Глава 4. О трудных временах для законов сохранения и о трудной профессии физика-теоретика

 

4. 1. Три попытки пошатнуть закон сохранения энергии. 3

4. 2. Гипотеза несохранения и мотивы ее сторонников. 8

а) В ожидании релятивистской теории квант. 8

б) Нейтринная альтернатива. 11

б) Несохранение энергии, ОТО, космология и астрофизика. 15

4. 3. Нефизические доводы в физике. 24

4. 4. Дуэль в «Сорене». 33

4. 5. Конец гипотезы несохранения. 40

 

 

Если читатель захочет по статьям Бронштейна не только узнать о развитии физики в 30-е годы, но и понять позицию автора, то особенно сильное недоумение вызовет, вероятно, популярная статья 1935 г. «Сохраняется ли энергия?». Удивит и сам этот вопрос — ведь сейчас закон сохранения энергии совершенно незыблем. Удивят и аргументы, сопровождаемые настоящей агитацией против всеобщей применимости закона сохранения энергии. Помимо физических соображений — экспериментальных и теоретических, автор стремится подорвать авторитет этого закона весьма нефизическими доводами, в частности уподобляя его тому, «прекраснее чего буржуа не может себе представить,— аккуратной бухгалтерской книге, в которой баланс подведен с точностью до последней копейки». А в вечном двигателе, использующем несохранение энергии в квантово-релятивистской области, предлагает видеть потенциальную основу для техники коммунистического будущего.

Читатель, успевший проникнуться симпатией к нашему герою, после его статьи о несохранении энергии испытает, наверно, чувство неловкости. С этим чувством можно справиться, только разобравшись в сути событий, которые сделали возможным появление указанной статьи. Внимательное рассмотрение этих событий поможет нам, кроме того, лучше понять научную обстановку 30-х годов и особенности физического мировоззрения М. П. Бронштейна.

О том, что закон сохранения был в 30-е годы уязвим, пишут нечасто и, главное, очень кратко. А одной фразой никак не объяснить, почему многие выдающиеся физики ставили тогда под сомнение всеобщность великого закона. Среди этих физиков были Ландау,

100

 

Гамов, Пайерлс, Дирак; из старшего поколения — Эренфест. А автором гипотезы несохранения был один из величайших физиков XX в. — Нильс Бор.

В 20—30-е годы закон сохранения энергии испытал целых три потрясения. И ко всем трем попыткам пошатнуть великий закон имел отношение Бор, к первым двум — самое прямое.

В многочисленных работах, посвященных творчеству Бора, рассматриваются его глубокие идеи, ставшие фундаментальными для современной науки. И это, конечно, вполне понятное следствие огромной роли, которую сыграл Бор в физике XX в.

Однако хорошо известно, что не ошибается только тот, кто ничего не делает. В этой главе мы рассмотрим судьбу главной ошибочной идеи Бора — гипотезы о нарушении ЗС в субатомной физике. Поверхностному взгляду, брошенному в прошлое с высоты современных знаний, эта гипотеза может показаться не только ошибочной, но даже легковесной. Однако, чем навешивать ярлыки и ставить оценки, гораздо интереснее осмыслить обстоятельства, сделавшие возможным появление идеи, которая позже была сочтена явным заблуждением. Состояние науки и методология ученого иногда характеризуются заблуждениями не менее выразительно, чем достижениями. Гипотезу Бора никак нельзя назвать случайной, она привлекала его внимание долгое время — с 1922 по 1936 г. И важно понять причины долгой жизни столь нежизнеспособной, казалось бы, идеи.

4. 1. Три попытки пошатнуть закон сохранения энергии

Впервые идею ограниченной применимости ЗС в субатомной физике Бор опубликовал в статье 1923 г. [113] (законченной в ноябре 1922 г. ). Почвой, на которой возникли сомнения в ЗС, были размышления о несовместимости волнового описания света и представлений о квантах света (введенных Эйнштейном в 1905 г. и позже названных фотонами). В то время

¹ Будем называть так для краткости идею ограниченной применимости закона сохранения энергии. Для облегчения текста будем также употреблять аббревиатуры ЗС и ГН (закон сохранения и гипотеза несохранения).

101

 

главным инструментом Бора был принцип соответствия, и он не видел никакой возможности в духе этого принципа совместить волновую теорию и кванты света. Поэтому идею квантов света Бор считал неприемлемой. Но эйнштейновская «эвристическая точка зрения» на свет как на поток квантов, столь успешно объяснявшая фотоэффект, опиралась на ЗС. И вполне естественно, что антипатия к квантам света привела к сомнениям в абсолютности ЗС. Подобные сомнения, надо сказать, посещали и других [202, с. 133], но только смелость Бора и его авторитет позволили сделать эти сомнения достоянием сообщества физиков.

Бор яснее других видел пропасть, зиявшую между квантовым дискретным и классическим непрерывным описаниями, и, для того чтобы построить мост теории через эту пропасть, он даже отступление от ЗС считал не слишком большой ценой [241, с. 290]. По опыту создания теории атома он знал, что иногда достигнуть цель нельзя, двигаясь только малыми шагами. Такому физику-мыслителю, как Бор, было труднее, чем другим, мириться с отсутствием (выражаясь словами Эйнштейна) внутреннего совершенства физической картины, и меньший вес имело внешнее оправдание, каким располагала идея квантов света к 1922 г.

Внешнее оправдание стало еще большим после открытия в 1923 г. эффекта Комптона и его фотонного объяснения на основе законов сохранения энергии и импульса. Поскольку, однако, это объяснение не уменьшило разрыва между корпускулярным и волновым описаниями, Бор продолжал бороться с квантами света. И в 1924 г. он вместе с Крамерсом и Слетером предложил подход к описанию эффекта Комптона, обходящийся без понятия световых квантов и предполагающий соблюдение ЗС только в статистическом смысле [120]. Эта опасность для ЗС длилась, однако, недолго: в 1925 г. эксперимент (Комптона—Саймона и Боте—Гейгера) ясно высказался за фотонное описание и против описания Бора—Крамерса—Слетера.

Так закончился первый натиск на ЗС. Для Бора, впрочем, он завершился не столько экспериментальным подтверждением ЗС в субатомной физике, сколько созданием последовательного аппарата квантовой механики, увенчанного в 1927 г. принципом неопределенности и принципом дополнительности,— был построен долгожданный теоретический мост, связывающий корпуску-

102

 

лярное и волновое описания уже не только света, но и вещества.

Второй натиск на ЗС породили проблемы ядерной физики. Если первый натиск начинался с теоретической неудовлетворенности и кончился приговором эксперимента, то второй начался с неудовлетворительной экспериментальной ситуации и завершился построением теории (впрочем, мы еще увидим, насколько теоретическое было сплавлено с экспериментальным). Прежде всего — хронологическая канва событий.

Начало положили эксперименты Эллиса—Вустера 1927 г. Они установили, что электроны, вылетающие при β-распаде ядер, распределены по энергиям непрерывно. И хотя начальное и конечное состояния ядра обладают вполне определенными энергиями, их разность больше средней энергии β-электронов. Было установлено, и что β-распад не сопровождается γ-излучением, которое могло бы восстанавливать баланс энергии в каждом отдельном акте β-распада. Это дало Бору основание предположить, что в ядерной физике ЗС может нарушаться. Самые ранние свидетельства его гипотезы — рукопись заметки, которую в июле 1929 г. он послал Паули на отзыв, и соответствующие их письма [247, с. 4]² (публично эту гипотезу Бор высказал только в октябре 1931 г. [116]).

Паули не счел предположение Бора основательным и в противовес выдвинул собственную гипотезу. В декабре 1930 г. в письме «собранию радиоактивных дам и господ», собравшихся в Тюбингене, «имея в виду "неправильную" статистику ядер N и Li⁶» ³, а также непрерывный спектр β-распада, Паули «предпринял отчаянную попытку спасти теорему статистики и закон сохранения энергии» [252, с. 390]. Он предположил, что в ядрах существуют нейтральные частицы спина 1/2, которые при β-распаде вылетают из ядер вместе с электронами и, обладая большой проникающей способностью, уносят с собой «несохраняющуюся»

² Авторы благодарны Р. Пайерлсу за возможность познакомиться с рукописью его статьи [247] до ее выхода.

³ Речь идет о так называемой азотной катастрофе. Свойства атомного ядра существенно зависят от четности числа составляющих его частиц. Ядро, состоящее из k нейтронов и l протонов, в те - донейтронные - времена считалось состоящим из k + l протонов и k электронов. Четности чисел k+l и 2k + l, вообще говоря, не совпадают (в частности, для азота).

103

 

часть энергии. Присутствие таких частиц в ядре могло предотвратить и азотную катастрофу. Вскоре Паули, однако, понял, что одной нейтральной частицей обе эти проблемы решить нельзя. И в июне 1931 г. он впервые публично (но лишь устно) сообщил о своем плане спасения ЗС с помощью нейтральных, весьма проникающих частиц, сопровождающих β-распад [Там же, с. 393].

