джаз-банда пелось:

Знаменитый принцип Паули выразил новое свойство элементарных частиц. Любые два электрона похожи друг на друга гораздо больше, чем две капли воды. Они абсолютно одинаковы, совершенно неотличимы. Размышляя над подопытными фактами микромира, Паули понял, что кое-что в этих фактах можно объяснить, если одинаковым частицам, подобным электрону, запрещено находиться в одинаковых состояниях. Строжайший запрет — не собираться даже по двое. Так в 1924 году Паули открыл закон природы, совершенно неведомый в мире обыденных явлений, но явления эти объясняющий, — к примеру, почему вещества отличаются друг от друга, как воздух от воды.

К 1929 году, когда Ландау прибыл в Цюрих, в физике зияли две огромные проблемы, о которых пелось в гимне Джаз-банда:

Альфа-частичный успех Гамова в физике ядра оказался лишь удачной партизанской вылазкой, не более. Неподступным оставался главный вопрос: из какого сверхпрочного материала сделаны стенки ядерного горшка, в котором прыгают альфа-лягушки? Неподступной оставалась и загадка электронов, выпрыгивающих из ядра, — то есть бета-частиц. Казалось очевидным, что электроны содержатся в ядре — раз они оттуда вылетают, но по нескольким причинам им там нельзя было находиться. Невыносимо-необъяснимое поведение внутриядерных электронов побудило Гамова сделать печатку, которую он прикладывал каждый раз, упоминая бета-электроны в своих текстах: под черепом вместо костей скрестились две буквы «бета».

Печатка Гамова (ок. 1931) — череп и бета-кости.

В те времена считалось, что кромешную ядерную тьму может рассеять не свет, а теория света, которая уже четверть века была «опять не известна». Ведь поведение электронов должно определяться электромагнитными силами, а свет — проявление тех же сил. Загвоздка была в том, что электромагнитная теория света споткнулась об атомную физику в 1905 году, когда Эйнштейн предположил, что свет состоит из частиц — фотонов. Гипотеза прекрасно объяснила фотоэффект, принесла Эйнштейну Нобелевскую премию, но… не лезла ни в какие теоретические ворота.

Поиски квантовой теории света оставались безуспешными до 1929 года, когда за дело взялся Паули, и у него что-то начало получаться. Потому-то для Ландау нестоличный Цюрих с Паули был привлекательнее столичного Берлина с Эйнштейном. И не только для Ландау. Незадолго до того ассистентом Паули стал уроженец Берлина Рудольф Пайерлс. Биографически и психологически очень разные молодые физики приглянулись друг другу и нашли себе совместную работу, как раз связанную с проблемой «частиц света». Работа превратилась в статью и подружила их на всю жизнь.

Ландау, несмотря на его просоветский и антибуржуазный задор, понравился ироничному Паули тем, что, можно сказать, утер ему нос. За два года до того, рассматривая поведение электронов в металле, Паули открыл новое явление, называемое «парамагнетизмом Паули». А новичок из России обнаружил другое свойство тех же самых электронов в металле — свойство противоположное по знаку. Паули понял, что новичок прав, и порекомендовал благотворительному фонду Рокфеллера дать Ландау стипендию еще на год. А новое свойство назвали «диамагнетизмом Ландау».

Таким образом сделав себе имя в мировой физике, сам Ландау, однако, в отчете о командировке назвал эту работу лишь одной из частных задач. А центральной счел «узловую проблему», которая «привела к грандиозным затруднениям», — «проблему объединения в одно целое двух наиболее общих современных теорий: принципа относительности и теории квант».

Чтобы прочувствовать, как этот центральный узел воспринимался в 1930 году, последуем за Ландау в Копенгаген, где тогда у Нильса Бора собрался совет знатоков квантовой теории. Их собрал «Новый кризис теории квант», как назвал свою статью Бронштейн, узнавший о событии, надо думать, от Ландау:

Совет заседал в шутливо-торжественной обстановке, в руках у Паули был рог, в который он трубил каждый раз, когда хотел отметить в разбиравшихся теоретических построениях непонятное место или новую трудность. К сожалению, ему приходилось трубить в свой рог слишком часто. Положение было признано безнадежным, что и было отмечено в шуточной резолюции, в которой все присутствующие зарекались впредь заниматься квантовой теорией (Паули якобы решил впредь заниматься математикой, Гейзенберг — музыкой, и только осторожный Бор заявил, что еще подумает).

