5.1. Недиссертабельная диссертация
5.1. Недиссертабельная диссертация
Квантовая теория гравитации как тема исследования и как тема докторской диссертации Бронштейна в 1935 г. могла вызвать недоумение сразу по нескольким причинам. Прежде всего проблему эту тогда никак нельзя было назвать актуальной. Эйнштейн и немногие его единомышленники стремились получить квантовые законы из единой теории поля, обобщающей ОТО. За этим исключением, фундаментальная физика почти целиком была поглощена теорией ядра и квантовой электродинамикой. Этих теорий настоятельно требовала область явлений, позже названная физикой элементарных частиц. А гравитация, как показывали простейшие оценки, для этой области значения не имела. Так что тема, выбранная Бронштейном для диссертации, была в 30-е годы весьма изолированной.
Впрочем, трудно говорить и об актуальности самой ОТО в период ее создания. Конечно, для возникновения ОТО причины имелись, и причины глубокие, но они были внутренними: все они относились к внутреннему несовершенству предшествующей теории [127]. А по внешним, количественным эффектам релятивистская теория гравитации была несравнима с ньютоновским всемирным тяготением и другими фундаментальными теориями в периоды их возникновения. Еще меньшей была практическая потребность в квантовой теории гравитации. История физики, однако, хорошо знает, к каким грандиозным практическим последствиям приводят теории, потребность в которых вначале испытывают только немногие теоретики.
В этой книге уже употреблялись названия, сделанные из фундаментальных констант, органически присущих соответствующей теории, явлению и т. д. Ньютоновскую теорию тяготения можно называть G-теорией, ОТО — cG-теорией, а квантовую теорию гравитации — cGh-теорией. Эти обозначения, как мы увидим, восходят к Бронштейну, и они не просто экономят место, а помогают лучше видеть структуру теоретической физики.
Что касается cGh-темы для диссертации, то в 30-е годы не только практически, но и принципиально квантование гравитации не обещало ничего нового. Во всяком случае крупнейшие квантовые авторитеты Паули и Гейзенберг в 1929 г., излагая общую схему квантовой электродинамики, заявили безо всяких оговорок: «Следует еще упомянуть, что квантование гравитационного поля, которое необходимо в силу некоторых физических причин, проводится без каких-либо новых трудностей с помощью формализма, вполне аналогичного развитому здесь» [159, с. 32]. Важная оговорка была, конечно, необходима. Фактически Паули и Гейзенберг подразумевали, что квантованию подвергается слабое гравитационное поле, для описания которого достаточны линеаризованные уравнения Эйнштейна. Именно так подошел к квантованию гравитации Л. Розенфельд в 1930 г. [259]. Такой заведомо приближенный подход хотя и позволял надеяться на аналогию с электромагнетизмом, но давал повод забыть об особых свойствах гравитации, связанных с принципом эквивалентности, с геометрическим характером и нелинейностью этого поля. Только Бронштейн обнаружил принципиальную сложность квантования гравитации. А современник, не подозревающий об этом, вряд ли счел бы тему его диссертации перспективной.
Тот же современник, если он участвовал в жизни Физтеха, с не меньшим недоумением отнесся бы к тому, что тема диссертации не связана с физикой полупроводников (перспективность которой не вызывала сомнений). Потому что результаты Бронштейна в этой области были тогда хорошо известны. Их высоко оценивал директор ЛФТИ А. Ф. Иоффе [193]. Заведующий теоротделом Я. И. Френкель в отзыве о Бронштейне даже писал: «В настоящее время им уже фактически написана докторская диссертация (на тему об электронных полупроводниках), которую он будет защищать в недалеком будущем» [173, с. 322]. И ученый совет ЛФТИ, присвоив Бронштейну кандидатскую степень за работы по астрофизике без защиты на заседании 10 июня 1935 г., предложил ему представить докторскую диссертацию «Теория полупроводников». В этих обстоятельствах выбрать совсем другую (можно сказать, противоположную) тему — поступок недиссертабельный, или, если не пользоваться нынешним жаргоном, неблагоразумный. Однако степенное благоразумие не было главным качеством Матвея Петровича: кроме того, разве интересно возвращаться к работе трехлетней давности?
И, наконец, тому современнику, который с нашей помощью не устает удивляться теме бронштейновской диссертации, осталось спросить, почему эта диссертация понадобилась вообще. Ведь тогда нередко докторские степени присваивались без защиты диссертации, а в советской теоретической физике Бронштейн был достаточно заметен.
Поясним кое-что для тех, кто не знает, что до 1934 г. в СССР ученых степеней не было. Революция, демократизируя общественную жизнь, отменила разные табели о рангах, в частности обычные воинские звания и ученые степени. В науке дисциплина и надежность управления не имеют такого значения, как в армии, здесь важнее гибкость структуры и свободная инициатива. Стремление измерять научный уровень диссертациями и обозначать ранг научного работника «звездочками на погонах» подвергается сомнению и в наше время. А в 30-е годы у молодых, активно работающих физиков степенная иерархия вызывала еще больший скепсис: в научном сообществе безо всяких степеней становится известен истинный потенциал каждого. Однако административные преимущества системы званий в условиях планирования науки перевесили, и в январе 1934 г. было принято решение «в целях поощрения научной работы и повышения квалификации научных и научно-педагогических кадров» ввести (в течение двух лет) степени кандидата и доктора наук[44] .