В октябре 1931 г. на международной конференции по ядерной физике в Риме противостоящие гипотезы встретились. Хотя Паули нашел там важного союзника — Ферми (которому новая частица — нейтрино — стала обязана своим именем и теорией), большинство участников конференции склонялись к точке зрения Бора, впервые опубликованной именно в Трудах Римской конференции. Реферируя этот сборник, Бронштейн писал: «Согласно взглядам Бора, которые теперь уже, кажется, стали почти общепринятыми среди теоретиков, законы сохранения энергии и количества движения, представляющие одну из наиболее характерных черт современной физической теории, должны перестать соблюдаться в области релятивистской теории квант» [68] (при чем здесь «релятивистская теория квант», мы увидим в следующем разделе).

Паули же не решался публиковать свою нейтринную гипотезу вплоть до Сольвеевского конгресса в октябре 1933 г. Там было сообщено о резкой верхней границе β-спектра, согласующейся с ЗС, а две экспериментально открытые новые частицы — нейтрон и позитрон — жили в физике уже на полных правах. После этого конгресса и в особенности после построенной Ферми вскоре, в самом конце 1933 г., теории β-распада число физиков, сомневающихся в ЗС, стало уменьшаться и обратилось в нуль в 1936 г. после драматического, но длившегося всего несколько месяцев кризиса, связанного с опытами Шэнкланда.

Эти опыты, изучавшие комптоновское рассеяние в области высоких энергий, противоречили фотонной теории и законам сохранения. Сильное волнение, вызванное результатами Шэнкланда, и вспыхнувшие вновь дискуссии о применимости ЗС в микромире, кажутся сейчас объяснимыми только верой в сказочный закон, согласно которому третья попытка всегда успешна. Опыты Шэнкланда были очень скоро опровергнуты и забыты. Тогда же исчезли сомнения в ЗС.

104

 

Точку в этой истории Бор поставил в заметке, которая сопровождала публикацию экспериментов, опровергающих Шэнкланда: «основания для серьезных сомнений в строгой справедливости законов сохранения при испускании β-лучей атомным ядром сейчас в основном устранены» [119]. В словах «серьезных» и «в основном» можно усмотреть горечь по поводу разрыва родительских уз, связывающих Бора с гипотезой несохранения. Описывая историю нейтрино в 1957 г., Паули не без некоторого недоумения отметил: «Впрочем, справедливость закона сохранения энергии при β-распаде и существование нейтрино он [Бор] признал полностью лишь в 1936 г., когда уже была успешно развита теория Ферми» [Там же, с. 394].

А теперь рассмотрим внимательнее ход интересующих нас событий и попытаемся понять мотивы их участников.

4. 2. Гипотеза несохранения и мотивы ее сторонников

а) В ожидании релятивистской теории квант.

 Первые сомнения Бора в ЗС, порожденные его антипатией к эйнштейновским квантам света, нашли мало сочувствия не только за пределами его группы, но и среди его сотрудников. Не разделял эти сомнения даже Слетер, на основе идеи которого (о виртуальном поле излучения) и в соавторстве с которым Бор в 1924 г. попытался реализовать «закон несохранения энергии» [202, с. 138]. При этом следует сказать, что сомнения в идее световых квантов были довольно широко распространены, и не только среди физиков старшего поколения. Например, Ландау в 1927 г., рассматривая квантование электромагнитного излучения, сказал: «Введение световых квантов, однако, произвольно и не является необходимым» [213, с. 21] (в то же время Бронштейн, как видно по его первым работам, был на фотонных позициях). Квантовый парадокс (как называли тогда проблему совмещения дискретного и непрерывного описаний) скорее вдохновлял теоретиков, находящихся на подъеме. Сама сила парадокса предвещала такое его разрешение в теории, которое могло превзойти разрешение эфирных парадоксов теорией относительности. Но отказ от ЗС при отсутствии ново-

105

 

гo принципа, способного заменить его, для большинства теоретиков не имел тогда серьезных оснований.

В 1929 г., когда Бор вернулся к своей идее, ситуация существенно изменилась. В рамки ЗС не укладывался экспериментальный факт (непрерывность β-спектра). И, что еще важнее, теория благословляла принципиально новое поведение Природы в соответствующей области, поведение, не обязанное подчиняться построенной и успешно действовавшей квантовой механике. Благословение это предшествовало надежному установлению экспериментального факта и от того становилось еще более убедительным. Ведь до открытия нейтрона (1932) считалось несомненным, что в состав ядра входят электроны: об этом «непосредственно» свидетельствовали сами β-лучи. А появившийся в 1927 г. принцип неопределенности сделал ясным, что к внутриядерным электронам неприменима нерелятивистская теория, какой была квантовая механика: подставив размер ядра и массу электрона в соотношение ΔxΔp~ћ, получим релятивистские скорости внутриядерных электронов, что выводит соответствующие явления в область релятивизма.

Для понимания сторонников боровской гипотезы важно учитывать общее состояние фундаментальной физики на рубеже 20—30-х годов. Это было время ожидания «релятивистской теории квант» — теории, в которой действовали бы наравне две мировые константы с и ћ. Дираковское уравнение для электрона (1928) считалось, конечно, выдающимся результатом, но неполноценным из-за отрицательных состояний. Кроме того, от подлинной cћ-теории ожидалось гораздо большее, чем давало уравнение Дирака. Синтез релятивистских и квантовых идей в cћ-теории казался чуть ли не последним важным событием в теоретической физике. Все ожидали, что cћ-теория объяснит численное значение постоянной тонкой структуры α = e²/cћ и — тем самым — атомизм заряда [81, с. 205]. Только немногие осознавали, что за построением cћ-теории должно еще последовать построение cGћ-теории и (на ее основе) космологии [21, 250], для большинства же слабость гравитационного взаимодействия и его неучастие в атомной физике было достаточной причиной, чтобы оставлять G вне поля зрения.

С конца 20-х годов физики, не успевшие еще вполне привыкнуть к радикальным переменам, связанным

106

 

с квантовой механикой, были вместе с тем уверены, что грядущая cћ-теория принесет с собой еще более глубокую перестройку [252, с. 72]. Эта уверенность питалась несколькими причинами.

Во-первых, тогда еще не выдохлась программа единой теории поля [128]. Хотя к эйнштейновскому идеалу такой теории относились в основном скептически, единое представление релятивизма, квантов, гравитации и электромагнетизма казалось возможным в обозримом будущем. А такая возможность — даже при малой ее вероятности — окрыляла теоретическую мысль.

Другим источником теоретического радикализма были глубокие трудности, не устранимые тогдашними средствами, прежде всего — бесконечности теории поля.

И, наконец, третий, пожалуй, самый важный источник нонконсерватизма: на рубеже 20—30-х годов обнаружились ограничения понятийного аппарата, рожденные совместным учетом релятивизма и «квантизма» (индивидуальные неопределенности, бессмысленность понятия «поле в точке» и т. д. [158, 163]). К этому добавлялись и «фундаментальные дефекты» первой квантово-релятивистской теории — теории Дирака (дефекты эти превратились в триумф только после открытия позитрона в 1932 г. ).

Замечательные реальные достижения квантовой механики внушали теоретикам уверенность, что физика находится на правильном пути, но перечисленные обстоятельства убеждали их в том, что до конца пути еще далеко. В настроении теоретиков на рубеже 20—30-х годов действовала инерция революционности, оставшейся от эпохи создания теории относительности и квантовой механики. Физики успели привыкнуть к темпу понятийной перестройки предыдущих десятилетий. Поэтому, например, в то время смогла появиться такая радикальная идея, как квантование пространства-времени. Поэтому и радикальность гипотезы несохранения по тем временам воспринималась не так уж остро.

б) Нейтринная альтернатива.

В революционном настрое теоретиков кроется причина преобладавшего вначале отрицательного отношения к нейтринной гипотезе Паули. Эта гипотеза казалась слишком простым решением ядерной проблемы, слишком дешевым.

107

 

Легко понять, почему нейтринная гипотеза могла казаться непривлекательной в самом начале 30-х годов. Ведь тогда было хорошо известно, что вещество (или материя, как тогда чаще выражались) построено всего из двух элементарных частиц — электрона и протона, существование которых надежно установлено и проявляется в огромном количестве фактов. Обе частицы имеют электрический заряд. Незаряженный фотон не стоял тогда в одном ряду с этими материальными частицами не только в силу его молодости и традиционного противопоставления света и материи, но и по причине, физически более существенной,— свет характеризовал только взаимодействие и не выполнял функций строительного материала. Добавление к двум элементарным частицам материи еще одной, не обладающей электрическим зарядом и почти не обладающей массой (короче, неуловимой частицы), казалось пресловутым умножением сущностей, искусственной гипотезой для спасения старого закона природы, нуждающегося в замене. Не случайно Паули целых три года воздерживался от публикации своей идеи и обсуждал ее только устно. Осенью 1933 г., накануне перелома в физическом общественном мнении, Бронштейн писал [77]: «Однако до последнего времени допущение "нейтрино" казалось признаком столь дурного вкуса, что теоретики, почти не колеблясь, принимали альтернативу, предложенную Бором», т. е. гипотезу несохранения энергии (ГН).

