Материал: Шахбазян Ю. АМБАРЦУМЯН. Этапы жизни и научные концепции

вольны избранием Несмеянова. Однако именно во время президентства Несмеянова было основано Сибирское отделение Академии наук в Новосибирске, хотя это был, несомненно, и результат героической деятельности Лаврентьева. Несмеянов очень хорошо относился к Академии наук Армении».

Виктор Амазаспович и Иван Матвеевич весьма импонировали друг другу и пользовались всяким удобным случаем, чтобы встретиться и всласть побеседовать. Показательно, как проводили они свой досуг. Никакие светские развлечения в виде концертов, театров или кино их не привлекали.

Об одной из их встреч вспоминала дочь Виктора Амазасповича — Карине. Лютой морозной зимой 1954 года студентка четвертого курса матмеха Ленинградского университета Карине приехала на каникулы в Москву, чтобы встретиться с отцом. Нисколько не колеблясь, они решили как-нибудь добраться до Абрамцева и на даче устроить себе спокойный и полноценный отдых вдали от московской суеты. Им было известно, что большие деревянные дачные дома не отапливаются, но что людей будет там мало и им никто не помешает. Они так и поступили. Карине одна уехала в Абрамцево. Пробравшись через снежные сугробы к крохотному домику на территории их дачи, в котором была дровяная плита. Она затопила ее, приготовила еду и стала ждать отца. В домике стало тепло и уютно. К вечеру приехал и отец. Было заметно, что в академическом дачном поселке никто не живет. Но Виктор Амазаспович знал, как Иван Матвеевич любил зимой жить здесь отшельником со своей любимой математикой. Виктор Амазаспович добрался до его дачи и действительно обнаружил его там. Радости встречи не было конца. Они пришли в домик к Карине, и с удовольствием поужинав, самозабвенно беседовали до поздней ночи. Темы были разнообразные. Прислушиваясь к их разговору, Карине для себя отметила, насколько лаконично и содержательно беседуют люди, работающие в области точных наук. Они аргументируют сжато и убедительно. Совсем иначе беседуют филологи и литераторы. Они говорят образно, красиво, но невероятно многословно.

Обратные задачи математической физики

При окончании университета Амбарцумян выполнил сугубо математическую работу по теории собственных значений дифференциальных уравнений.

Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственной премий СССР.

Задолго до этого, когда была создана квантовая механика, появились работы Шредингера1 по волновой механике. Он показал, что вопрос об уровнях энергии системы приводит к решению задачи о собственных значениях некоторых дифференциальных уравнений. А это, в свою очередь, означает, что спектр энергетических уровней может быть получен вычислением спектра собственных значений этих уравнений. Дело в том, что линейчатость спектров удивляла всех физиков задолго до того, как появилась квантовая механика. Теперь стало ясно, что каждому элементу соответствуют свои частоты, поскольку по теории Бора2 спектральные линии получаются путем перехода атомов между дискретными энергетическими уровнями. С другой стороны, из математики уже тогда было известно, что во многих случаях спектр собственных значений дифференциальных уравнений дискретен. То, что математический спектр собственных значений и наблюдаемый спектр частот излучения атомов очень похожи друг на друга, всем бросалось в глаза. А Шредингер показал, что на самом деле это одно и то же, и что можно найти уравнения, собственные значения которых соответствуют спектру линий данного атома.

В математическом исследовании Амбарцумяна впервые была сформулирована и предварительно разработана задача, обратная широко известной в математической физике задаче Штурма — Лиувилля. В этот период его сильно заинтересовали принципы квантовой механики, которые давали объяснение происхождению спектров атомов. К тому же в астрофизике спектральный анализ атомов уверенно завоевал основное место в исследовании небесных объектов и стал незаменимым. Амбарцумяна в особенности интересовало, можно ли по наблюдаемым спектрам атомов однозначно восстановить кванто-механический закон и основанное на нем представление о строении и состоянии атома. Такой вопрос можно назвать «обратной» задачей по отношению к проблематике квантовой механики. Вскоре стало ясно, что решение этой задачи во всей ее широте очень трудно. Тогда Амбарцумян

1 Шредингер Эрвин (1887—1961) — австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Нобелевский лауреат 1933 года (совместно с П. Дираком).

2Бор Нильс Хенрик Давид (1885—1962) — датский физик-теоретик

иобщественный деятель, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Известен как создатель первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики, внес значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.

