Заметка в журнале

Как-то девятилетний сын Эйнштейна, Эдуард, спросил отца: «Папа, почему, собственно, ты так знаменит?» Эйнштейн рассмеялся, потом серьезно объяснил: «Видишь ли, когда слепой жук ползет по поверхности шара, он не замечает, что пройденный им путь изогнут, мне же посчастливилось заметить это».

Тем не менее Эйнштейн, творец теории относительности, не заметил, что шар, по которому ползет жук, раздувается, как мыльный пузырь! И когда в 1922 году советский ученый А. А. Фридман объявил: из общей теории относительности следует, что вселенная расширяется, что звездные миры, галактики, межзвездное вещество разбегаются постоянно и неотвратимо, многие вместе с Эйнштейном пожали плечами — безумная идея.

Эйнштейн даже опубликовал заметку, в которой утверждал, что работа Фридмана неверна, а полученные в ней результаты не имеют смысла. Этот приговор, казалось, обрекал труд Фридмана на забвение.

Но даже боги могут ошибаться, и Эйнштейн, ставший богом физиков, не избег печальной участи. Советский физик Крутков, посетивший Эйнштейна в Берлине, показал Эйнштейну письмо Фридмана, содержащее анализ критической заметки Эйнштейна. Всемирно известный ученый с присущей ему обстоятельностью изучил письмо, пришедшее из страны большевиков. Долгие годы он работал над сложнейшими вопросами физики и знал, что ошибки здесь неизбежны. Заблуждаться — дело божье, упорствовать в заблуждении — дело дьявольское, гласит народная мудрость. И Эйнштейн пишет в немецкий «Физический журнал» новую заметку в несколько строк. Вот она (не часто увидишь пример такой благородной научной самокритики!):

«Заметка о работе А. Фридмана „О кривизне пространства“.

А. Эйнштейн, Берлин.

(Поступило 13 мая 1923 года)

В предыдущей заметке я критиковал названную работу. Однако мое возражение основывалось на вычислительной ошибке, в чем я, по совету господина Круткова, убедился из письма господина Фридмана. Я считаю результаты господина Фридмана правильными и исчерпывающими. Оказывается, что уравнения поля допускают для структуры пространства наряду со статическими решениями и динамические (то есть изменяющиеся со временем) центрально-симметричные решения».

Кто он?

После такого головокружительного вторжения в физику имя Фридмана стало все чаще повторяться в кругах ученых.

Что представляет собою этот русский ученый? Восходящая ли это звезда? Или сверхновая, в пору зрелости заявившая о себе взрывом гениальности? Короче говоря, кто такой Фридман?

Сведения о нем ошеломляли не меньше, чем его открытие. Фридман? Да это сын петербургского музыканта, того самого, который для привлечения внимания публики к первой русской железной дороге дирижировал оркестром прямо на перроне, говорили одни.

Фридман — военный летчик, перебивали другие. В 14-м году он ушел добровольцем на фронт и даже получил «георгия».

Действительно, добавляли третьи, Фридман налетал много часов, но не как летчик. Он рассчитывал зависимость попадания артиллерийских снарядов в цель от скорости полета, от состояния погоды, изучал законы движения воздушных масс. Полеты интересовали его в основном как метеоролога.

Значит, он метеоролог? Ну конечно! Более того, он родоначальник русской метеорологии. До него метеорологией занимались лишь иностранцы, и Фридман считал, что ее губят бытующие в этой области грубые приближенные методы, фактически низводящие ее с уровня науки к гаданию на кофейной гуще. Фридман большой энтузиаст, он вовлек в метеорологию многих видных ученых. После войны он возглавил обсерваторию, где раньше директорствовали лишь видные сановники и генералы. В обсерватории он буквально перевернул все вверх дном. Установил образцовый порядок, обновил аппаратуру. Это о нем шутя говорили сотрудники: «Фридман прапорщик, а вертит обсерваторией не хуже генерала». Он добивался того, чтобы метеорология стала точной наукой, он стремился создать теорию, которая позволила бы научно предсказывать погоду. Он всеми силами внедрял в метеорологию математику.