В такой ситуации совершенно неосторожный Ландау не стал ждать, пока старшие коллеги выяснят, что делать. Он верил, что лучшее решение кризиса — революция, и ему нравилась революционная идея Бора о том, что новая физика пожертвует законом сохранения энергии ради истинной картины мира. Частицы в ядре так плотно прижаты друг к другу, что этого… просто не могло быть по тогдашним теориям. И так же частицы сжаты в центрах звезд, неистощимо светящихся. Так что гипотеза Бора могла осветить оба края тогдашней физики.

Ландау взялся за проблему с двух сторон — и в микрофизике, и в астрофизике. Вернувшись в Цюрих, он занялся обеими задачами и в одну увлек Пайерлса. Горячие дискуссии шли иногда в присутствии Паули, но тот слушал с прохладцей. Как-то раз распаленный Ландау спросил Паули, неужели он считает все, им сказанное, чушью?! Тот ответил остужающе: «О нет, что вы! Произнесенное вами настолько сумбурно, что нельзя даже сказать, чушь это или нет!»

Льва Ландау это не остудило. Он был уверен, что нащупал принципиальный дефект ch -теории электромагнитного поля — невозможность измерить основную величину теории, величину самого поля. А значит, само понятие «поле в точке» не имеет права на существование. Доказав таким образом, что без ch -революции не обойтись, они с Пайерлсом отправились к Бору в Копенгаген со статьей, в которой заявили, что следовали «красивой идее проф. Нильса Бора».

 

ch

-контрреволюция

Вместо благодарности своим последователям Бор, однако, их вывод отверг. Как это выглядело, вспоминал его ассистент Леон Розенфельд:

Я прибыл в Институт в последний день февраля 1931 года, и первым, кого я увидел, был Гамов. Я спросил, что новенького, — он в ответ протянул рисунок: Ландау, привязанный к стулу и с кляпом во рту, а перед ним Бор, с поднятым пальцем говорящий: «Ландау, ну, пожалуйста! Дайте же мне хоть слово сказать!» За несколько дней до того Ландау и Пайерлс привезли свою статью — показать Бору. «Но, — добавил Гамов весело, — похоже, он не согласен с их доводами, и такие вот дебаты идут все время». Пайерлс уехал за день до того, «в состоянии полного изнеможения», как сказал Гамов. Ландау оставался еще несколько недель, и я убедился, что Гамов не слишком преувеличил драматизм ситуации.

Само по себе несогласие Бора не укротило молодого Льва и не помешало ему впредь считать себя его учеником, и только его одного. Отправив статью в печать, он вернулся на родину в приподнятом настроении, что видно по его отчету о командировке:

Пайерлсу и мне удалось на основании анализа возможных экспериментов показать, что основные физические принципы квантовой механики не выполнены — при наличии предельной скорости распространения [скорости света]. Этим заранее обрекаются на неудачу все попытки непосредственного обобщения квантово-механических методов [ h -методов] на случай релятивистской теории квант [ ch -теории], попытки, за последнее время ставшие весьма частыми в мировой литературе. С другой стороны, установленные нами неравенства, представляющие собой дальнейшее обобщение знаменитого принципа неопределенности Гейзенберга, дают возможность понять основные положения и характер еще не известной нам полной теории вопроса. В частности, такой подход дает возможность объяснить существование при бета-распаде радиоактивных ядер непрерывного распределения скоростей вылетающих электронов — явления, которое, ввиду своего резкого противоречия закону сохранения энергии (Н. Бор), совершенно не могло быть истолковано с точки зрения современных теорий.

Вскоре после возвращения на родину Ландау опубликовал и статью об астрофизическом обосновании гипотезы Бора. В глазах нынешних физиков, это статья о теории остывающих сверхплотных звезд — белых карликов, а также предсказание гравитационного коллапса — неостановимого сжатия — звезды, если ее масса превышает критическую величину порядка полутора масс Солнца. Но сам Ландау тогда считал, что обосновал наличие в звездах «патологических» областей, требующих для своего описания ch -теории и рождающих излучение звезды «из ничего»:

Следуя красивой идее проф. Нильса Бора, можно думать, что излучение звезд обязано просто нарушению закона сохранения энергии, который, как впервые указал Бор, несправедлив в релятивистской квантовой теории, когда отказывают законы обычной квантовой механики (что доказывается экспериментами по непрерывному спектру электронов бета-распада и стало вероятным благодаря теоретическому рассмотрению [ссылка на статью Ландау — Пайерлса]). Мы ожидаем, что все это должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро.