Только широкое видение науки позволяло говорить тогда об исторически изменяемом числе элементарных сущностей, из которых построена материя. Как писал Бронштейн в 1930 г. : «Мир оказался еще более простым, чем думали древние греки, по мнению которых все тела природы состояли из четырех элементов — земли, воды, воздуха и огня. Протоны и электроны в настоящее время считаются (надолго ли?) последними элементами, образующими материальные тела» [63, с. 58]. В 1930 г. вряд ли кто из физиков мог поверить, что так ненадолго.

До экспериментального открытия в 1932 г. сразу двух новых частиц (одна из которых к тому же электрически не заряжена) наиболее общие методологические установки тогдашней физики были против нейтрино. За нее мог быть только теоретический эмпиризм, если можно так выразиться,— конкретные,

108

 

проблемы и факты ядерной физики: азотная катастрофа, верхняя граница β-спектра и т. п. Спасение ЗС также не выглядело целью самого высокого теоретического уровня. Ведь, несмотря на все значения этого закона для физики и его философское звучание, с точки зрения развитой динамической теории ЗС лишь ее следствие, один из интегралов уравнений движения.

С 1932 года — «года чудес» для ядерной физики — на нейтринную чашу весов добавляются, а с противоположной убираются все новые гири. Открытие нейтрона привело (хотя не так легко и быстро, как может показаться на первый взгляд) к тому, что внутриядерных электронов попросту не стало; утверждалось представление о том, что β-электроны рождаются. В результате начала слабеть важнейшая теоретическая опора ГН — обнаружилось, что проблемы построения полной cћ-теории и теории ядерных явлений в большой степени независимы и что есть существенная область ядерной физики, в которой можно опираться па построенную и успешно действующую нерелятивистскую квантовую механику. И все же в проекте программы Ленинградской ядерной конференции, составленном в декабре 1932 г., был объединенный пункт — «теория структуры ядра и вопросы релятивистской квантовой механики» [287]. И на самой конференции (сентябрь 1933 г. ) нейтрино оказалось не в центре дискуссий: в пространном отчете о конференции, написанном одним из самых активных ее советских участников — Иваненко, о нейтрино нет ни слова [188].

Переломным моментом стал конец 1933 г. В октябре на Сольвеевском конгрессе было сообщено о новых экспериментальных данных по верхней границе β-спектра, и нейтринная гипотеза стала привлекать большее внимание. Паули, наконец, решился ее опубликовать, а Бор формулировал свою позицию уже в более осторожных выражениях. В самом конце 1933 г. Ферми на основе нейтринной гипотезы построил теорию β-распада и получил важное следствие из нее — форму β-спектра, из сравнения которой с экспериментом следовало, что масса нейтрино близка к нулю или равна ему.

Однако теория Ферми стала решающим доводом в пользу нейтрино и соответственно против ГН не для всех. Главная причина состояла в том, что эта теория

109

 

была аргументом не такого методологического уровня, как соображения в пользу ГН. Теория Ферми не привлекала новых принципиальных идей и очень мало походила на ожидаемую теорию «следующего поколения» после квантовой механики и тогдашней квантовой электродинамики. Все ее совершенство сводилось к внешнему оправданию, а подлинно глубокие проблемы, как тогда считалось, в ней просто удалось запрятать в новую физическую константу, характеризующую β-взаимодействие и лишь ожидающую сведения к фундаментальным физическим постоянным [148].

б) Несохранение энергии, ОТО, космология и астрофизика.

Для тех, кому было недостаточно новых экспериментальных данных и теории Ферми, важным оказалось замечание Ландау о несовместимости ГН и общей теории относительности — аргумент уже вполне фундаментальный. Этот аргумент впервые прозвучал во время теоретических дискуссий в УФТИ в декабре 1932 г. В письме Бору от 31. 12. 1932 г. Гамов сообщал:

«В начале декабря я был в Харьковском институте, чтобы посмотреть на быстрые протоны, которые они там получили. Эренфест, Ландау и некоторые другие теоретики также были там, поэтому мы организовали маленькую конференцию. Обсуждали многие вопросы и выяснили одну вещь, которая, полагаю, будет особенно интересна Вам. Похоже на то, что несохранение энергии находится в противоречии с гравитационными уравнениями для пустого пространства. Если гравитационные уравнения справедливы для области В, то отсюда следует, что полная масса в области А (где законы нам неизвестны) должна быть постоянной [на рисунке в письме область А изображена малой частью области В]. Если в области А мы имеем, например, ядро RaE и скачком меняем его полную массу в трансмутационном процессе, мы не можем больше пользоваться обычными гравитационными уравнениями в области В. Каким образом мы должны изменить эти уравнения, неясно, но замена должна быть сделана. Что Вы думаете об этом?» [247, с. 568]. (Озадаченность Гамова легко понять, если учесть, что боровская гипотеза о несохранении, к которой он относился очень сочувственно, была впервые опубликована в его работе 1930 г. [143]: публикация самого Бора появилась, напомним, в 1932 г. )

Эренфест был в Харькове с 14 декабря 1932 г.

110

 

до 14 января 1933 г. [285, с. 152]. Этот же месяц провел в Харькове и Бронштейн [103], при обсуждении статьи которого [16] указанные соображения Ландау и появились [31, с. 196]. Статья Бронштейна прибыла в Харьков (в издаваемый здесь на иностранных языках журнал) на месяц раньше автора. В статье «О расширяющейся вселенной» пересеклись две фундаментальные темы: временная асимметрия космологии и релятивистская квантовая теория. А точка пересечения представляла собой попытку построить космологическую модель, реализующую гипотезу Бора о несохранении энергии. Бронштейн прекрасно знал ситуацию в релятивистской космологии и понимал возможности (и невозможности) ОТО, не включающей в себя квантовую теорию. Он считал, что космологическую проблему и в особенности проблему временной асимметрии нельзя решить, ограничиваясь только рамками ОТО (вопреки мнению Леметра), и что для этого необходима квантово-релятивистская теория. А значит, в соответствии с боровской гипотезой, надо учесть несохранение энергии, что Бронштейн и сделал эффективно, предполагая космологический член Λ в уравнениях ОТО зависящим от времени.

Так возникла первая физическая «константа», зависимость которой от времени была увязана с расширением Вселенной ⁴. В современной космологии, видящей свой фундамент в единой теории взаимодействий [201], также появляется космологическая константа, зависящая от возраста Вселенной (от ее температуры, меняющейся с возрастом). И так же как в модели Бронштейна, в нынешних построениях энергия может перекачиваться от «видимых» форм материи к «невидимому» Λ-полю. Когда историк науки говорит о предвосхищении, это нередко производит впечатление натяжки — слишком сильно научная ситуация меняется со временем. Мы не станем употреблять этого слова. Но не забудем, что идеи, переданные научному сообществу, начинают жить собственной жизнью, легко забывая свое происхождение.

⁴ Напомним, что гипотеза Дирака о гравитационной константе, зависящей от космологического времени, появилась в 1937 г. [170]. Не исключено, что между этими идеями была связь. Дирак присутствовал на Первой Всесоюзной ядерной конференции 1933 г., на которой Бронштейн делал доклад «Космологические проблемы» (см. разд. 3. 10).

111

 

Вернемся теперь к статье Бронштейна. В добавлении к ней, датированном 13. 1. 1933 г. и возникшем в результате харьковских обсуждений с Эренфестом и Ландау (которых Бронштейн благодарит), замечание Ландау было опубликовано впервые:

«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. Это обстоятельство строго проверяется в случае решения Шварцшильда (сферическая симметрия); физически это связано с тем фактом, что эйнштейновские гравитационные уравнения допускают только поперечные гравитационные волны, но не продольные. . . ».

Указанная несовместимость ГН с ОТО не разрушает бронштейновскую модель, но делает ее малопривлекательной: «То, что в моей работе эта трудность обходится, основано на использовании макроскопических уравнений вместо микроскопических; рождение излучательной энергии в ядрах звезд [подчиняющихся, как тогда считалось, квантово-релятивистской теории] трактуется как новая форма энергии, связанная с Λ-полем, которая компенсирует боровское несохранение. Этот выход из указанного трудного положения кажется очень неприятным; никаких других в настоящее время не видно. Данный парадокс в действительности очень озадачивает, он характерен для трудностей, возникающих в связи с космологической проблемой» (об отношении Бронштейна к космологии см. гл. 5).