Так Фридман математик? Конечно, отзывались четвертые, он один из талантливейших учеников великого русского математика Стеклова. Окончил Петербургский университет в 1910 году. После революции уехал преподавать в Пермь. Тогда впервые возникла идея о том, что науку нельзя сосредоточивать только в центре. И в Перми было решено создать университет. Там собралась компания талантливых молодых ученых, которые хотели сделать этот университет идеальным. Они решили в Перми исправить промах Петроградского университета. Этот промах заключался в том, что выпускники университета обладали очень скромным математическим багажом. Тогда кончали университет, не зная рядов Фурье, фундамента прикладной математики. В университетском курсе механики отсутствовал раздел колебаний. Понятие резонанса не волновало ни студентов, ни преподавателей. О нем просто умалчивали.

Академик Иван Васильевич Обреимов, который учился вместе с Фридманом с разницей в несколько курсов, вспоминает, что в двадцатых годах возникла идея организовать в Петроградском университете так называемый волновой семинар, который помог бы выпускникам расширить свой математический кругозор.

— Я руководил этим семинаром, — говорит Иван Васильевич. — Помню, на первом заседании выступил математик Тамаркин, на втором я сделал доклад о распространении волн в волноводе. А на третьем семинаре выступил Фридман. Тогда-то мы и услышали ошеломившее весь научный мир сообщение о решении эйнштейновского уравнения. Нужно признаться, мы в то время полностью не оценили великого значения работы Фридмана.

Между прочим, — добавил Иван Васильевич, — Фридман достигал больших высот не только фигурально, но и буквально. В 1925 году, производя метеорологические наблюдения, он поднялся на аэростате на высоту более семи километров. А вскоре Фридман уехал отдыхать в Крым, выпил там плохой воды и скончался от тифа в возрасте 38 лет. Нелепый, трагический случай…

Открытый или закрытый мир?

Сегодня метеорологи говорят, что главное дело жизни Фридмана — метеорология. Без него русская метеорология долго плелась бы в хвосте иностранной. Фридман подготовил почву для научного обоснования прогнозов погоды, он по праву считается отцом русской метеорологии.

А решение эйнштейновских уравнений, по словам метеорологов, — эпизод. Это было для него не главным. Так, забава между дел.

И тем не менее физики всего мира недавно отметили сорокалетие величайшего события, когда люди узнали, что один из основных законов развития вселенной — ее расширение.

История недолгого конфликта Фридмана с Эйнштейном особенно привлекла внимание к новому открытию. Сначала многие, не разобравшись, но полагаясь на авторитет Эйнштейна, решительно перечеркнули фридмановское решение, назвав его ересью. Затем, узнав об извинении Эйнштейна, кинулись в другую сторону: стали превозносить Фридмана и всячески раздувать «ошибку» Эйнштейна. Эти люди не скоро поняли, что, собственно, никакого несогласия, никакого конфликта не было.

Эйнштейн, исходя из интуитивных соображений, считал мир бесконечным во времени и искал так называемые стационарные решения своих уравнений. Сейчас нам кажется странным, как это Эйнштейн, стремившийся всюду заменить интуицию строгим анализом, проявил здесь слабость. Фридман же, будучи математиком, просто рассмотрел еще одно возможное решение уравнений.

Его не смутило, что решение противоречит привычной картине вечного мира. Раз решение с точки зрения математики возможно, его надо получить и исследовать. Что означает это решение, какие выводы из него следуют — этим математик может не интересоваться. Пусть с этим разбираются физики. Так Фридман пришел к сенсационному выводу — вселенная расширяется.

Да, Фридман сделал поразительное открытие. Оно укрепилось в науке не только авторитетом Эйнштейна, но впоследствии и авторитетом еще более высоким — опытом, Астрономы, наблюдая в телескопы далекие звездные миры, убедились: в соответствии с результатами Фридмана все небесные тела удаляются от нас, и тем скорее, чем дальше они находятся.

