4.2. Гипотеза несохранения и мотивы ее сторонников
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 нового 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 Р-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 Р-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 AxAp~h, 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 h. Дираковское уравнение для электрона (1928) считалось, конечно, выдающимся результатом, но неполноценным из-за отрицательных состояний. Кроме того, от подлинной ch-теории ожидалось гораздо большее, чем давало уравнение Дирака. Синтез релятивистских и квантовых идей в ch-теории казался чуть ли не последним важным событием в теоретической физике. Все ожидали, что ch-теория объяснит численное значение постоянной тонкой структуры а = e2/ch и — тем самым — атомизм заряда [81, с. 205]. Только немногие осознавали, что за построением ch-теории должно еще последовать построение cGh-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 с квантовой механикой, были вместе с тем уверены, что грядущая ch-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.
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, проблемы и факты ядерной физики: азотная катастрофа, верхняя граница Р-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 Р-электроны рождаются. В результате начала слабеть важнейшая теоретическая опора ГН — обнаружилось, что проблемы построения полной ch-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 Р-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 Р-распада и получил важное следствие из нее — форму Р-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 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 Р-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. 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 Л в уравнениях ОТО зависящим от времени.
Так возникла первая физическая «константа», зависимость которой 4от времени была увязана с расширением Вселенной[36]. 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» Л-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.
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 Л-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 = Мс ). Поэтому, аналогично электродинамике, нельзя изменить энергию 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 на смехотворную малость гравитационных эффектов в микрофизике, для сторонников ГН этот теоретический аргумент был сильнее новых экспериментальных данных по Р-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][37]. 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 ch-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 Р-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.
Чем же они не устраивали? Прежде всего, оба опирались на закон сохранения энергии (Д E = ДМ/ 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 ДE = ДМс . 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 Р-спектра), двумя теоретическими 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 Р-процессах подразумевало необратимость физических явлений на фундаментальном уровне. Однако то же самое обстоятельство — возможная временная асимметрия ch-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[38] и говорил не о связи ГН с космологической 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.