Напомним, что в ОТО масса сферически-симметричного источника в пустоте не может зависеть от времени и что поперечность электромагнитных волн связана с законом сохранения заряда. Как мы видим, у Бронштейна несовместимость ГН и ОТО описана гораздо определеннее, чем в письме Гамова (и в статьях [147, 148]). Это, впрочем, не удивительно; судя по публикациям, Гамов владел ОТО далеко не в той мере, как Бронштейн.

Суть соображений Ландау можно пояснить следующим образом. Согласно ОТО роль источника гравитационного поля — роль заряда — играет энергия (или соответствующая ей масса: E = Мс²). Поэтому, аналогично электродинамике, нельзя изменить энер-

112

 

гию в какой-то области без того, чтобы изменение не было скомпенсировано переносом энергии через границу этой области (теорема Гаусса). Нельзя предполагать нарушение ЗС только в микрообластях и уповать на будущую квантово-релятивистскую теорию. Ведь, поместив такую микрообласть внутри области достаточно большой, заведомо относящейся к сфере применимости ОТО, получили бы нарушение ЗС уже в пределах ОТО.

Хотя замечание Ландау не было вполне определенным в математическом смысле, с физической точки зрения оно казалось почти убийственным для ГН. Об этом свидетельствует отчаянное предположение Бора, что теория гравитации неприменима к атомным частицам [118, с. 172]. Впрочем, как уже сказано, это не спасало положения — надо было менять теорию гравитации и вне микромасштабов. Гамов по этому поводу писал: «отказ от закона сохранения энергии должен необходимо повести к изменению общих уравнений гравитации для пустого пространства. Это, конечно, возможно, но весьма неудобно» [148, с. 391].

Бронштейн, знаток ОТО, яснее видел всю меру этого «неудобства». Во введении к своей главной работе о квантовании гравитации он отмечает, что указанное Ландау обстоятельство, «по-видимому, исключает возможность нарушения закона сохранения энергии в материальных системах, хотя бы и не подчиняющихся общей теории относительности (например, в системах, подчиняющихся «релятивистской теории квант»). В самом деле, изменение энергии (и, следовательно, массы) такой системы должно привести к распространению гравитационных волн в окружающем пустом пространстве, подчиняющемся обыкновенной («неквантовой») общей теории относительности; эти волны, на основании соображений симметрии, должны иметь продольный характер, а это исключается уравнениями закона тяготения в пустом пространстве. Этот качественный аргумент Ландау, впрочем, до сих пор не получил более подробного количественного обоснования» [31, с. 196].

К концу 1935 г., когда были написаны эти слова, математическая неопределенность указанной взаимосвязи уже не имела особого значения, поскольку к тому времени ГН утратила привлекательность почти совсем. Однако, несмотря на такую неопределенность и

113

 

на смехотворную малость гравитационных эффектов в микрофизике, для сторонников ГН этот теоретический аргумент был сильнее новых экспериментальных данных по β-спектрам. В этом можно убедиться по статьям Бора и Гамова [118, 147, 148]. Даже Паули в 1937 г., когда проблема ЗС уже закрылась, в лекции, прочитанной во время пребывания в СССР, говорил об этом аргументе как о существенном достижении [251] ⁵. Теоретики были готовы изменять понятия для продвижения физики вперед, но не жертвовать классическим наследием, в которое тогда уже входила ОТО (обычное для науки сочетание революционности и консерватизма).

Гипотезу несохранения энергии в ядерной физике отделяло от гравитации не такое большое расстояние, как может показаться. Уже при появлении эта гипотеза (в рукописи Бора 1929 г. [247]) применялась для объяснения источника солнечной энергии. В дальнейшем, несмотря на неконструктивность ГН, астрофизическое ее приложение обросло даже некоторой плотью. Главную роль в этом сыграла работа Ландау 1932 г. о предельной массе звезды из ферми-газа [214]. Сейчас этот результат воспринимается только в связи с теорией белых карликов и черных дыр, однако в то время он воспринимался иначе. Сам Ландау считал, что обнаружил существование в звездах областей (названных им патологическими), требующих для своего описания cћ-теории и, в соответствии с идеей Бора, рождающих из «ничего» энергию излучения звезд. Подразумевался некий циклический процесс, в котором рождается энергия: патологическая область — гигантское ядро — испускает β-электроны высокой энергии, а поглощает — низкой [81, с. 230].

Сейчас кажется очень странным, почему проблема источников звездной энергии так настойчиво привязывалась к ГН. Ведь на эту роль уже были предложены и синтез гелия из водорода, и аннигиляция электрона и протона (еще не запрещенная законами сохранения лептонного и барионного зарядов). Оба эти способа горения звезд были хорошо известны, их не раз обсуждал и Бронштейн.

⁵ Правда, автором этого достижения почему-то назван не Ландау, а. . . Эйнштейн. Возможно, это связано с арестом Ландау в апреле 1938 г.

114

 

Чем же они не устраивали? Прежде всего, оба опирались на закон сохранения энергии (ΔE = ΔM/с²), а в особых условиях недр звезд, где эти механизмы могли бы действовать, применимость ЗС сама была под вопросом. Кроме того, физикам-теоретикам мешал максимализм в отношении к астрономическому материалу — стремление объяснить сразу все из первых принципов. Теория звездной эволюции оказалась тогда в тяжелом состоянии: физикам стала ясна переупрощенность основного ее предположения, согласно которому звезды состоят из идеального газа (только впоследствии обнаружилась обширная область применимости этого предположения). В то же время наблюдательный материал (диаграмма Герцшпрунга—Рессела) намекал на одномерную эволюционную связь различных типов звезд и провоцировал на фундаментальное физическое объяснение. Причина, по которой отвергался общепризнанный теперь механизм горения (синтез), состояла в том, что он давал слишком много гелиевой «золы» и не мог объяснить эволюционного перехода между состояниями звезд, сильно отличающимися по массе.

Ограниченность и даже наивность подобных соображений сейчас понятна каждому, кто знаком со сложным — далеко не одномерным — материалом по звездной эволюции, накопленным к настоящему времени. Известно также, что массу звезда может сбрасывать, а не только высвечивать по релятивистскому закону ΔE = ΔMс². Однако все это известно сейчас, а в тогдашней астрономо-физической обстановке выводы относительно «патологических областей» в сердцевинах звезд принимались всерьез, в частности В. А. Амбарцумяном [91], творческий путь которого в середине 30-х годов уже заметно удалился в астрономическом направлении от университетских друзей физиков из Джаз-банда.

С проблемой ЗС взаимодействовала не только астрофизика. Космологический мотив в этой истории, так же как и судьба замечания Ландау, свидетельствует, что представление об «опыте как верховном судье» описывает эволюцию взглядов теоретика весьма приблизительно.

По словам Паули (в 1957 г. ), его антипатия к ГН в 30-е годы питалась, помимо эмпирического факта (верхней границы β-спектра), двумя теоретическими

115

 

соображениями [252, с. 393]. Во-первых, он, не сомневаясь в законе сохранения электрического заряда, не видел оснований для того, чтобы этот закон и закон сохранения энергии имели бы разные уровни фундаментальности (конкретизацию этого сомнения можно, кстати, видеть в замечании Ландау, в сущности обратившего внимание на параллель между электрическим и гравитационным зарядами). Во-вторых, Паули считал недопустимым, что несохранение энергии в β-процессах подразумевало необратимость физических явлений на фундаментальном уровне. Однако то же самое обстоятельство — возможная временная асимметрия cћ-теории — делало ГН привлекательной для Ландау и Бронштейна, которых в те годы занимала проблема космологической необратимости [22]. Любопытно отметить, что спустя два с половиной десятилетия, когда в физике бушевали страсти по поводу уже действительного нарушения закона сохранения (четности), тот же самый Паули счел вполне разумным искать связь этого нарушения с космологическими обстоятельствами [252, с. 383].

Когда с нынешних позиций пытаешься вникнуть в дискуссии 30-х годов о законах сохранения, кажется неизбежным, что к обсуждению должна была привлекаться взаимосвязь законов сохранения с симметрия-ми пространства-времени, в частности связь закона сохранения энергии с однородностью времени. Если вспомнить, что тогда только что был установлен факт расширения Вселенной, т. е. неоднородность времени в космологических масштабах, то легко придумывается аргумент в пользу ГН.

Сейчас подобные взаимосвязи, выражаемые теоремой Нетер, хорошо известны [126]. Однако в материалах тогдашних обсуждений удалось найти только одно соответствующее замечание. В 1936 г. на мартовской сессии Академии наук, в самый разгар «шэнкландского кризиса», о такой связи напомнил Б. Н. Финкельштейн. Ссылался он, правда, только на классические работы К. Якоби ⁶ и говорил не о связи ГН с космо-

⁶ Возможно, это как-то связано с подготовкой к русскому изданию «Лекций по динамике» К. Якоби, вышедшему в конце 1936 г. Общая взаимосвязь «симметрия-сохранение» (установленная Э. Нетер в 1918 г. ) не вошла тогда еще в стандартный арсенал теоретиков. В частности, игнорировалось нетеровское неблагополучие законов сохранения в ОТО [171].