Счастье, что Фридман был математиком. Иначе он, возможно, счел бы свое решение невероятным и выбросил его в мусорную корзинку. Прочитав в уравнениях о начале и конце мира, трудно остаться безмятежным!

А какой иной вывод можно было сделать из факта расширения вселенной? Если сейчас звезды и галактики уплывают в недосягаемую даль, значит когда-то они были сжаты в единый плотный комок? В то время не существовало ничего похожего на современную вселенную. Тогда она только рождалась и лишь с течением веков и веков приобрела знакомые нам очертания.

Естественно, возникает вопрос: как долго будет продолжаться расширение вселенной? Будет ли оно длиться бесконечно или когда-нибудь наш мир, сдержав свой порыв, начнет сжиматься и вновь превратится в сверхплотный комок?

Фридман получил два решения уравнения. Из одного следовало, что действительно в какой-то отдаленный момент времени, который можно считать условно за начало развития вселенной (а было это 5–10 миллиардов лет назад), все расстояния в этом первобытном мире были равны нулю, а плотность материи была бесконечно большой. Это было нечто похожее на первичный сверхатом Леметра. Именно такой представлял вселенную в момент ее рождения французский писатель и философ. А затем вещество новорожденного мира начало разлетаться (по Леметру — сверхатом взорвался). Объем вселенной начал неограниченно увеличиваться, увеличивается и поныне и, возможно, будет расти всегда.

Расширение вселенной при этом мыслится бесконечным. Такая модель вселенной в научных кругах получила название «открытой».

Но второе решение того же эйнштейновского уравнения оказалось для человечества в принципе более трагичным. В начальной своей части оно не противоречило первому решению. И оно начиналось с плотно сжатого комка первоматерии. Но оно предсказывало и конец мира. Расширение вселенной не бесконечно, утверждало второе решение. В какой-то момент разбегание галактик прекратится, звезды, планеты, межзвездное вещество начнут вновь сжиматься, и мир опять превратится в комок чудовищно спрессованной материи.

До сих пор астрономы не могут ответить однозначно на вопрос о том, какой модели — открытой или закрытой — соответствует наша вселенная. Наблюдения должны дать какой-то ответ, но пока точность измерений недостаточна.

Возможно, где-то, на расстоянии триллионов световых лет от нас, небесные тела уже замедляют свой бег; может быть, где-то галактики уже повернули в обратный путь, и открытая модель переходит в закрытую…

Пока наука не обладает такими сведениями. Но астрономы определили скорость разбегания галактик. Те из них, между которыми пролегают расстояния в миллионы световых лет, разбегаются со скоростью 55 километров в секунду. Ученые предполагают, что при расстояниях, вдвое больших, и скорость больше вдвое; при расстояниях, больших в три раза, и скорость разбегания увеличивается втрое.

Наибольшая найденная скорость убегания — 120 тысяч километров в секунду, более трети скорости света!

Измерения продолжаются. Результаты уточняются.

Наказание за упрощение

Тридцать лет физики мирились с возможностью конца мира. Одних утешало то, что до конца пройдут миллиарды миллиардов лет. Другие, ссылаясь на парадоксальность выводов, призывали к разгрому теории относительности, называя ее антинаучной и реакционной. Третьи, понимая, что конца не может быть, пытались найти выход из тупика и, натыкаясь на новую стенку, ковали более мощное оружие.

Трудности были столь велики, что никто до последнего времени не сумел уточнить решение Фридмана. Математика не могла справиться с уравнениями, сколько-нибудь подробно описывающими строение реального мира.

Фридман, чтобы упростить задачу, сделал допущение, которое намного облегчило его труд, но зато привело к роковому выводу. Фридман решил исходить не из картины реального мира, а мира идеального. Мира, в котором распределение материи не произвольно, а в среднем упорядоченно — однородно. В представлении ученого мир походил не на поле, по воле случая усеянное цветами. Фридмановская вселенная напоминает клумбу, распланированную и засеянную педантичным садовником, клумбу, где на каждом квадратном метре высеяно определенное количество цветов.