упростил задачу: нельзя ли ответить на вопрос, как частоты колебаний струны зависят от диаметра или других ее параметров? Но и эта математическая задача оказалась очень трудной. Тогда он решил ограничиться еще более частной проблемой: можно ли утверждать, что система собственных частот, характерная для струны, свойственна только ей и выделяет ее, таким образом, среди всех неоднородных струн? Ему удалось ответить на этот вопрос положительно.

Задача математически формулируется так: если спектр собственных значений линейного дифференциального уравнения действительно полностью определяет само дифференциальное уравнение, то возможно ли, например, определить строение какой — либо атомной системы по спектру, то есть решить задачу, так сказать, обратную задаче Шредингера.

Попытаемся разъяснить задачу проще. Решение прямой задачи, то есть решение заданного дифференциального уравнения обычно сводится к отысканию спектра оператора, то есть множества собственных значений. И если собственные значения определены, то прямая задача считается решенной. Теперь сформулируем задачу в обратной постановке и зададим вопрос: можно ли по собственным значениям отыскать само дифференциальное уравнение? Или более физично: а нельзя ли с помощью наблюдаемого спектра частот излучения или поглощения написать то уравнение, собственные значения которого определяют эти частоты, то есть — из совокупности наблюдаемых частот однозначно вывести модель атома?

Конечно, обратная задача намного сложнее прямой задачи. Амбарцумян дал решение обратной задачи для сравнительно простого случая — колебания однородной струны. Здесь ему существенно помогли консультации профессора В. И. Смирнова. Работа эта была напечатана в 1929 году в журнале «Zeitschrift für Physik» («Физический журнал»). Амбарцумяну тогда было 20 лет.

Получилось так, как и должно было получиться: астроном напечатал статью на математическую тему в физическом журнале и, совершенно естественно, никто не обратил на нее никакого внимания. Так лежала она в пыли библиотек около 15 лет. Только в конце войны математики все-таки докопались до нее и посвятили ряд исследований обратным задачам этого типа.

Результат, полученный Амбарцумяном, можно считать скромным, однако сама постановка новой математической задачи и ее частное, но строгое решение открыли для исследования обширную область «обратных задач» теоретической физики, создав целое направление в математике. Сейчас это-

му предмету посвящен один из математических журналов, издающийся в Англии, печатается большое количество монографий. А сравнительно недавно вышла прекрасная монография известного астрофизика, ученика Амбарцумяна — В.

Ю.Теребижа1.

Многие астрономические исследования сводятся к обрат-

ным задачам математической физики. Астрофизики из анализа атомных спектров небесных объектов восстанавливают суть физического явления в объекте исследования. А это и есть решение обратной задачи.

Или еще один пример: когда астроном, зная орбиту небесного тела, вычисляет ее видимое положение на небесной сфере на каждый день года, то он решает прямую задачу небесной механики. Но вот Иоганн Кеплер, еще до появления законов Ньютона и основанных на них уравнениях небесной механики, поставил перед собой задачу: не зная формы орбиты, не зная параметров движения планет, вывести закономерности движения, основываясь на наблюдениях за видимыми перемещениями планет по небосводу. Используя такие наблюдения, Кеплер блестяще вывел из них основные кинематические закономерности движения планет, называемые теперь законами Кеплера. Иными словами, он решил типичную обратную задачу.

1 Теребиж В. Ю. Введение в статистическую теорию обратных задач. М.: Физматлит, 2005.

Глава пятая

УНИВЕРСИТЕТСКАЯ И ПУЛКОВСКАЯ ОБСЕРВАТОРИИ

Кафедра астрономии

К моменту окончания Виктором Амазасповичем университета Пулковская обсерватория находилась на очень высоком уровне, как по оснащенности средствами наблюдения — телескопами, спектрометрами, фотометрами и лабораторным оборудованием, так и по уровню профессорского состава и астрономов-наблюдателей.