116

 

логической асимметрией времени, а о том, что возможное нарушение ЗС предвещало бы радикальное преобразование понятий пространства и времени в будущей фундаментальной теории [264, с. 342]. Финкельштейн работал в ЛФТИ, был хорошо знаком с Бронштейном (переводил книгу под его редакцией), а основная область его научных интересов (физика твердого тела) далека от фундаментальной физики. Поэтому вполне вероятно, что в устных дискуссиях «нетеровский» аргумент все же присутствовал.

Упомянув об устных дискуссиях, историк науки невольно выдает свое сокровенное желание. Насколько легче было бы установить истинный ход событий, побывав на устных дискуссиях прошлого. Ведь между реальной жизнью науки и публикациями стоит фильтр научных приличий и обычаев, и этот фильтр пропускает сведения весьма разборчиво. Многое могли бы рассказать письма, но уцелеть письмам бывает очень нелегко. Бронштейн писем писал очень много, но чтобы пересчитать уцелевшие, хватит пальцев одной руки. . .

Соотношение устной — невидимой — и письменной частей научной дискуссии почти навязывает сравнение с айсбергом, как оно ни избито и как сильно ни отличается ото льда то горячее вещество, из которого была сделана дискуссия о законе сохранения энергии. Впрочем, развитие физической теории довольно сходно с движением айсберга. В обоих случаях есть и мощные подводные течения, и прихоти ветра. В обоих случаях плохо вооруженному глазу мощное медленное движение может показаться заранее предначертанным и неуклонным. И перевороты в теории по неожиданности и грандиозности сопоставимы с переворотами айсберга.

Подводная часть физического айсберга содержит не только научные доводы в устной форме. Можно там разглядеть и вещи, на первый взгляд к науке не имеющие отношения.

4. 3. Нефизические доводы в физике

Вернемся к бронштейновской агитации за несохранение. Чтобы лучше понять агитатора, надо рассмотреть нефизическое окружение занимающих нас событий. Такое окружение существует всегда, и не часто

117

 

его можно игнорировать без ущерба для понимания истории физики.

В реальной жизни теоретика действуют «нефизические» факторы двоякого рода — социально-психологические, определяемые положением науки в обществе, и научно-психологические, определяемые многообразием мировосприятий, живущих в физике. Первый фактор имеет прямое отношение к выходу нашего героя за пределы физики при обсуждении физических вопросов.

В Советском Союзе отношение к гипотезе несохранения было горячим и у ее сторонников, и у противников. Причины этого — и общая социально-идеологическая атмосфера страны (революционное преобразование физики созвучно радикальному преобразованию общества), и научно-организационные обстоятельства (относительно велик вес молодых ученых), и повышенное внимание идеологии к естественным наукам, которым надлежало сыграть решающую роль в технической революции и тем самым в социалистической реконструкции общества.

Самыми активными сторонниками ГН были три молодых теоретика — Ландау, Гамов и Бронштейн. Наибольший вклад в развитие ГН сделал Ландау: два его результата были «за здравие» и один «за упокой». Его (совместная с Пайерлсом) работа 1931 г. о релятивистском обобщении принципа неопределенности воспринималась как предсказание радикального преобразования понятий в cћ-теории, и этому была вполне созвучна ГН, областью определения которой считали как раз cћ-явления. Работу Ландау 1932 г. о предельной массе холодной звезды воспринимали как обнаружение реальных областей, где должна действовать cћ-теория вместе с ГН. Эти два довода «за» уравновесил один контрдовод — несовместимость ГН и ОТО.

Сочувствие Гамова гипотезе несохранения проявлялось в его научных обзорах, популярных статьях и, наконец (с чего можно было начать), в том, что эту боровскую гипотезу Гамов опубликовал раньше Бора.

Но, пожалуй, ярче всего позицию несохраненцев (как тогда выражались) излагал Бронштейн. О гипотезе несохранения энергии говорится в его популярных книжках [81, 82], а статья [79] целиком посвящена этому. Изложение ГН в [82] и особенно в [79] сопровождается не обычным для автора аккомпане-

118

 

ментом нефизического характера со словами «буржуазия», «пролетариат» и т. д. Объяснить это можно, только учитывая позицию противников ГН, активно выступавших в печати. Дело в том, что в 30-е годы некоторые философы и философствующие журналисты — защитники закона сохранения — были готовы включить этот закон в уголовный кодекс и объявлять классовым врагом всякого, смеющего в нем усомниться.

Наиболее ярким, точнее сказать — мрачным примером такого рода были статьи В. Е. Львова, считавшего себя научным публицистом⁷. Уровень его аргументации вполне характеризует то, что он из философских цитат выводил соотношение Е = Мс^г (в отличие от большинства «единомышленников по перу» он с энтузиазмом относился к теории относительности, запрещая лишь ее идеалистические извращения и, в частности, космологию; он автор первой советской биографии Эйнштейна, вышедшей в серии ЖЗЛ в 1958 г. ). А стиль его трудно описать, не используя слово «облаивал». Со страниц «Нового мира» Львов призывал добить (его лексикон) все еще не добитую группку физиков во главе с Ландау и Бронштейном, которая орудует в советской науке, тянет ее на сотни лет назад и прикрывает свою деятельность двурушническими декларациями [227—229] (три десятилетия спустя он находил уже совсем другие слова для этих физиков [231], см. также [172]).

Конечно, статьи Львова были крайней формой «защиты» ЗС⁸, но идеологическая острота и нефизическая аргументация проникали также и в статьи, написанные некоторыми физиками. Такой, например, была первая из двух статей о законе сохранения энергии Д. И. Блохинцева и Ф. М. Гальперина, помещенных в журнале «Под знаменем марксизма», в № 2 и 6 за

⁷ Ландау характеризовал его словами «невежественный борзописец» [215], Иоффе писал о «хлестких ругательствах и развязной безграмотности статей Львова, которому предоставляет свои страницы один из наиболее распространенных толстых журналов [196] (в 30-е годы почти в каждом номере «Нового мира» печатались обзоры Львова «На фронте физики»).

⁸ Львов защищал ЗС разными способами: например, имени Бора в его статьях не найти, а ГН он приписывал «Крамерсу, Слетеру и др. » Впоследствии, кроме физики, он защищал от идеализма также химию, биологию и все, что требовалось.

119

 

1934 г. В этой статье среди аргументов в пользу «великого, вечного и абсолютного закона природы» заметное место занимают идеологические. Утрированно представляя позицию «ретивых гонителей закона сохранения энергии в стране диалектического материализма (Гамова, Ландау, Бронштейна и др. )» [110, с. 106], авторы объявляли эту позицию идеализмом и следствием «недостаточной пропаганды диалектического материализма в среде наших физиков». Физическим доводом в пользу ЗС служил прежде всего перечень случаев, когда этот закон сыграл важную роль в атомной физике,— перечень действительно весьма красноречивый, но, надо думать, хорошо известный Бору и его сторонникам (достаточно вспомнить главную боровскую формулу E₂—E₁=hν). Авторы [110] перечислили несколько путей выхода из кризиса, порожденного непрерывным β-спектром, без ущерба для ЗС, упомянув нейтринную гипотезу лишь последней по счету.

Такой накал страстей вокруг ЗС побудил даже А. Ф. Иоффе, нисколько не сочувствующего боровской гипотезе (видимо, как экспериментатор), выступить в защиту самой постановки вопроса о ЗС: «На эту постановку вопроса у нас накинулись, как на некое преступление против диалектического материализма. Я уверен, что такое обвинение есть совершенное непонимание основ диалектического материализма. . . . Никакой опытный закон не может претендовать на то, чтобы быть обязательно справедливым для такой области явлений, которая впервые становится доступной опыту. Святых законов в физике не может быть, закон сохранения энергии тоже не есть святой закон, и канонизировать его нет никаких оснований» [195, с. 60] ⁹.

⁹ Следует отметить, что вторая статья Блохинцева и Гальперина [111], появившаяся спустя восемь месяцев, в конце 1934 г., когда стал признан успех теории Ферми, имела совсем иной характер. Здесь обсуждение не выходило за пределы физики,— когда появились физические аргументы, стали не нужны идеологические.

А еще через три с половиной десятилетия Д. И. Блохинцев уже вполне допускал нарушение закона сохранения энергии «применительно к миру элементарных частиц, особенно в области высоких энергий», и отмечал, что «подобные нарушения трудно отличить от процессов с участием нейтральных частиц» [107, с. 309]. Легко представить, какие

120

 

Так что же, герой нашей книги просто поддался веяниям времени, когда привлекал нефизические соображения? Трудно ответить на подобный вопрос вполне однозначно. Однако, внимательно прочитав другие публикации Бронштейна и подробно расспросив близко знавших его людей, приходишь к выводу, что необычная для него агитация в [79] была вызвана прежде всего неуместными аргументами противников боровской гипотезы: неуместность проще всего показать, используя сходные по своей природе соображения не против, а за.