Чтобы новый механизм заработал, нужно было некоторое начальное количество докторов. Право присваивать ученые степени без защиты диссертации имели ВАК, Президиум АН СССР. Помимо членов Академии докторские степени получили и некоторые физики бронштейновского поколения, например Ландау и Шубин. В том, что Бронштейну пришлось защищать диссертацию, не следует видеть сомнение коллег в его докторском потенциале. Просто система присвоения степеней никогда не была особенно стройной, и, кроме таланта и достижений, учитывались также и другие обстоятельства: и занимаемая должность, и концентрация квалифицированных физиков в окружении. Для Ландау и Шубина, переехавших из научных центров Ленинграда и Москвы в только что организованные в Харькове и Свердловске УФТИ и УрФТИ и ставших там заведующими теоротделов, эти обстоятельства были в плюсе, для Бронштейна — в минусе.
По причинам, вполне понятным, молодые физики, действительно заслуживающие научных степеней, относились к диссертациям без почтения; ведь это отвлекало от настоящей научной работы. Поэтому руководителям ЛФТИ приходилось настойчиво побуждать «неостепенившихся», чтобы они своевременно (до конца 1935 г.) оформили свои работы в виде диссертаций. По свидетельству И. К. Кикоина, получив очередную взбучку по этому поводу от А. Ф. Иоффе, Матвей Петрович объяснял, что не хочет готовить полупроводниковую диссертацию, потому что в докторской диссертации обязательно должны быть длинные непонятные формулы. Тут, конечно, и красное словцо, но, вероятно, и свидетельство уже определившейся темы: в квантовании гравитации, где кроме десяти потенциалов (метрики) участвуют десять импульсов, без сложных формул не обойтись. (Помня обещание М. П. насытить свою диссертацию сложными формулами, Кикоин принес на защиту подзорную трубу, чтобы не пропустить на доске ни одного, даже самого маленького индекса.)
Диссертационную работу Бронштейн сделал за летние месяцы 1935 г. 10 июня ученый совет был еще уверен, что тема диссертации — теория полупроводников, а августом уже датирована статья [30] с изложением квантово-гравитационных результатов.
Защита состоялась 22 ноября 1935 г. Оппонентами выступали два крупнейших советских теоретика — В. А. Фок и И. Е. Тамм. Они высоко оценили работу младшего коллеги, квалификация которого, впрочем, была им хорошо известна и до диссертации. Сохранившаяся стенограмма защиты [173, с. 317—320] и — еще больше — воспоминания очевидцев свидетельствуют, что поведение диссертанта было не очень-то диссерта-бельным. Он не «защищался», а рассказывал об очередной своей работе.
Какой же путь привел М. П. Бронштейна к теме его диссертационной работы?
Самостоятельным исследователем он был уже в студенческие годы, поэтому напрасно искать, кто бы мог дать ему тему диссертации. Скорее, наоборот. Его «непосредственный начальник», заведующий теоротделом ЛФТИ Я. И. Френкель, относился к квантованию гравитации весьма скептически. Это ясно показывает рукопись статьи «Принцип причинности и полевая теория материи» (Личный архив В. Я. Френкеля), которую Я. И. Френкель подготовил для сборника, посвященного Эйнштейну и вышедшего в США в 1949 г. Вопросу квантования гравитации в этой статье уделен почти целиком параграф «Ядерное и гравитационное поля». Автор анализирует точку зрения, согласно которой гравитационное поле, «или во всяком случае та (слабая) часть его, которая образует гравитационные волны, может быть квантована, чему должно соответствовать появление соответствующих частиц — гравитационных квантов, или гравитонов» и указывает: « А. Эйнштейн был, вероятно, первым, кто указал на связь между гравитационными волнами и соответствующими частицами (в беседе с автором в 1925 г.). Подробное математическое исследование этого вопроса было опубликовано в нашей стране М. Бронштейном в 1936 г. Результаты Бронштейна недавно развил Д. Д. Иваненко».
Однако Я. И. Френкель выразил несогласие с такой точкой зрения, считая аналогию между гравитационным и электромагнитным полями весьма поверхностной. Его аргументы состояли в том, что «электромагнитное поле представляет собой материю», а гравитационное лишь определяет метрические свойства пространственно-временной протяженности; что, «строго говоря, таких вещей, как гравитационная энергия или импульс, не существует, так как соответствующие им величины не образуют настоящего тензора, а являются лишь псевдотензором» (в этом же Я. И. Френкель видит причину неудач многих попыток сведения теории обоих полей в единую теорию поля). Попытки квантовать гравитацию он считает бессмысленными, поскольку «гравитационное поле имеет макроскопический, а не микроскопический смысл, обусловливая лишь некоторую рамку для описания физических событий в пространстве и времени, тогда как квантование относится лишь к микроскопическим процессам в материальных полях».
Все эти соображения, по существу, не зависели от событий, происшедших после бронштейновской диссертации, и поэтому, а также судя по реплике Френкеля на защите [173, с. 319], можно думать, что его позиция была такой же и в 1935 г.
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.