Фридман для упрощения математических операций решил считать, что в звездном мире в каждом одинаковом, достаточно большом объеме мирового пространства живет строго определенное количество небесных тел. Такому миру второе решение уравнения общей теории относительности и предсказывало неминуемый конец…

Как же все это было? Как будет? Было ли начало и будет ли конец света на самом деле?

В Москве, в Институте физических проблем Академии наук СССР, загадки, возникавшие из решений Фридмана, давно вызывали ожесточенные споры. Особенно активными их участниками были два доктора наук — Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников. Они решили уточнить фридмановские расчеты, исследовать вселенную вблизи загадочных точек, прощупать начало и конец мира скальпелем математики. Их ждала кропотливая и сложная работа, чем-то напоминающая поиски клада.

Узнав, что сокровище зарыто в какой-то далекой стране, кладоискатели уверенно берут курс прямехонько на неведомый континент. Они не сомневаются в успехе: полдела сделано — карта найдена, клад почти в руках. Но, оказывается, чем ближе к цели, тем задача сложнее. Вот селение, указанное в старинном свитке, вот холм, близ которого зарыт клад… Но что это за роща, откуда появился овраг, где же три дерева и колодец между ними, в котором скрыто сокровище?!

Изменился рельеф местности, колодец высох, три дерева превратились в рощу…

А как подобраться к заметным точкам, спрятанным в глубине веков? Как разобраться в сложнейших изменениях, постигших звездный мир? Как преодолеть космический океан, где бушуют шквалы магнитных и электрических полей, где таинственные силы тяготения управляют движением огромных галактик и мельчайших пылинок?

Фридман указал путь в общих чертах. Лифшиц и Халатников должны были выработать точный математический маршрут, учесть все приметы времени и пространства, использовать все ресурсы современной науки.

И когда они приблизились мысленным взором к цели… конца мира они не нашли. Его не оказалось. Расчеты показали, что реальный мир не может иметь конца. Он был лишь во фридмановских решениях и являлся следствием идеализации вселенной, упрощений, допущенных автором. Конец мира был своеобразным наказанием за несовершенство математического аппарата, которым пользовался Фридман.

Лифшиц и Халатников, проведя чрезвычайно сложные расчеты, убедились, что вселенная никогда не съежится, как высохший плод, что, если она когда-нибудь и начнет сжиматься, это сжатие не будет столь велико, чтобы звездные миры слиплись в комок. Математический анализ показал, что из общей теории относительности не вытекает гибель вселенной. Огромным достижением советских физиков является то, что они подтвердили строгим математическим расчетом бесконечность развития мира — одно из принципиальных положений диалектического материализма.

А что можно сказать о другом, не менее загадочном этапе развития мира, о его начале? Путешествие в район возникновения вселенной пока невозможно. По мнению академика Л. Д. Ландау, это еще не по силам современной науке.

Что делал бог до сотворения мира?

Мало ли вопросов, которые еще не по силам науке, но над которыми думают ученые: что такое вселенная, как она устроена, почему вселенная существует?

«Первый вопрос представляется самым простым, и мы можем дать на него бойкий, хотя и неполный, ответ, пробормотав что-то о материи, тяготении, времени и протоплазме. Отвечая на второй вопрос, мы отваживаемся говорить о законах природы, о „тепловой смерти“ и разбегании галактик. Однако в ответ на вопрос: „Почему вселенная существует?“ — мы можем лишь воскликнуть: „Один бог знает!“ И по-видимому, это и есть „предельная“ информация».

Таков шуточный анализ состояния вопроса о познании вселенной, который делает один из виднейших современных ученых — американский астроном Харлоу Шепли. Но эта проблема, несмотря на свою кажущуюся безнадежность, тем не менее не теряет своей притягательности.

Загадка рождения вселенной не перестает будоражить воображение. Появился целый набор гипотез. Есть среди них и такая, которая вообще отрицает какое бы то ни было начало. Прошлое мира, утверждает она, столь же бесконечно, как и его будущее. «Существует непрерывное творение материи из „ничего“, необходимое, чтобы компенсировать потерю того вещества, которое вследствие расширения материальной вселенной вытекает „через край мира“». Но физика не дает оснований для таких предположений.

