Геннадий Горелик - Матвей Петрович Бронштейн

• Название: Матвей Петрович Бронштейн
• Автор: Геннадий Горелик
• Издательство: АКАДЕМИЯ НАУК СССР
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1990
• ISBN: ISBN 5-02-000670-Х

В книге рассказывается о жизни и творчестве замечательного советского физика-теоретика М. П. Бронштейна. Наиболее важный его вклад в науку — первое глубокое исследование квантования гравитации. Полученные им результаты стали особенно актуальны в наше время, когда построение квантовой теории гравитации насущно необходимо для космологии и физики элементарных частиц. Бронштейну также принадлежат важные работы в релятивистской космологии, астрофизике, теории полупроводников. Написанные им замечательные научно-популярные и научно-художественные книги переиздаются в наши дни.

Книга рассчитана на читателей, интересующихся историей советской науки.

---

Ядерной физике была посвящена последняя, по воле судьбы, статья Бронштейна. Она содержала расчеты влияния магнитного момента нейтрона на взаимодействие с веществом, в котором он движется. Эти расчеты, как отметил автор, были выполнены по просьбе И. В. Курчатова в связи с намеченными экспериментами в пединституте им. Покровского (где Курчатов заведовал кафедрой и развернул исследования). Статья Бронштейна несла, видимо, и педагогический заряд. Создается впечатление, что она имела цель научить экспериментаторов пользоваться общими методами квантовой механики для решения конкретных задач. По свидетельству сотрудников Курчатова, Матвей Петрович часто выступал в Пединституте с лекциями по современной физике.

В письме В. А. Фоку в апреле 1937 г. Бронштейн сообщал, что работает над подробной статьей для ЖЭТФа об аномальном рассеянии электронов ядрами (предварительная заметка — [32]); аномальность здесь связана с бета-взаимодействием. По-видимому, эту работу имели в виду Л. И. Мандельштам, С. И. Вавилов и И. Е. Тамм, когда в научной характеристике Бронштейна 1938 г. наряду с его результатами в теории полупроводников и в квантовании гравитации отметили: «В ряде работ по физике атомного ядра М. П. Бронштейн показал, в каких явлениях должен проявляться обменный характер ядерных сил».

Научная и просветительская деятельность М. П. Бронштейна внесла свой вклад в стремительное развитие ядерной физики в нашей стране, когда этого потребовали обстоятельства.

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

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, 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[33] 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 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 корпускулярное 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 р-распаде ядер, распределены по энергиям непрерывно. И хотя начальное и конечное состояния ядра обладают вполне определенными энергиями, их разность больше средней энергии р-электронов. Было установлено, и что р-распад не сопровождается у-излучением, которое могло бы восстанавливать баланс энергии в каждом отдельном акте р-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 Паул2и на отзыв, и соответствующие их письма [247, с. 4][34] (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»[35], а также непрерывный спектр р-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 р-распаде вылетают из ядер вместе с электронами и, обладая большой проникающей способностью, уносят с собой «несохраняющуюся» 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 р-распад [Там же, с. 393].