Бронштейна не заподозришь в том, что он был узкий специалист — «хомо физикус» в чистом виде. Не был он безразличен и к философии, глубоко понимал диалектику развивающегося знания. И, естественно, протест у него вызывали попытки философскими цитатами доказать, подобно чеховскому соседу, что «этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». В книге [82], прежде чем рассказать о ситуации, возникшей в физике после опытов Эллиса— Вустера, Бронштейн несколько страниц уделил историко-философскому рассмотрению, возбуждая сомнение в неограниченной применимости ЗС. В частности, он подчеркнул, что превращение элементов, которое после многовековых безуспешных стараний алхимиков было признано невозможным, стало фактом в ядерной физике. В сущности, его соображения сводились к тому, что философское знание достаточно определенно, чтобы направлять мысль, но не настолько определенно, чтобы превратить какой-либо конкретный результат физической мысли в абсолют.

Однако такие, как Львов, думали, что «суперарбитром здесь, в опыте Вустера—Эллиса, как и всюду. . . выступает марксистско-ленинское учение» [225], что все приговоры этим суперарбитром уже вынесены, и нужно только поискать подходящий в толстых томах.

резкие слова мог бы сказать по этому поводу 26-летний Блохинцев себе 62-летнему. А ответить на это могли бы его же «Размышления о проблемах познания. . . », изданные посмертно: «. . . общество должно. . . обладать достаточной верой в правоту своих идеалов, чтобы допускать рождение новых идей и мыслей, выходящих за рамки установившихся взглядов. Оно должно обладать терпением и неторопливостью в оценке новых идей» [108, с. 56]. Там же говорится, что законы сохранения энергии и импульса «абсолютно неприменимы к молодой Вселенной».

121

 

Печально известны последствия такого арбитража для естествознания в конце 40-х — начале 50-х годов. Но в 30-е годы подобные тенденции встречали активное противодействие. И гипотезу несохранения Бронштейн защищал философски совершенно правильно, несмотря на то что сама гипотеза умерла. Потому что смерть ее была физической, а не философской.

Не следует думать, что в физических дискуссиях так уж редко применяются нефизические доводы. Чем сильнее физик хочет утвердить свою позицию, тем меньше он стремится строго соблюдать «правила физической игры». Тем более что строгость этих правил — иллюзия, поскольку интуиция неизбежно выводит за пределы логических индукций и дедукций. Только глядящим на науку издалека может показаться, что доводы, составляющие научную дискуссию, подобны фрагментам таблицы умножения. Ситуации в науке бывают настолько неопределенны, что в дискуссии противостоят разные интуиции, разные исследовательские программы, в той или иной степени выходящие за рамки научного опыта. И когда возможности физической аргументации исчерпываются, доводы берутся из всего культурного запаса, которым физик располагает. Разумеется, какие доводы он выберет, зависит от его мировосприятия. А когда развитие физики предоставляет аргументы достаточно определенные, похожие на 2×2 = 4, они уже в некотором смысле не нужны — знание уже получено и чья-то интуиция восторжествовала; хотя, конечно, эти — определенные — аргументы нужны для педагогических целей и. . . для дальнейшего развития знания, ведь определенность-однозначность аргументов через некоторое время оказывается иллюзорной и т. д.

Приведем только два примера, когда нефизический компонент проявился. В знаменитой дискуссии о квантовой механике легко заметить гуманитарные аргументы: Эйнштейн и Бор говорили о совести, справедливости, склонности Всевышнего к азартным играм, а не только о свойствах волновой функции [169]. Другой пример — эпиграфы к книге С. И. Вавилова о теории относительности, вышедшей, когда вокруг ОТО еще бушевали споры. Эпиграфы автор взял из Ньютона и с их помощью явно хотел усилить впечатление об экспериментальной обоснованности ОТО, к тому времени

122

 

еще не очень определенной. Инструкции по употреблению эпиграфов, конечно, нет, по выбранные Вавиловым фразы в ньютоновском контексте имели смысл, весьма отличный от того, который им припишет неискушенный читатель [129].

В любом подобном случае нефизические доводы означают, что прибегающий к ним физик глубоко неравнодушен к обсуждаемой теме. Бронштейну, несомненно, хотелось, чтобы гипотеза несохранения оправдалась. Попытаемся разобраться почему. Для этого обратимся к научно-психологическому подтексту проблемы ЗС, к исследовательским программам физиков, к различию их мировосприятий.

Полезно различать два типа физиков-теоретиков — назовем их условно «мыслитель» и «прагматик». Они различаются характером проблем, которые их особенно занимают, интуитивными оценками ситуации в целом и отдельных ее составляющих. Прагматики считают, если воспользоваться выражением Ландау, краткость человеческой жизни достаточной причиной, чтобы не размышлять над вопросами, не обещающими скорого решения. Для мыслителей, в отличие от прагматиков, физика не сводится к решению отдельных задач; для них целостная картина мироздания — предмет жизненной необходимости. Мыслители и прагматики, композиторы и исполнители, размышляющие и делающие, думающие и вычисляющие. . . Нелегко придумать пару нейтральных названий, свободных от эмоциональной нагрузки и тем самым от некоторой оценки. Мыслитель и прагматик, вероятно, предпочли бы разные пары названий.

Разумеется, в чистом виде оба типа удручающи (болтун и арифмометр). В личности реального теоретика сочетаются характеристики обоих типов, и можно говорить только о преобладании одного из них (например, Эйнштейну — явному мыслителю — были присущи и развитые изобретательские наклонности [288]). Нет также прямой связи между типом мировосприятия и масштабом достижений. Если компонент «мыслителя» характеризовать некоторой величиной М, а «прагматика» — П, то тип творческого мышления определит лишь знак разности (М—П), а достижения зависят скорее от произведения M×П.

Среди выдающихся физиков есть представители обоих типов, и их сотрудничество необходимо для эф-

123

 

фективного развития науки. Мыслителям жить в некотором смысле труднее, поскольку они заботятся о гораздо большем сооружении, но история физики показывает, что наиболее глубокие изменения в физической картине мира происходят благодаря им.

Из приверженцев ГН, о которых говорилось в этой главе, Бронштейна, подобно Бору, следует относить к «мыслителям». И этим можно объяснить, что они дольше других не отказывались от ГН; напомним, что Бор отказался только в 1936 г. Причины, по которым они эту гипотезу приняли, имели гораздо более фундаментальную природу, чем теория Ферми, нацеленная на одно явление ядерной физики — β-распад.

Будь Бор прагматиком, вряд ли бы он выдвинул вновь, хоть и в новых обстоятельствах, свою гипотезу несохранения, которую отвергнул эксперимент всего за несколько лет до этого. Однако для человека, который настроен на поиски картины мироздания, один раз уже продумал радикальную гипотезу и нашел ей место в своей картине, такой возврат более понятен.

В приверженности Бронштейна гипотезе несохранения «виновата» также широта его интересов. Кроме ядерной физики, он держал в поле зрения фундаментальные проблемы астрофизики и космологии, для которых, как он был убежден, совершенно необходима cћ-теория (подробнее см. в гл. 5). А гипотеза несохранения тогда, во втором своем явлении, неразрывно увязывалась с ожиданием последовательной cћ-теории.

4. 4. Дуэль в «Сорене»

Чтобы яснее представить различие взглядов на боровскую гипотезу, вернемся к статье Бронштейна «Сохраняется ли энергия?». Ее напечатал в первом номере за 1935 г. журнал «Сорена» («Социалистическая реконструкция и наука») — самый толстый и, пожалуй, самый научный из тогдашних популярных журналов (в его редколлегию входили виднейшие ученые, главным редактором был Н. И. Бухарин). Статье Бронштейна редакция противопоставила, как указано в примечании, критическую статью С. П. Шубина «О сохранении энергии», предложив высказаться и другим физикам; отсюда видно, какое внимание проблема ЗС привлекала в середине 30-х годов.

124

 

Подытоживая 50-летнее развитие теоретической физики в СССР, Тамм упомянул Бронштейна и Шубина рядом как «исключительно ярких и многообещавших» физиков своего поколения [268]. Оба теоретика, почти ровесники, были арестованы в 1937 г., став жертвами сталинизма. Оба погибли трагически рано, не успев раскрыть своих талантов.

Семен Петрович Шубин (1908—1938), ученик Л. И. Мандельштама и И. Е. Тамма, с 1932 г. заведовал теоротделом Уральского физико-технического института и энергично участвовал в становлении физики на Урале [136, 137]. Возглавивший после него уральскую школу магнетизма С. В. Вонсовский посвятил памяти учителя и друга главный свой труд — капитальную монографию «Магнетизм» [135].