Что касается кафедры астрономии университета, то она была основана в момент преобразования Главного педагогического института в Санкт-Петербургский университет в 18191 году. Первым заведующим кафедрой был академик В. К. Вишневский2, который по вечерам проводил практические занятия со студентами в Академической обсерватории в здании Кунсткамеры. С 1839 года в отделении философского факультета начал работать профессор астрономии, а впоследствии академик А. Н. Савич3. В 1881 году по распоряжению Александра II была основана Астрономическая обсерватория университета. Смету строительства представил доцент (впоследствии почетный академик), известный астрофизик

С.П. Глазенап4. В 1891 году Глазенап, получив из казны пять

1 В настоящее время руководством университета и государства официально принята другая дата основания университета: современный СПбГУ — преемник Академического университета, учрежденного одновременно с Академией наук указом Петра I от 28 января 1724 года.

2 Вишневский Викентий Карлович (1781—1855) — российский астроном, академик Петербургской академии наук, известен наблюдениями ярких комет (1807-го и 1811 года) и работами в области картографии.

3 Савич Алексей Николаевич (1810—1884) — известный российский астроном.

4 Глазенап Сергей Павлович (1848—1937) — российский советский

тысяч рублей, приобрел 9-дюймовый рефрактор Репсольда и организовал визуальные наблюдения двойных звезд. В 1913 году Глазенапа на посту заведующего Астрономической обсерваторией университета сменил А. А. Иванов1. Однако в период первой мировой войны университетская обсерватория прекратила свое существование и до 1933 года фактически не работала. В 1933 году Астрономическую обсерваторию вновь открыли, но работа велась не очень успешно. В эти годы некоторые злые языки пренебрежительно называли ее «трехсонной» обсерваторией, имея в виду трех не очень успешных научных работников — Идельсона, Эйгенсона и Натансона.

Главная астрономическая обсерватории страны

Пулковская обсерватория2, в прошлом Императорская обсерватория, основанная Николаем Ι в 1839 году (место обсерватории выбрал сам император), ныне называемая Главной астрономической обсерваторией академии Наук СССР, сохранила традиции первого его директора В. Я. Струве3 в деле оснащения обсерватории самыми совершенными инструментами. В Пулкове преуспевали, в основном, астрометристы, составлявшие высокоточные каталоги звезд. Под руководством С. К. Костинского4 успешно развивалась фотографическая астрометрия. Он оставил после себя богатый стеклянный архив фотоснимков неба. Фотографический материал Костинского был успешно использован, в частности, его учеником А. Н. Дейчем5, получившим спустя 20 лет снимки «вторых эпох» для

астроном, почетный член АН СССР, Герой Социалистического Труда. Один из организаторов Русского астрономического общества и его председатель (1893—1905). Один из первых в России начал изучать переменные звезды.

1 Иванов Александр Александрович (1867—1939) — российский советский астроном, астрометрист, член-корреспондент АН СССР, один из основателей Русского астрономического общества (1890) и его председатель.

2 Официальное название — Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук (ГАО РАН).

3 Струве Василий Яковлевич (1793—1864) — выдающийся российский астроном, один из основоположников звездной астрономии, член Петербургской академии наук, первый директор Пулковской обсерватории.

4 Костинский Сергей Константинович (1867—1936) — российский советский астроном, член-корреспондент АН СССР, основатель отечественной астрофотографии.

5 Дейч Александр Николаевич (1899—1986) — российский советский астроном, ученик С. К. Костинского.

создания каталога собственных движений 18 тысяч звезд. Впоследствии был получен также ценный материал по измерению собственных движений в скоплениях, по изучению широких звездных пар и особенностей движения двойных звезд.

Начало астрофизических исследований в Пулкове можно связать с наблюдениями, которым русские астрономы придавали большое значение еще со времен Ломоносова, — с наблюдениями солнечных затмений. Из наблюдений полного солнечного затмения 1851 года О. В. Струве1 сделал вывод о том, что протуберанцы и корона суть не оптические явления, как полагали до него, а являются составными частями самого Солнца.

Начиная с 1860 года, Пулковская обсерватория начала приобретать астрофизическое оборудование и с этого времени начались астрофизические исследования.

Большое количество измерений блеска переменных звезд произвели П. Г. Розен и Э. Э. Линдеман посредством фотометров Цельнера.

Б. Гассельберг основал в Пулкове астрофизическую лабораторию, для которой в 1886 году было построено специальное здание. Астрофизические наблюдения небесных тел Гассельберг сочетал с лабораторными исследованиями спектров свечения различных элементов и химических соединений. Лаборатория до сих пор успешно работает. В середине ΧΧ века ею заведовал известный астрофизик, член-корреспондент АН СССР О. А. Мельников2.

