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.

---

Отсюда мы, во-первых, еще раз получаем представление о свободной научной атмосфере, характерной для теоротдела ЛФТИ. А во-вторых, убеждаемся, что квантование гравитации вовсе не было само собой разумеющейся, почти технической темой, терпеливо дожидавшейся, пока дойдут до нее руки у теоретиков, исчерпавших темы, более интересные и значительные.

Я. И. Френкель — отнюдь не случайная фигура в области эйнштейновской теории гравитации. Ему, в частности, принадлежит первая в нашей стране книга с изложением ОТО [289]. Для этой книги характерна приверженность к своеобразной электромагнитной картине мира [130]. Но в отношении Френкеля к квантованию гравитации проявилась не только эта приверженность. Сомнения в синтезе квантовых и общерелятивистских идей вызывались особой — геометрической — природой гравитационного поля, отождествлением его с метрикой пространства-времени, а также очевидной малостью эффектов гравитации в микромире[45]. Даже в 60-е годы Розенфельд высказывал мнение, что квантовать гравитационное поле бессмысленно, поскольку оно имеет, возможно, чисто классическую макроскопическую природу [260—261][46]. А ведь Розенфельд был первым, кто рассматривал квантование гравитации на языке формул [259].

Бронштейн в фундаментальности гравитации не сомневался, и для него квантование гравитации, построение полной cGh-теории — проблема, к которой физика должна обратиться неизбежно. Вместе с тем именно он, как мы увидим, обнаружил настоящую причину, по которой аналогия между гравитацией и электромагнетизмом неточна.. Эта причина не позволяет ожидать многого от попыток по аналогии с квантовой электродинамикой строить квантовую гравидина-мику, подставляя гравитон вместо фотона. По Бронштейну, квантовать гравитацию необходимо, но построить полную теорию по образцу электродинамики невозможно. Вместе с тем Бронштейн получил ответы на важнейшие вопросы в области квантовой гравитации, когда cGh-эффекты слабы и может действовать обычная, «электромагнитная», схема квантования. Эти вопросы касаются соответствия cGh-теории с cG- и G-теориями гравитации, т. е. взаимоотношения квантовой теории гравитации с ОТО и с ньютоновским законом всемирного тяготения.

5.2. Корни интереса к cG h -физике

Итак, настрой физического сообщества не объясняет тему бронштейновской диссертации. Но тогда корни этой темы надо искать в биографии Бронштейна и в биографии самой физики.

а) Квантовая гравитация до Бронштейна. О том, что необходима квантовая теория гравитации, первым сказал сам Эйнштейн. В 1916 г., всего через несколько месяцев после создания ОТО, при рассмотрении гравитационных волн он отметил: «...атом, вследствие внутриатомного движения электронов, должен излучать не только электромагнитную, но и гравитационную энергию, хотя и в ничтожном количестве. Поскольку в природе в действительности ничего подобного не должно быть, то, по-видимому, квантовая теория должна модифицировать не только максвелловскую электродинамику, но также и новую теорию гравитации» [305, с. 522].

А в 1918 г. в статье о гравитационных волнах Эйнштейн, получив формулу для интенсивности их излучения, сразу же пишет: «Из формулы видно, что интенсивность излучения ни в одном направлении не может стать отрицательной, тем более не может быть отрицательной и полная интенсивность излучения. Уже в прежней работе подчеркивалось, что окончательный результат, согласно которому должна происходить потеря энергии телами вследствие теплового возбуждения, вызывает сомнение во всеобщей справедливости теории. Нам. кажется, что построение усовершенствованной квантовой теории должно повлечь за собой и видоизменение теории тяготения» [307, с. 642]. Эйнштейн, еще не принявший программу единой теории поля, отводил тогда квантовым идеям, как видно, даже более активную роль.

В первом из этих замечаний Эйнштейн имеет в виду проблему электромагнитной нестабильности атома (за несколько лет до этого если не решенную, то преодоленную теорией Бора). Однако его прогноз не мог опираться на количественные оценки. «Высвечивание» атома, рассчитанное в рамках классической электродинамики, приводит к падению электрона на ядро за характерное время

(в вопиющем противоречии с наблюдениями). А высвечивание энергии атома в форме гравитационного излучения (рассчитанного по формуле Эйнштейна) происходит за характерное время

Так что ни о каком непосредственном противоречии с эмпирическими данными говорить нельзя. Опирался Эйнштейн, видимо, на аналогию с электромагнетизмом[47]

После того как Эйнштейн в 1916 г. указал на необходимость квантово-гравитационной теории, на ее долю в течение двух десятилетий доставались только отдельные замечания,— физиков занимали другие трудные и более насущные проблемы (квантовая механика, квантовая электродинамика). И эти немногие замечания подразумевали слишком большую аналогию гравитации с электромагнетизмом.