Чтобы понять различие отношений к ЗС у Бронштейна и Шубина, надо учесть, что, хотя у Шубина был широкий кругозор, основные его работы относились к физике твердого тела, а не к фундаментальным областям. Другое важное обстоятельство — совсем другое — заключалось в активной общественно-политической позиции Шубина. Из-за этой активности ему пришлось на год прервать учебу в МГУ (в 1928 г. его выслали на Урал, в Ишим), а в 1930 г. он добровольно поехал на строительство Магнитогорска, работал там в газете. Идеологические вопросы, и в частности взаимодействие марксистской философии и современной физики, занимали Шубина всерьез. Это хорошо видно по сохранившимся у С. В. Вонсовского конспектам лекций Шубина, а также по его рукописи (видимо, 1932 г. ), посвященной методологическому и философскому анализу квантовой физики ¹⁰.

Судя по шубинской рукописи, философскими противниками он считал «механистов-тимирязевцев», запрещавших от имени диамата всю новую физику. Не меньший отпор вызвали те, кто благодушно считал, что надо только переждать — со временем в физике

¹⁰ Авторы глубоко благодарны С. В. Вонсовскому, поделившемуся воспоминаниями о С. П. Шубине и представившему упомянутые документы. Идеологическую позицию С. П. Шубина отчасти можно объяснить биографическими обстоятельствами. Его отец, П. А. Шубин-Виленский (1882-1939), — юрист и журналист — работал в редколлегии «Правды» и в Коминтерне. Брат жены, Л. А. Шацкин (1902-1937), был одним из организаторов комсомола и Коммунистического Интернационала Молодежи.

125

 

все странности исчезнут и все станет на свои места, заготовленные классической наукой. Эти философы, преуменьшая шаг диалектической спирали (по которой должно развиваться знание), сводили ее, таким образом, к окружности. С такой философией Шубин познакомился во время учебы в Московском университете (где преподавал А. К. Тимирязев). Но автор рукописи не сомневался, что «будущая уточненная формулировка законов микромира», господствующих внутри ядра и относящихся к релятивистской квантовой теории, сопряжена с еще более радикальной перестройкой понятий, чем квантовая механика, а в подтверждение упоминается работа Ландау и Пайерлса 1931 г.

В этом мнения Шубина и Бронштейна совпадали. Впрочем, как уже говорилось, такие ожидания преобладали у физиков-специалистов (и все они были бы очень разочарованы, узнав, на сколько ожидавшаяся перестройка затянется).

Почему же тогда их взгляды на проблему ЗС отличались так сильно?

Раскроем журнал «Сорена» и проследим внимательнее за их дуэлью. Отдавая должное ясному изложению Бронштейном физических — экспериментальных и теоретических — доводов в пользу ГН, Шубин весьма скромно оценил его философские соображения и резюмировал статью Бронштейна следующим образом: «Непосредственных экспериментальных свидетельств за или против закона сохранения энергии у нас в ядерной физике сегодня нет. Непосредственных теоретических указаний, которые позволили бы однозначно решить вопрос о судьбе этого закона, тоже нет, так как релятивистской теории квант не существует. Но мы, материалисты-диалектики, имеем в своих руках мощный методологический принцип, владея которым можно смело глядеть в лицо будущему. Этот принцип гласит: "все может быть". Закон сохранения энергии, столь импонировавший бухгалтеру-буржуа, строившему мир по образу и подобию приходно-расходной книги, может каждый день лопнуть. Мечта алхимиков о вечном двигателе имеет шансы осуществиться в будущем коммунистическом обществе».

Это, конечно, окарикатуренное изложение. На самом деле Бронштейн выразительно, хотя и несколько легковесно, обрисовал зависимость, господствующей

126

 

философии от господствующей социальной реальности и рассказал об эволюции отношения к вечному двигателю и закону сохранения энергии. Из материализма он извлек только то, что «никакой физический закон не является догматом и не может считаться a priori абсолютной и универсально применимой истиной».

Шубин от имени физиков-марксистов приветствует «факт, что такой человек, как Бронштейн, начинает аргументировать "от материализма"», но не без ехидства сожалеет, что тот «скромно умалчивает о других — гораздо более определенных — высказываниях по вопросу о законе сохранения энергии, которые делались в марксистской литературе. Автором этих высказываний является такой небезызвестный марксистский писатель, как Фридрих Энгельс. . . ».

Назвать соответствующие высказывания Энгельса малоизвестными в то время действительно нельзя. Противники ГН их обильно использовали. В частности, и Львов запрещал сомневаться в ЗС с помощью цитат Энгельса (без малейших попыток сопоставить две физические эпохи). Разумеется, подобного запрета у Шубина не найти; он формулирует позицию Энгельса так: существование законов сохранения «отражает собой чрезвычайно общий факт неразрушимости движения и потому в той или иной форме они должны найти свое выражение в любой правильной физической теории».

Бронштейн, конечно, тоже не выводит ГН из материализма: «Материалистическая философия, как мы видели, учит, что он [ЗС] может оказаться неверным, но не утверждает, что он обязательно должен оказаться в этой [квантово-релятивистской] области неверным». Ему философско-исторические соображения служили не для аргументации, а для агитации. Надо было раскачать ЗС, снять с него нимб абсолютности. Бронштейн, глубоко зная физику в ее историческом развитии, ясно видел огромный психологический барьер перед ГН. В 1930 г., рассказывая о сомнениях в ЗС, возникших в связи с открытием радиоактивности, он сам называл этот закон «одним из наиболее основных и надежных физических законов» [63, с. 25].

Когда мы переходим от философской к физической составляющей статей двух молодых теоретиков, ситуация становится содержательней. Для Шубина главный аргумент за расширение применимости ЗС — успех

127

 

теории Ферми, которой он уделяет значительное место, но которую Бронштейн даже не упоминает. С другой стороны, Шубин оставляет безо всякого ответа приводимые Бронштейном соображения, связанные с ограниченностью понятий в квантово-релятивистской области, с тем, что «электрон невозможно разрезать на части» ¹¹.

Чем объяснить такое взаимное умолчание? Может быть, Бронштейн недооценил теорию Ферми? Нет, этого сказать нельзя. Уже в следующем номере «Сорены», подводя итоги ядерной физики, главным достижением 1934 года он назвал работу Ферми [80]. Но для Бронштейна, как и для многих других теоретиков, это был успех местного, а не стратегического, значения. Ко «многим другим» относились вовсе не только сторонники ГН, к ним относился и сам Ферми, и — в еще большей степени — Паули. Внешнее оправдание теории не компенсировало для них ее внутреннего несовершенства. Однако описать несовершенства теории Ферми в нескольких словах на уровне «Сорены» вряд ли мог тогда даже Бронштейн. Еще труднее было объяснить человеку, не живущему теоретической физикой, почему не очень определенные соображения, связанные с квантово-релятивистской неопределенностью (каламбур здесь почти неустраним), могут перевесить проверяемые количественные расчеты. Видимо, поэтому Бронштейн не упомянул теорию Ферми.

Различие отношений Бронштейна и Шубина к ГН объясняется различием их исследовательских программ. Область главных результатов Шубина — приложение квантовой механики в физике твердого тела, и ему для успешной работы «вредно» было концентрировать внимание на несовершенстве фундамента той

¹¹ Нет только никаких сомнений, что Шубин посмеялся бы над громовой отповедью, которую дал всем квантово-релятивистским соображениям Бронштейна уже знакомый нам научный публицист в «Новом мире»: «Но единственный практический вывод, который диалектико-материалистическое естествознание делало, делает и будет делать отсюда,- это то, что все усилия физики сейчас и в дальнейшем должны быть обращены на поиски новых, все меньших и меньших (по заряду, массе и т. д. ) частиц материи, и — одновременно — на выяснение новых математических приемов, позволяющих все точнее учитывать взаимодействие между этими частицами измеряющими их микроприборами.

Так стоит вопрос. Только так стоит вопрос. Ибо нет и не может быть никаких границ и пределов для дробления и для

128

 

В наше время и практический успех теории Ферми объясним, и ее несовершенство более понятно. Теория была основана на представлении о локальном четырехфермионном взаимодействии, которое условно можно изобразить четырьмя линиями, пересекающимися в одной точке. В современной теории слабого взаимодействия (объединенной с электродинамикой и удостоенной Нобелевской премии 1979 г. ) фермиевская четыреххвостка изменила свою форму за счет отрезка волнистой линии, соответствующей так называемому промежуточному бозону. В случаях, когда эту промежуточную линию можно считать, так сказать, достаточно короткой, фермиевская схема оказывается достаточно хорошим приближением. Успехи нынешней теории слабого взаимодействия, выразившиеся в открытии промежуточных бозонов, более впечатляют, чем успех теории β-распада в 1934 г. И тем не менее физики уверены, что нынешнее состояние теории слабого взаимодействия также промежуточно и что окончательным оно станет только в единой теории всех взаимодействий. Так что сдержанное отношение к теории Ферми задним числом оправдать еще легче. Впрочем, в подобных случаях объяснение интересней оправдания

теории, приложением которой он занимался. Бронштейн же свою творческую энергию (не заботясь о ее сохранении) направлял больше всего как раз на фундаментальные области теоретической физики. В частности, квантово-релятивистские соображения, на которые не откликнулся Шубин, приобрели в том же 1935 г. гораздо более определенное и фундаментальное выражение в работе Бронштейна о квантовании гравитации (подробно об этом в следующей главе).