Бронштейн, также принимая идею Бора о несохранении энергии в ch -физике, внес ее и в космологию — в виде переменной космологической «константы» в уравнении гравитации. Так в 1933 году к микрофизике подключилась гравитация и… закрыла подрывную идею. Именно при обсуждении этой работы Ландау сообразил, что эта идея несовместима с теорией гравитации. В конце статьи Бронштейн добавил:

Ландау привлек мое внимание к тому факту, что выполнение гравитационных уравнений эйнштейновской теории для пустого пространства, окружающего материальное тело, несовместимо с несохранением массы этого тела.

Иными словами, как бы экзотична ни была физика «патологической» области звезды (или ядра), законы гравитации — в пустоте, вдали от всей экзотики — не допускают изменения массы-энергии.

Узнав об этой новости из письма Гамова, Бор ответил, что тем хуже для теории гравитации:

Я вполне согласен, что отказ от сохранения энергии принесет столь же серьезные последствия для эйнштейновской теории гравитации, как возможный отказ от сохранения заряда для теории Максвелла.

И тут же сообщил свою новость:

В течение этой осени [1933] нам с Розенфельдом удалось подтвердить полное соответствие основ квантовой электродинамики и измеримости электромагнитного поля. Надеюсь, некоторым утешением для Ландау и Пайерлса будет то, что глупости, которые они совершили в этом противоречивом вопросе, не хуже тех, в которых повинны все мы, включая Гейзенберга и Паули.

Нынешнему физику неловко за великого Бора, столь упорно покушавшегося на закон сохранения энергии, и за «детский» довод великого Ландау (ведь гравитация пренебрежима в микрофизике). Но неловкость превращается в сочувствие, когда узнаешь, что даже Паули, с самого начала защищавший сохранение энергии и для этого придумавший новую нейтральную частицу, говорил о важности гравитационного аргумента.

Подытоживая, можно сказать, что в матче Бор — Ландау счет стал 1:1 в пользу науки, когда Бор обезвредил приговор Ландау относительно ch -теории, а Ландау закрыл гипотезу Бора о несохранении энергии с помощью cG -теории, или неквантовой теории гравитации. Впрочем, оба не спешили признать счет. Бор еще задавал отчаянный вопрос: «Надо ли требовать, чтобы все эффекты гравитации имели такое же отношение к атомным частицам, какое электрические заряды имеют к электронам?» А Ландау так и не признал рассуждения Бора — Розенфельда, считая их чересчур мысленными, нереализуемыми практически.

В этой драматичной ситуации за «узловую проблему» ch - теории и взялся Бронштейн. Гравитационный довод против несохранения энергии его вполне убедил. А соображения Бора — Розенфельда он не просто принял, а понял лучше самих авторов. Весной 1934 года он опубликовал заметку, в которой упростил логику рассуждений Бора — Розенфельда, изложив ее на трех страницах вместо шестидесяти (!) и, главное, прояснив их физическую суть, к которой мы сейчас и обратимся.

Обсуждался вопрос, как измерить электромагнитное поле в точке.

До квантовой эры ответили бы, что надо поместить малый пробный заряд — скажем, электрон — в данную точку и измерить скорость, приобретенную им за малое время. Поле измеряется тем точнее, чем точнее измерены координата и скорость заряда и чем меньше время измерения.

Этот рецепт, однако, невыполним в силу квантовой теории, в которой соотношение неопределенностей ограничивает совместную точность координаты частицы x и ее скорости V, точнее, импульса p = mV:

∆x . ∆p > h.

Физический смысл этого соотношения можно понять, считая, что положение электрона измеряют, освещая его светом с длиной волны = ∆x. Фотон с такой длиной волны имеет импульс h /λ и способен именно на эту величину изменить измеряемый импульс электрона ∆p= h /λ.

Помимо этих h -ограничений точности, действуют и c -ограничения. Чтобы измерять положение электрона со все большей точностью, надо уменьшать длину волны освещающего света. При этом импульс отдачи электрона породит дополнительное поле, искажая само измеряемое поле. А если энергия фотона превысит энергию покоя электрона E=mc2, то и вовсе может родиться новый электрон, неотличимый от исходного. В результате неопределенность измерения поля никак не уменьшить до нуля. Такого рода рассуждения привели Ландау к выводу, что точность измерения поля в точке принципиально ограничена. Значит, «поле в точке» неизмеримо, само понятие неопределимо и не имеет права на существование. А вместе с ним и надежды на применимость квантовой механики к c -теории, какой была электродинамика. Отсюда Ландау сделал вывод о том, что подлинная ch -теория потребует каких-то совершенно новых понятий: «В правильной релятивистской квантовой теории, которая пока не существует, не будет ни физических величин, ни измерений в смысле квантовой механики».

