2.4. Первые работы по астро-, гео- и популярной физике

2.4. Первые работы по астро-, гео- и популярной физике

1929 год был для Бронштейна напряженным и продуктивным. Этим годом помечены две его работы по астрофизике и одна по геофизике; в этом же году вышла его первая популярная книга и несколько статей (напомним, что он тогда был еще студентом!).

Первые астрофизические работы Бронштейна посвящены атмосферам звезд ⁵. В этой же области работали тогда Амбарцумян и Козырев. В то время физика энергично и всерьез рассматривала новый для себя объект — звезду как целостную физическую систему. Прежде чем решать главный астрофизический вопрос о внутреннем строении и об источнике энергии звезды, надо было начать с ее начала — с поверхности звезды, с ее атмосферы, связывающей звезду с внешним миром, и в частности с наблюдателем. Без ясного количественного понимания «поверхностных» астрофизических явлений нельзя было рассчитывать на успешное продвижение в глубь звезды. С другой стороны, и сама физика тогда была уже достаточно развита для рассмотрения процессов в атмосфере звезды, но совершенно недостаточно — для раскрытия ее внутреннего устройства.

Теория звездной атмосферы стала тогда уже вполне респектабельной областью, в которой нельзя было рассчитывать на успех с налету. Надо было внимательно изучить сделанное предшественниками. Здесь уже успели появиться свои классики: К. Шварцшильд, Дж. Джинс, А. Эддингтон, Э. Милн.

Задача о лучистом равновесии звездной атмосферы, которой занялся Бронштейн, восходит к Шварцшильду (тому самому, кстати, который получил первое точное решение уравнений ОТО). В астрофизике звезду (и в частности Солнце) принято характеризовать эффективной температурой Т_эф — температурой черного тела, имеющего те же размеры и такое же полное излучение, что и данная звезда. Величина Тэф просто рассчитывается исходя из земных наблюдений. Задача, которая привлекла внимание Бронштейна, состояла в отыскании зависимости температуры вещества звезды от (оптической) глубины т, разумеется, в рамках определенной физической модели звезды. К тому времени было уже известно, что эта зависимость имеет вид

Т (т) = Т_эф [³/4(т + д(т))]^1/4

⁵ Авторы этой книги глубоко благодарны В. В. Иванову за подробный комментарий к первым астрофизическим работам Бронштейна.

где величина д(т) мало меняется и дается решением определенного интегрального уравнения (уравнения Милна). Ясно, что численное значение q(0) дает возможность по измеряемой на Земле величине ТЭф узнать истинную температуру поверхности Солнца T_o. На определение величины q(0) были затрачены многие усилия корифеев астрофизики, но удавалось получить только различные приближения (по два — Джинс и Эддингтон и три — Милн). И вот Бронштейн в 1929 г. получил точное значение а следовательно, и точное соотношение

Этот результат впоследствии стал называться соотношением Хопфа— Бронштейна [297, с. 85, 96], хотя порядок фамилий мог быть и обратным, потому что Хопф[10] получил его несколько позже .

Об уровне первых астрофизических работ Бронштейна можно судить по тому, что они публиковались в главных журналах того времени. Третья (и последняя) его статья по звездным атмосферам была опубликована в английском «Monthly Notices». Представил эту статью сам Милн, и написана она была, как указал автор, в ответ на письмо Милна. По-видимому, на Милна точный результат ленинградца произвел столь сильное впечатление, что он поставил перед Бронштейном вопрос о другом граничном значении q(x) (бесконечная оптическая глубина в атмосфере звезды соответствует фактически небольшой геометрической глубине). Однако на этот раз точного значения получить не удалось (не известно оно и до сих пор), Бронштейн нашел только некоторое приближение[11].

Эти работы Бронштейна можно отнести к математической физике, их суть состояла в искусном математическом «пробивании» уже поставленной физической задачи, но это отнюдь не было математическим паразитированием на физике. (Тот же, в сущности, аппарат оказался необходим для описания переноса нейтронов, когда в конце 30-х — в 40-х годах начались исследования, связанные с цепной реакцией в уране.)