Как нередко бывает в споре талантливых и честных людей, Бронштейн и Шубин оба — каждый по-своему — были правы. Шубин был прав в том, что

познания материи. И величайшим агностическим вздором является утверждение Бронштейна, что имеются "какие-то неизвестные причины, мешающие существованию частиц, меньших по радиусу, чем электрон"». Кончал свои оптимистически-трескучие отповеди Львов обычно лозунгами, например: «За новые граммы и тонны материи, познанной и переработанной человеческим гением!».

 129

 

ΓΗ не следует из философских соображений, и в том, что физика ядра к 1935 г. перестала питать надежды несохраненцев. А Бронштейн был прав в том, что физике не обойти проблем квантово-релятивистской теории, и в том, что философскими доводами закон сохранения не доказать. Если бы Шубин ближе был знаком с Бронштейном, с присущей ему иронией и не слишком серьезным отношением к идеологической «чистоте» физики, он бы, наверно, заподозрил, что Бронштейн пишет о буржуазности закона сохранения не по простоте душевной, а чтобы наглядно продемонстрировать неуместность политико-философской аргументации типа той, какую употребили Блохинцев и Гальперин за несколько месяцев до дуэли в «Сорене».

4. 5. Конец гипотезы несохранения

В наше время нелегко прочувствовать атмосферу, в которой возникли и жили сомнения в ЗС. Могло бы показаться, что уж в 1935 г. только подслеповатые упрямцы верили в ГН. Но так может показаться тому, кто смутно представляет себе тогдашние обстоятельства. Завершался период развития физики, быть может, самого интенсивного с ньютоновских времен. Закон инерции (действующий не только в ньютоновской механике, но и в психологии) обещал все новые чудеса. Чтобы вызвать неприязнь к ГН, Шубин назвал вечный двигатель мечтой алхимиков. Однако по тем временам это был аргумент о двух концах, и вторым не преминул воспользоваться Бронштейн, когда в [82] он напомнил, что совсем недавно осуществилась другая, главная, мечта алхимиков — превращение химических элементов друг в друга.

Еще показательней реакция физиков на опыты Шэнкланда. К началу 1936 г. идея нейтрино (и ЗС) получила не только серьезное эмпирическое подтверждение, но и теоретическое развитие. Аргументы же в пользу ГН истощались, не получая подкрепления и встретившись с серьезным теоретическим препятствием — несовместимостью с ОТО. Тем поразительней отклик на утверждение Шэнкланда о неприменимости фотонной теории и ЗС для комптоновского эффекта в γ-области.

«Сейчас физика стоит перед той перспективой, что ей придется произвести решительное изменение в

130

 

своих основах, изменение, включающее в себя отказ от некоторых ее принципов, в которых она была до сих пор больше всего уверена (сохранение энергии и импульса), и замену их теорией Бора, Крамерса, Слетера или чем-то подобным. . . Единственная важная вещь, от которой мы отказываемся,— это квантовая электродинамика. Поскольку, однако, единственное значение квантовой электродинамики, кроме объединения предположений теории излучения, состоит в объяснении тех самых совпадений [при взаимодействии фотонов с частицами], которые сейчас опровергнуты экспериментами Шэнкланда, мы можем отказаться от нее без сожалений — в действительности из-за ее крайней сложности большинство физиков будут очень рады видеть ее конец».

Кто это написал и когда? Нелегко поверить, что эти слова написаны в феврале 1936 г. одним из создателей квантовой электродинамики П. Дираком [180]. В обзорной статье в УФН редактор журнала Э. В. Шпольский указывал тогда: «Наиболее сильным аргументом в пользу автора [Шэнкланда] является то, что его работа выполнена под руководством А. Комптона, который, таким образом, вместе с автором несет ответственность за ее результат» [300]. Для Дирака не менее важным было отсутствие успехов в построении последовательной — математически красивой — релятивистской квантовой теории (хорошо известно кредо Дирака: «Физический закон должен обладать математической красотой»).

Экспериментальный результат, полученный в авторитетной лаборатории и подкрепленный мнением одного из виднейших теоретиков, в тогдашней атмосфере сделал свое дело: уверенность физиков в ЗС вдруг очень помягчела. О настроениях советских физиков можно судить по материалам мартовской сессии АН СССР 1936 г., на которой опыты Шэнкланда активно обсуждались [264]. Среди видных советских физиков явно отрицательно был к ним настроен только А. Ф. Иоффе (кроме прочего, он ссылался на проведенные в ЛФТИ опыты, подтверждавшие ЗС в γ-области при рождении е^–е⁺-пар). Другие относились сочувственно (С. И. Вавилов, Д. В. Скобельцын) или очень осторожно (И. Е. Тамм). При этом стали уже разделять философское и физическое понимания проблемы ЗС.

 131

 

Цитированная статья Шпольского кончается так: в случае нарушения закона сохранения «философская предпосылка о неуничтожаемости движения, разумеется, остается в силе. Если бы оказалось, что инварианты, найденные для макроскопических движений и оказавшиеся безупречно применимыми и для элементарных микроскопических процессов с тяжелыми частицами, неприменимы к случаю взаимодействия фотона и электрона, то это должно было бы послужить лишь стимулом к отысканию новых, более общих инвариантов». Понимание того, что речь идет не просто об уничтожении ЗС, а о растворении его в каком-то более общем законе, разумеется, было у сторонников ГН, начиная с самого Бора — автора принципа соответствия. А не писали они об этом «запасном выходе» из-за его очевидности и отсутствия философской осторожности.

Прежние энтузиасты ГН, включая Бронштейна, встретили публикацию Шэнкланда довольно спокойно [84], поскольку никаких новых теоретических аргументов в пользу ГН не обнаружилось. Поэтому, как только результаты Шэнкланда были экспериментально опровергнуты, сама гипотеза несохранения энергии прекратила свое существование.

Стоит ли целую главу уделять гипотезе, в конце концов отвергнутой и забытой? Конечно, проще устроить прогулку по Выставке Достижений Научного Хозяйства, но оцепить представленные там достижения можно по-настоящему, только понимая, какого пота и крови они стоили. Кроме того, когда говорят об эволюции идей, эпитеты «правильная» и «плодотворная» отнюдь не эквивалентны. Правильные идеи (подтверждаемые будущим развитием науки, иногда только спустя десятилетия) могут быть неплодотворны, и наоборот. История знает примеры обоего рода.

Внимательно рассматривая неприятности закона сохранения энергии в 20—30-х годах, можно увидеть прихотливое взаимодействие идей и фактов в сознании теоретика, лучше понять роль в этом взаимодействии мировосприятия, исследовательской программы.

Необходимо только помнить, что в этой главе для удобства изложения (и пренебрегая опасностью искажения) события, связанные с ГН, отделены от других. Это, конечно, возможно только на бумаге, но не в жиз-

132

 

ни. Бронштейн в эти же годы занимался полупроводниками, астрофизикой, ядерной физикой, космическими лучами, равновесием излучения и пар при сверхвысоких температурах, релятивистским обобщением принципа неопределенности. А летом 1935 г. он занялся проблемой квантования гравитации. Несколько месяцев интенсивной работы завершились докторской диссертацией и двумя статьями. Именно размышления над квантово-релятивистским описанием гравитации, или cGћ-физикой, видимо, особенно сильно повлияли на его отношение к ГН. Дело в том, что в своей работе он, в частности, проследил соответствие cGћ- и cG-описаний, поэтому несовместимость ГН и ОТО (о которой говорилось выше) должна была стать для него особенно нетерпимой. По соответствующему замечанию из статьи [31], датированной декабрем 1935 г., т. е. до появления публикации Шэнкланда, можно почувствовать, что к гипотезе несохранения энергии Бронштейн уже совсем остыл.

---

Оглавление

Предисловие. 5
Глава 1. Детство и юность. Путь в науку. Первые научные работы   12
Глава 2. В Ленинградском университете (1926-1930 гг. ) 26
Глава 3. В Ленинградском  физико-техническом институте  57
Глава 4. О трудных временах для законов сохранения и о трудной профессии физика-теоретика  125
Глава 5. cGћ-физика в биографии Бронштейна. 169
Глава 6. Стиль творческой личности. 244
Библиография. 294
Приложение. Две статьи М. П. Бронштейна из журнала «Человек и природа» за 1929 год  312