Слабое место этих рассуждений Бор увидел в том, что предполагалось измерять поле электроном, как точечным зарядом. Электрон же — не точечная частица, а… толком не известно что. И свойства электрона, его заряд и масса при всей важности их надежно измеренных значений не входят в формулировку электродинамики Максвелла и, значит, не могут претендовать на особую роль в квантовой электродинамике.

Расхождение Бора с Ландау касалось понятия «возможного эксперимента» и — вопреки экспериментальному звучанию — было почти философским. Бор считал, что надо обсуждать измерение поля в конечной области пространства с заданной точностью, а затем уменьшать размер области. Исходил он из того, что разрешено все не запрещенное теорией и что измерительный прибор должен быть макроскопическим, как и сам экспериментатор. Соответствующий эксперимент Бор описал детально, и слабонервным теоретикам лучше не смотреть на многостраничные описания пробных тел произвольной массы и заряда, способных вдвигаться одно в другое, бесчисленных маленьких зеркал у каждой части пробного тела, жестких креплений к твердому каркасу, гибких магнитных нитей и тому подобное. Однако то был мысленный эксперимент — способ анализа самой теории.

Попросту говоря, мысленный экспериментатор, действующий в квантовой теории электромагнетизма, имеет две «ручки» управления: одна меняет заряд пробного тела, другая — его массу. А поскольку теория электромагнетизма никак не ограничивает отношение массы и заряда, экспериментатор может выбирать эти величины произвольно.

Простой ch -довод в поддержку этой позиции: если бы измерению поля препятствовали какие-то фундаментальные факторы, то некий характерный масштаб ограничивал бы размер области пространства, в которой такое измерение еще возможно. Однако в основе квантовой электродинамики лишь две константы — c и h , из которых нельзя составить никакую длину.

Вполне вероятно, что именно о ch -физике говорили в мае 1934 года Ландау, Бор, Розенфельд и Бронштейн, когда газетный фотограф застал их за одним столом во время конференции в Харькове. Все четверо принимали близко к сердцу проблемы ch -теории, еще не созданной, но уже названной «Релятивистской теорией квант». Переводя историю физики на юридический язык, можно сказать, что Ландау с Пайерлсом в 1931 году приговорили эту теорию к смерти — «Казнить! Нельзя помиловать», Бор с Розенфельдом в 1933-м ее полностью реабилитировали, а Бронштейн в 1934-м внятно объяснил, почему «Казнить нельзя, помиловать», но уточнил, что касается это только ch -теории электромагнетизма.

Впрочем, возможно, в той беседе 1934 года говорили не только о ch -теории. Ведь с 1931 года, когда Ландау поставил ch -вопрос ребром, ситуация изменилась кардинально. Гордиев узел ch -проблем не пришлось разрубать. Большая его часть развязалась благодаря физикам-экспериментаторам. За считанные месяцы в физическую картину миру вошли аж целые три новые элементарные частицы. Вместо одной нейтральной частицы, заподозренной Паули, появились две: нейтрон и нейтрино. Открыли также первую античастицу — антиэлектрон, названный позитроном. Ранее такая частица, предсказанная теорией, казалась ее роковым дефектом, а теперь она стала триумфальным подтверждением.

В этом клубке проблем для гравитации, казалось бы, места нет. В истории физики, однако, не раз бывало, что внешне очень непохожие явления оказывались в родстве. Галилей и Ньютон не поверили бы, что притяжение пушинок к натертому янтарю и взаимодействие магнитов имеют отношение друг к другу и к свету. Глубинное родство этих явлений выяснил лишь Максвелл.

Впрочем, теоретическую физику двигают вперед не красноречивые примеры из прошлого, а внутренняя логика настоящего в стремлении к будущему пониманию.

 

Матвей Бронштейн и проблема

cGh

-теории

В упомянутой ch -заметке Бронштейна 1934 года нет ни слова о гравитации, но в его мыслях она давно присутствовала, что и помогло ему увидеть «принципиальное различие между квантовой электродинамикой и квантовой теорией гравитационного поля». Так он написал в статье 1936 года.