В начале главы уже приводились слова Гейзенберга и Паули 1929 г. из [159] о том, что квантование гравитации не приводит к принципиально новым проблемам по сравнению с электродинамикой. А саму необходимость квантовой гравитации для них обосновывало, помимо указаний Эйнштейна, замечание из статьи О. Клейна 1927 г. [203]. Это замечание сводилось к необходимости единого описания гравитационных и электромагнитных волн, учитывающего постоянную Планка.

Видимо, под воздействием этого же замечания Гейзенберг поставил вопрос, не присущи ли расходимости квантовой электродинамике независимо от «проблемы электрона», т. е. не возникнут ли они и в отсутствие зарядов, если учитывать собственное гравитационное взаимодействие электромагнитных волн. Ответу на этот вопрос посвятил свою статью 1930 г. Розенфельд[48] [259]. Он рассматривал систему, состоящую из электромагнитного и (слабого) гравитационного полей, взаимодействие между которыми определяется линеаризованными уравнениями Эйнштейна и соответственно обобщенными уравнениями Максвелла. В этом приближении (полученном Эйнштейном в 1916 г.) о геометрической природе гравитации, об искривлении пространства-времени можно забыть, считая, что в плоском пространстве-времени имеются два поля — векторное и тензорное. Квантуя эти поля по Гейзенбергу—Паули, Розенфельд подтвердил предположение Гейзенберга о расходимости гравитационной энергии и описал возможные в первом приближении взаимные превращения световых и гравитационных квантов. Однако результаты, полученные Розенфельдом, имели, как подчеркивали Фок и Тамм [173, с. 317, 320], лишь формальный характер, не доходили до существенных физических выводов.

Таким было состояние квантовой гравитации, когда Бронштейн начинал свое исследование этой области. Хотя и Бронштейн в основном рассматривал слабое поле, его работа содержит также анализ, выявляющий принципиальное различие между квантовой электродинамикой и квантовой теорией гравитации без ограничения условием слабости и «негеометричности». Этот анализ показал недостаточность римановой геометрии и обычной схемы квантования поля для полной теории квантовой гравитации. При этом обнаружились границы области существенно квантово-гравитационных явлений.

б) «Отношение физических теорий друг к другу и к космологической проблеме». Аналогия между электромагнетизмом и гравитацией, возможность распространить методы квантовой электродинамики на новую область была вовсе не главной причиной, из-за которой Бронштейн обратился к квантованию гравитации. Более глубокая причина связана с общей физической картиной мира, о целостности которой Бронштейн начал размышлять рано. Напомним, что уже самые первые его работы касались квантовой и релятивистской физики: статья [1] посвящена квантовой структуре электромагнитного поля, а по статье 1926 г. [4] уже видно знание аппарата ОТО.

Популярную брошюру 1930 г. «Строение атома» Бронштейн закончил характеристикой тогдашнего состояния фундаментальной физики. Упомянув теорию Дирака, квантовую электродинамику, эддингтоновский замысел фундаментальной теории, он не забыл и гравитацию: «Задачей ближайшего будущего является также и установление связи между квантовой механикой и теорией тяготения».

Это предсказание в 1930 г. выглядело вовсе не таким очевидным, как сейчас. Многие физики даже если бы и согласились, что какую-то связь между гравитацией и квантами надо найти, вряд ли включили бы эту задачу в список главных, тем более в книге, посвященной строению атома. Потому что было трудно разглядеть явления, для изучения которых такая связь могла бы пригодиться. С другой стороны, для группы физиков с Эйнштейном во главе, стремящихся к построению единой теории поля, слова «связь гравитации с квантами» означали «выведение квантов из обобщенной теории гравитации». То, что Бронштейн так не думал, видно из энциклопедической статьи [37], раздел которой посвящен единой теории поля. Вывод этого раздела таков: «эйнштейновская программа единой теории поля, вероятно, окажется невыполнимой» и «потребуется какое-то слияние теории относительности с теорией квантов». Для Бронштейна, владевшего обеими теориями, фундаментальны обе, и связь между ними означает именно синтез, а не сведение или подчинение.