Все-таки, доказывает математика, начало мира было. Было, хоть эта проблема относится к числу «неприятных». Почему «неприятных»?

— Да потому, — объясняет Халатников, — что у людей, впервые слышащих об удивительных результатах космологии, возникает естественный вопрос: а что было до начала возникновения вселенной? Но так как начало течения времени совпадает с возникновением вселенной, то такой вопрос является бессмысленным. Ведь понятия «до» и «после» без привлечения понятия времени теряют смысл.

Даже блаженный Августин, живший в V веке и прославившийся воинствующим религиозным мракобесием епископ, которому принадлежат слова: «Лучше сжечь еретиков живьем, чем дать им коснеть в заблуждениях» — и тот задумывался над актом рождения вселенной. В своей исповеди он задается вопросом: «Что делал бог до того, как он создал мир?» Его явно не удовлетворял известный ответ: «Бог был занят тем, что создавал ад для людей, задающих глупые вопросы».

— Время возникло вместе с миром, оно, стало быть, принадлежит миру, и поэтому в то время, когда не существовало вселенной, не было и никакого времени, — говорит один из создателей квантовой механики, Гейзенберг.

Космический замок

Особенно увлекает ученых решение таких проблем, как первоначальный состав мира, его строение. Из какого вещества, из каких элементарных частиц состояла вселенная в детстве, была ли она горячей или холодной? Очень горячей и состояла почти из одних нейтронов, уверяют американские ученые Гамов, Альфер и Герман и называют даже цифру — миллиард градусов через 10 минут после начала расширения. Академик Я. Б. Зельдович, напротив, считает, что в начальной стадии вселенная была холодной и состояла из протонов, электронов и нейтрино. Только в холодном состоянии и только в присутствии нейтрино протоны и электроны могли слипнуться в атомы водорода, который, как известно, преобладает в природе. Будь на месте нейтрино нейтроны, наш мир состоял бы в основном из гелия и других элементов, более тяжелых, чем водород. Действительность, таким образом, поддерживает точку зрения Зельдовича.

Зельдович сумел мысленно проследить и первые этапы расширения вселенной, во время которых массы водорода (настолько холодные, что он был жидким или даже твердым) могли распасться на отдельные гигантские капли или глыбы. Разлетаясь во все стороны и снова притягиваясь друг к другу, они постепенно сливались, образуя зародыши звезд, а затем и сами звезды.

Это одна из новейших гипотез сотворения мира, но не единственная. В настоящее время существует 15 гипотез, предложенных учеными многих стран, стремящимися объяснить происхождение Земли и солнечной системы. И ни одна из них не является полностью удовлетворительной. «Если бы мы знали не так много, нам пришлось бы меньше объяснять…»

Нейтринную точку зрения на начальный период развития вселенной развивают академик Б. М. Понтекорво и доктор физико-математических наук Я. А. Смородинский. Они приписывают нейтрино и их антиподу — антинейтрино, частицам невидимым и до недавнего времени неуловимым, особую роль в формировании вселенной. Они считают, что когда-то масса нейтрино и антинейтрино была очень большой, гораздо большей всех остальных видов материи. Их было значительно больше, чем протонов, нейтронов, электронов и других элементарных частиц. В те времена ученым не пришлось бы далеко ходить в поисках антимира. Нейтрино и антинейтрино представляли удивительный пример содружества вещества и антивещества, мира и антимира. Содружества, подтверждавшего красивую идею о равноправии вещества и антивещества, идею симметрии мира, которую в наши дни вселенная, по-видимому, окончательно утратила. Но и это не единственная гипотеза, трактующая вопросы образования вещества и антивещества.

Итак, говоря словами одного из современных астрономов, «мы набросали перед читателями что-то вроде эскиза космического замка. Конечно, мы не закончили нашего строительства. Я не могу даже сказать, закладываем ли мы фундамент или кроем крышу. Вероятнее всего (и это самое большее, на что мы можем рассчитывать), мы строим какое-то вспомогательное помещение перед возведением самого здания».