Говорить подробнее об этих работах мы не будем. Как известно, время беспощадно к произведениям научного творчества, гораздо беспощаднее, чем к произведениям искусства. В особенности это относится к теоретической физике. Даже от работ, которые включают в золотой фонд науки, остается спустя некоторое время всего несколько строчек и формул в учебниках и сводных монографиях. Мучительный зачастую путь к результатам, преодоление мнимых и подлинных препятствий, ошибки и предрассудки — все это заменяется одной-двумя фразами, которые служат, скорее, педагогическим целям или же выражают эмоциональное отношение автора учебника к излагаемому результату. Что же говорить об основном потоке работ, добротных и даже первоклассных работ?! Они, как показывает тщательный историко-научный анализ в каждом конкретном случае, образуют необходимую питательную среду, без которой не появилась бы «золотая» работа. Но сами растворяются в последующих исследованиях, оказываются хотя и полезными, но слишком сильными идеализациями.

Об уровне астрофизических работ Бронштейна говорит и то. что, когда в СССР в 1934 г. были введены научные степени, кандидатскую Бронштейну присудили без защиты за его работы по астрофизике (к статьям о звездной атмосфере добавились работы по белым карликам и о влиянии электрон-позитронных пар на тепловое равновесие при высоких — звездных — плотностях энергии (см. разд. 5.2, п. в).

Для Бронштейна 1929 год был не только астрофизическим, но еще и на удивление геофизическим. Хотя название его большой статьи [8] содержит то же слово «атмосфера», что и название области его астрофизических работ, эта общность чисто словесная. Звездная атмосфера и атмосфера Земли как объекты физико-математического исследования совершенно различны. Уж не говоря о кардинальном различии физических условий в этих атмосферах, совершенно различны были вопросы, которыми задавались их исследователи. Для звездной атмосферы нужно было изучить стационарный усредненный режим, определяющий энергоотдачу звезды, поведение температуры и плотности с глубиной. А для земной атмосферы самые важные вопросы связаны с ее динамикой. У Эддингтона были основания говорить, что звезда — очень простой объект для изучения, гораздо проще, например, чем человек. Земная атмосфера по своей сложности уже сравнима с человеком. Недаром прогноз погоды, который должен быть простым приложением динамики атмосферы, до сих пор не стал образцом определенного научного прогноза, а остается в большой мере предсказанием. И предсказать погоду в конкретном месте бывает не легче, чем предсказать поведение человека в конкретных обстоятельствах.

Статье по динамике атмосферы Бронштейн предпослал эпиграф — высказывание Э. Куммера: «Можно считать эллипсоидом вращения любой булыжник — все дело только в степени приближения». Это вполне понятная реакция физика-теоретика на теоретическую геофизику. Теория вообще может заниматься только достаточно простыми моделями, но главный объект геофизики — Земля, уникальная и неповторимая,— удален от ее теоретических моделей несравненно больше, чем обычно в теоретической физике.

Однако Бронштейн смотрел на свои занятия геофизикой вовсе не свысока. Об этом свидетельствует его первая популярная книжка «Состав и строение земного шара». Здесь рассказывается о геохимии, геофизике, сейсмологии с такой детальностью и с таким проникновением в предмет, которые трудно ожидать от теоретика, занимающегося фундаментальной физикой (уже в следующем году он напишет статью о квантовании в магнитном поле и обстоятельный обзор космологии). Описание обширного наблюдательного материала сочетается с обсуждением гипотез, очень далеких от теоретической физики, например гипотезы Вегенера о дрейфе континентов.

Как могли совмещаться столь разные области — астрофизика, геофизика и фундаментальная физика? Удивляться такой широте интересов нам еще предстоит не раз. Уточним лишь обстоятельства, сопутствующие геофизической работе Бронштейна.

Из материалов его личного дела следует, что в июле 1929 г., будучи студентом, он работал в должности физика в Главной геофизической обсерватории (ГГО), в отделе теоретической метеорологии. Отделом руководил Л. В. Келлер (1863—1939), один из ближайших сотрудников А. А. Фридмана. Келлер, кроме прочего, занимался теорией циркуляции атмосферы. К этой области относилась статья Бронштейна [8] и ряд его докладов на семинаре в ГГО [209, с. 74].

А кто мог ему показать дорогу в геофизику? Во-первых, И. А. Кибель. Он работал в ГГО в том же отделе (успев побыть несколько месяцев аспирантом А. А. Фридмана) и занимался гидродинамикой сжимаемой жидкости (фактически динамикой атмосферы). Такому посредничеству не могло помешать то, что Киб и Аббат были неравнодушны к одной и той же девушке (которая, впрочем, к обоим испытывала лишь дружеские чувства).