Основной объем этой работы посвящен квантованию слабой гравитации, когда искривление пространства-времени очень мало. В этом приближении он получил два результата — не удивительные, но совершенно необходимые для здоровой теории, чтобы обеспечить преемственность научного знания. Представляя гравитационное взаимодействие материальных тел посредством «промежуточного агента — „гравитационных квантов“», он из cGh -теории слабого поля получил в неквантовом пределе эйнштейновский cG -закон гравитационного излучения, а в классическом пределе — Ньютонов G-закон гравитации.

Совершенно неожиданный результат, однако, Бронштейн получил, выйдя за пределы слабой гравитации. Построенная им квантовая теория слабой гравитации для такого выхода была бесполезна. Он воспользовался другим методом, хорошо им продуманным, — проанализировал измеримость величин, описывающих гравитацию, или, условно говоря, «гравитационное поле». И обнаружил, что, в отличие от ch - теории электромагнетизма, cGh - теорию гравитации уже не спасают ни исходное рассуждение Бора — Розенфельда, ни усовершенствованный им вариант. Дело в том, что у мысленного экспериментатора в гравитации нет двух независимых ручек для массы и заряда, а только одна: гравитационный заряд и инертная масса — это, по существу, одно и то же, что обнаружил еще Галилей.

Это отличие, как показал Бронштейн, в ситуации, когда важны и квантовые, и гравитационные эффекты, ведет к противоречию и требует

радикальной перестройки теории и, в частности, отказа от Римановой геометрии, оперирующей… принципиально не наблюдаемыми величинами — а может быть, и отказа от обычных представлений о пространстве и времени и замены их какими-то гораздо более глубокими и лишенными наглядности понятиями.

Разумеется, эти «гораздо более глубокие» понятия должны давать обычное пространство-время как приближенное, предельное описание. Но и с этой оговоркой предсказание Бронштейна требовало силы духа. Оно не только противоречило квантовым авторитетам Паули и Гейзенберга, заявившим, что квантовать гравитацию не труднее, чем электродинамику. Экспериментальные открытия «обезвредили» основные парадоксы теории, и теоретики, уставшие от пророчеств и ожидания революционных перемен, занялись решением насущных задач атомной и ядерной физики. А тут Бронштейн вновь провозглашает неизбежность радикальной перестройки?! В 1936 году это выглядело не столько смелым, сколько неприличным.

Такая перемена в научно-общественном настрое, вероятно, и побудила Бронштейна невольный пафос своего прогноза смягчить ироничной фразой «Wer's nicht glaubt, bezahlt einen Taler» («Кто этому не верит, с того талер»). Этими словами кончается сказка братьев Гримм, герой которой умудрился, с невероятными приключениями, выполнить невыполнимые задания принцессы, за что, разумеется, и получил ее в награду. (В 1936 году немецкий язык был главным языком мировой физики.)

Предыдущие пророчества говорили о соединении квантов и теории относительности в последовательной ch -теории. Бронштейн добавил к соединению гравитацию и говорил о cGh - теории. Большинство коллег смотрели скептически на такое добавление. У них был количественный резон: в мире атомов сила гравитации ничтожно мала по сравнению с другими. Знаменатель соответствующей дроби — астрономическое 40-значное число. А если так, зачем скрещивать кванты и гравитацию?!

Матвей Бронштейн, однако, не утверждал, что гравитация понадобится в атомной физике, и слово «астрономическое» тут кстати. Он первым понял, что именно в астрофизике есть проблемы, для понимания которых нужны и кванты, и сильная гравитация — прежде всего чтобы понять самое начало расширения Вселенной и последнюю стадию гравитационного сжатия — коллапса — звезды.

Пытаясь соединить квантовую теорию с теорией гравитации, Бронштейн обнаружил, что применять их совместно можно лишь с полузакрытыми глазами. Если же правде смотреть в лицо, то эти теории не-со-е-ди-ни-мы. Каждая из них подрывает исходные понятия другой. Фундаментальные теории, экспериментально проверенные по отдельности, не способны сотрудничать друг с другом.

А может, просто нечего интересоваться такими вопросами, как рождение Вселенной? Мало ли задач практически важных?! Во-первых, как учит история, чистая теория не раз давала важнейшие практические приложения; самый известный пример — радио и все, что из него развилось. А во-вторых, и в самых главных, если вопрос возник, теоретики все равно будут искать ответ, выясняя при этом, правильно ли сам вопрос задан.