Астрофизика в Пулкове серьезно начала развиваться с 1890 года, когда на должность директора обсерватории был назначен крупнейший русский астроном Ф. А. Бредихин3. С этого времени начал свою плодотворную деятельность превосходный астрофизик, а впоследствии академик, А. А. Белопольский4, который до конца своей жизни оставался руко-

1 Струве Отто Васильевич (1862—1889) — российский астроном, директор Пулковской обсерватории, член Петербургской академии наук, почетный член многих АН. Сын первого директора обсерватории В. Я. Струве.

2 Мельников Олег Александрович (1912—1982) — российский советский астроном, член-корреспондент АН СССР. Труды по изучению Солнца, звезд и межзвездной среды спектральными методами, астрономическому приборостроению и истории астрономии.

3 Бредихин Федор Александрович (1831—1904) — российский астроном, академик Петербургской академии наук, директор обсерватории Московского университета (1890—1895) и Пулковской обсерватории (1890—1895). Труды по спектральному исследованию протуберанцев Солнца, изучению распада ядер комет и др.

4 Белопольский Аристарх Аполлонович (1854—1934) — российский советский астроном, академик Петербургской академии наук. Труды по применению принципа Допплера — Физо в астроспектроскопии,

водителем астрофизических работ в Пулкове и, в частности, руководил учебой в аспирантуре В. А. Амбарцумяна.

Аристарх Аполлонович Белопольский был пионером в разработке методов определения лучевых скоростей звезд. Используя 30-дюймовый рефрактор, он создал и приспособил к нему трехпризменный спектрограф и составил каталог лучевых скоростей многих звезд, открыл и исследовал ряд спектрально — двойных звезд, обнаружил, до сих пор до конца не понятую, переменность лучевых скоростей Цефеид, исследовал спектры вспыхивающих новых звезд, определил скорость вращения Солнца и многое другое. В 1894 году Белопольский экспериментально обосновал принцип Доплера — Физо в применении к свету, что имело большое значение для подтверждения правильности астрономических сведений о движении звезд по лучу зрения (лучевых скоростей).

Секрет успеха астрофизика-наблюдателя Белопольского был очевиден: он не только знал аппаратуру и виртуозно пользовался ею, но и самостоятельно разрабатывал и создавал спектрографы. Его большим достоинством было определение величин ошибок в оптической системе, то есть распознавание степени искажения качества оптического изображения, ошибок юстировок, ошибок в системе измерений и регистрации. Так, он выявил катастрофическую термическую нестабильность созданного им спектрографа, из-за которой оптическое изображение искажалось при изменении температуры окружающего воздуха. Тогда он создал специальную термостатическую систему, обеспечивающую стабильную работу спектрографа. Этот спектрограф в настоящее время является экспонатом пулковского астрономического музея.

В работе со своими учениками — студентами и аспирантами — Белопольский опирался на мысль Максвелла, что для студентов воспитательная ценность экспериментов зачастую обратно пропорциональна сложности приборов. Студент, пользующийся самодельной, не точно работающей установкой, часто научается большему, нежели тот, который работает с приборами, которым можно доверять, но которые страшно разобрать на отдельные части.

Обычно знанием инструментов и исследованием их точности отличаются астрометристы, которые занимаются тем, что непрерывно повышают точность регистрации положения звезд для звездных каталогов. Астрофизики меньше уделяют внимание точностям, частично компенсируя ошибки всевоз-

определению элементов орбит нескольких переменных и спектральнодвойных звезд, исследованию спектров новых звезд и солнечной поверхности, краев и короны и др.

можными системами калибровок. Белопольский, обладая незаурядными инженерными способностями, относился к своей аппаратуре, как дотошный астрометрист. Своим ученикам он приводил примеры из разных отраслей науки, показывающие, как работа над тщательными измерениями была вознаграждена открытиями новых областей исследования и развитием новых научных идей.

И еще одно важное качество: Белопольский очень высоко ставил астронома-наблюдателя. Он считал, что сначала должна быть определена астрономическая задача и только специально для решения этой задачи должен быть создан или приспособлен соответствующий инструмент. Такое целенаправленное отношение редко встречается среди астрономов, которые в основном требуют универсальных инструментов, а затем сокрушаются, что ту или иную важную астрономическую задачу невозможно решить с помощью уже готовой техники. Это, однако, не исключает точку зрения тех, которые допускают случайные открытия в науке.

