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 Тэф — 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) = Тэф [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 To. 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).