Развивающаяся наука, несомненно, поможет ученым построить в нашем представлении великолепное, величественное здание нашего мира. Сегодня мы можем сказать о вселенной гораздо больше, чем в свое время могли сказать о ней наши предки, которые не шли в своей дерзости дальше утверждения, что в центре мироздания находится Земля или Солнце. Мы давно перешагнули через это эгоистическое заблуждение. А наши потомки, несомненно, перешагнут через путы, которые сегодня еще сковывают наш разум. Они с еще большей легкостью перешагнут через незнание, непонимание многих законов природы. И наш образ мышления, увы, наверняка назовут примитивным.

Участие в игре грандиозной

Да и что в этом удивительного! Мы изучаем космос всего несколько тысячелетий. По космическим часам это пустяк. За это время Плутон, например, сделал всего какой-нибудь десяток витков вокруг Солнца. А ведь число и возможности наших органов чувств ограниченны. Правда, человек давно призвал себе в помощь технику. Уже сегодня есть электронные вычислительные машины, способные «рассчитать» всю вселенную. Теория относительности Эйнштейна дает возможность по распределению масс небесных тел в мировом пространстве предугадать законы их движения, расположение в будущем. Узнать, что будет с миром через тысячу, через миллион лет, — эта задача принципиально решается сегодня. Принципиально… Чтобы решить ее фактически, надо было бы задать машине уравнение, в котором описан весь сегодняшний мир во всех подробностях. Уравнение, в котором бы каждая галактика, каждая звезда, каждая пылинка заняли свое место. И машине останется всего лишь транспонировать это уравнение в будущее, как транспонирует музыкант мелодию из одной тональности в другую.

Но этих-то подробностей об окружающем нас мире и не хватает современной науке. Ученые видят вселенную лишь на расстоянии видения самых сильных радиотелескопов. Правда, мощь телескопов все время повышается. Они видят все дальше и дальше. За последние сорок лет радиус обозреваемого пространства увеличился в десять тысяч раз. А если радиус сферы, куда могут проникнуть телескопы, увеличить всего в 10 раз, то число звезд возрастет примерно на число с 23 нулями! И все-таки мы можем лишь сказать, сколько звезд нам известно, но не можем знать, сколько небесных тел живут вне поля нашего зрения.

То, что сейчас от нас далеко, было когда-то близко. Когда вселенная только начала расширяться, далекие сейчас миры были где-то рядом с нами и участвовали в формировании нашего участка звездного мира. В своем движении органично связанные, переплетающиеся части вселенной взаимодействуют, влияют друг на друга. Присутствие материи меняет свойства пространства и времени. Каждая звезда, каждая планета вносит свой вклад в картину мира. И делать выводы о вселенной в целом нельзя, не зная жизни ее отдельных частей.

Вот почему «думающая» машина, не знающая того, чего не знает человек, не может справиться с принципиальной трудностью предсказания картины будущего мира, хотя математически эта задача ей по плечу.

Да так ли уж важно нам заглянуть во вселенную 300-го или 500-го века, не пройдя этапа ее постепенного познания, не понимая скрытых еще законов ее развития, не пережив психологическую эволюцию человеческого разума?

Когда-то людей, пытавшихся заглянуть в будущее, называли пророками. Но что бы сказали древние пророки, если бы кто-нибудь поведал им об открытиях науки нашего, XX века? Они не поверили бы своим ушам! Наше видение мира, по словам Шепли, без сомнения, также несовершенно, но мы по крайней мере сознаем, что принимаем участие в игре, гораздо более грандиозной, чем считали в древние времена.

— Мы надеемся, — говорит ученый, — что будущее принесет нам более фундаментальные знания и более великие идеи. Конечно, придут и более глубокие мысли, и шире будет область господства разума, совершеннее понимание функций человеческого мозга, выше честолюбие людей, принимающих участие в самых великих явлениях природы — явлениях космических масштабов.