Дружеский шарж выражает отношение М.П. Бронштейна к «социалистическому» планированию науки, которое обсуждалось на больших конференциях. Однако предсказание о теории квантовой гравитации он сделал без помощи гадальных карт, лишь силой научной логики.

Предсказание Бронштейна остается в силе уже три четверти века. И со временем становится все более вызывающим.

 

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:

lcGh = (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»

lcGh = (hG/c3 ) ≈ 10-33 см,

mcGh = (hG/G) ≈ 10-5 г,

tcGh = (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»,

mcGh = (hG/c) ≈ 10-5 г.

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

cGh = mcGh / (rcGh )3 = c5 /G2 h ≈ 1094 г/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 rcGh , 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:

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.

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:

Расхаживая из угла в угол по Митиной [домашнее имя М. Бронштейна] комнате и неохотно отрываясь для обеда и ужина, они обсуждали физические проблемы. Я заходила, садилась на край тахты; из вежливости они на секунду умолкали; Лева произносил что-нибудь насмешливо-доброе… Но я видела, что им совершенно не до меня, уходила — и из Митиной комнаты снова доносились два перебивающих друг друга мальчишеских голоса и слова непонятного мне языка.

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:

Не знаю, как на семинарах или в дружеском общении с собратьями по науке, но с простыми смертными Ландау никакой формы собеседования, кроме спора, не признавал. Однако меня в спор втягивать ему не удавалось: со мной он считал нужным говорить о литературе, а о литературе — наверное, для эпатажа! — произносил такие благоглупости, что спорить было неинтересно. Увидя на столе томик Ахматовой: «Неужели вы в состоянии читать эту скучищу? То ли дело — Вера Инбер», — говорил Ландау. В ответ я повторяла одно, им же пущенное в ход словечко: «Ерундовина». Тогда он хватал с полки какую-нибудь историко-литературную книгу — ну, скажем, Жирмунского, Щеголева, Модзалевского или Тынянова. «А, кислощецкие профессора!» — говорил он с издевкой. (Все гуманитарии были, на его взгляд, «профессора кислых щей», то есть «кислощецкие».) «Ерундовина», — повторяла я. И в любимые Левой разговоры об «эротехнике» тоже не удавалось ему меня втянуть. «Кушайте, Лева», — говорила я в ответ на какое-нибудь сообщение о свойствах «особ первого класса» и клала ему на тарелку кусочек торта. «Лида! — сейчас же вскрикивал Лев Давыдович, — вы единственный человек на земле, называющий меня Левой. Почему? Разве вы не знаете, что я — Дау?»

– «Дау» — это так вас физики называют. А я кислощецкий редактор, всего лишь. Не хочу притворяться, будто я тоже принадлежу к славной плеяде ваших учеников или сподвижников.

Митя, придерживаясь строгого нейтралитета, вслушивался в нашу пикировку. Забавно! Его занимало: удастся ли в конце концов Ландау втянуть меня в спор или нет.

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:

Так как среди этих книг есть и начатая мною книга о Галилее, то я считаю своим долгом и своим правом высказать Вам мои соображения по этому поводу.

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

Я вынужден реагировать на Ваш цинический поступок следующим образом: так как редактор Л.К. Чуковская руководила моей работой в области детской литературы с самого начала этой работы и так как без ее редакторских указаний я никогда не смог бы написать написанных мною детских книг, то я не считаю для себя возможным согласиться на передачу другому редактору подготовляемой мною книги о Галилее. Поэтому я расторгаю договор…

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:

Они стали рассказывать. Фамилии исчезнувших людей, друзей и сотрудников назывались одна за другой… В конце перечисления было названо еще и имя ленинградского физика Матвея Петровича Бронштейна… Дау был потрясен… Дау очень любил и ценил его и говорил, что «Аббат» — единственный человек, который повлиял на него «при выработке стиля».

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:

Он снял с моей души камень. А я и не знала, что камень был такой тяжелый. Мне казалось, я об этом и не думаю…

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

Кроме острой боли за него, я испытала дополнительную боль: а вдруг они по общему делу — Митя и Лева, — вдруг Митю вынудили дать какие-нибудь показания против Левы? Камень этот был снят с моей души Левиным появлением и Левиным рассказом: его «дело» не было связано с Митиным.

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.