Особенно часто своим ученикам Белопольский напоминал знаменитое высказывание Деви: «Хороший эксперимент (в астрономии — наблюдение) имеет больше ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон».

Его подход — сначала астрономическая задача, а потом инструмент — присутствовал и у академика А. А. Михайлова1, сумевшего создать уникальный термостабильный инструмент и при полном солнечном затмении измерить отклонение луча в поле тяготения Солнца величиной в 2 секунды дуги. Строгое изучение распределения ошибок в системе оптических измерений унаследовал у Белопольского и известный астрофизик, академик Г. А. Шайн2.

Принципиальное отношение к создаваемому наблюдательному инструменту, заранее обдуманное требование к средствам наблюдения перенял у Белопольского и Виктор Амазаспович. Когда он заказывал для метрового «Шмидта» Бюраканской обсерватории особую диспергирующую систему — призмы с малым углом, он планировал получить недоступные другим инструментам малодисперсионные мас-

1 Михайлов Александр Александрович (1888—1983) — российский советский астроном, академик АН СССР, директор Пулковской обсерватории (1947—1964). Труды по теории затмений, практической и теоретической гравиметрии, астрометрии, истории науки.

2 Шайн Григорий Абрамович (1892—1956) — российский советский астроном, академик АН СССР, директор Крымской астрофизической обсерватории (1944—1952), лауреат Государственной премии СССР. Основные труды по звездной спектроскопии и физике газовых туманностей.

совые спектры слабых галактик в ультрафиолетовой области спектра. Такая прозорливость в выборе средств наблюдений принесла свои плоды — на этом телескопе было обнаружено большое количество активных галактик и квазаров с «ультрафиолетовым избытком» в их спектре.

Пулковская обсерватория и впоследствии пыталась держаться на передовых позициях астрономической науки. Она всегда была генератором новых идей в астрономической технике. Здесь были разработаны и изготовлены оригинальные конструкции астрометрических иструментов. Отдел радиоастрономии разработал проект и руководил строительством уникального 600-метрового радиотелескопа РАТАН-6001 (С. Э. Хайкин2, Н. Л. Кайдановский, Н. А. Есепкина, Ю. Н. Парийский, Д. А. Корольков, Ю. Л. Шахбазян, А. И. Копылов, О. В. Шиврис и др.). В 1960-х годах в Пулкове была разработана и запущена стратосферная автоматическая астростанция с диаметром главного зеркала кассегреновского телескопа в 1 метр для морфологического

испектрального исследования Солнца. На этой стратосферной станции были получены изображение фотосферы с рекордной разрешающей силой и спектры солнечных гранул

ипятен (В. А. Крат, В. М. Соболев, Ю. Л. Шахбазян, В. И. Корепанов, Л. А. Комионко Ю. С. Музалевский, В. Н. Карпинский и др.). В Пулкове работали основоположник отечественного телескопостроения Н. Г. Пономарев3 и член корреспондент АН СССР, выдающийся оптик Д. Д. Максутов4.

1 РАТАН-600 (сокращение от РадиоТелескоп Академии Наук)— радиотелескоп с кольцевой многоэлементной антенной диаметром 600 м,

представляет собой адаптивную систему, состоящую из 900 одинаковых отражателей с суммарной площадью 10000 м2. Рабочий диапазон волн (λ) 8—300 мм. Установлен в Специальной астрофизической обсерватории на северном Кавказе.

2 Хайкин Семен Эммануилович (1901—1968) — российский советский физик и радиоастроном. Руководитель разработки фазовой радиолокации и радионавигации. Основоположник советской радиоастрономии. Автор принципа «антенны переменного профиля» (РАТАН-600).

3 Пономарев Николай Георгиевич (1900—1942) — российский советский ученый-оптик, впервые предложил для крупных оптических телескопов конструкцию системы альт-азимутальной монтировки, которая была реализована Б. К. Ионнисиани в 6-метровом телескопе БТА.

4 Максутов Дмитрий Дмитриевич (1896—1964) — российский советский ученый-оптик и изобретатель в области астрономического приборостроения, член-корреспондент АН СССР, дважды лауреат Государственной премии СССР. Изобрел менисковые системы оптических приборов. Работал, в основном, в Пулкове.