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

ная, но равномерно рассеянная материя, состоящая из пыли

игаза. В этой среде, как утверждал Кант, частицы с бjольшей плотностью, благодаря ньютоновскому гравитационному притяжению, «соберут вокруг себя материю с мjеньшим удельным весом, и в итоге образуются различные сгустки в виде звезд и планет». Однако нелишне вспомнить, что до Канта Ньютон тоже думал об этом и, не совершив специальных расчетов, изложил свое предчувствие: «Мне кажется, что если бы вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было равномерно распределено по всему небу и каждая частица обладала бы присущим ей тяготением ко всем остальным частицам, и все пространство, по которому распределено вещество, было бы конечным, то вещество, находящееся во внешних областях этого пространства, под действием тяготения стремилось бы к веществу во внутренней области и, вследствие этого, упало бы в середину пространства, образовав там одну большую сферическую массу. Но, если бы вещество было равномерно размещено по бесконечному пространству, то оно никогда не собралось бы в единую массу».

Кэтому времени еще не была доказана гравитационная неустойчивость равномерно распределенных частиц — задача N тел (задача Вейерштрасса). Частные же точные решения взаимодействия трех тел в гравитационном поле были решены Эйлером1, Лагранжем2 и Анри Пуанкаре.

Но Кант интуитивно почувствовал, что хаотически распределенная материя неустойчива и должна распадаться, как он говорил, «должна стремиться к формированию». В этом гениальное интуитивное предвидение Канта.

Но следующий шаг Канта был менее обоснован и заключался в следующей гипотезе: «…в результате распада хаотически распределенной материи образовались все тела не только солнечной системы, но и всей Вселенной». Свою гипотезу он возвел в ранг всемирного закона и опубликовал в 1755 году анонимно, под названием «Физико-астрономическая теория мироздания». Это была первая серьезная публикация, положившая начало исследованиям по гравитационному сжатию

итеории конденсации.

Скрыть свое авторство Канту, конечно, не удалось, и хотя его гипотеза не совсем противоречила христианскому учению

1 Эйлер Леонард (1707—1783) — швейцарский, немецкий и российский математик, внёсший значительный вклад в развитие математики, а также механики, физики, астрономии и ряда прикладных наук.

2 Лагранж Жозеф Луи (1736—1813) — французский математик и механик итальянского происхождения. Наряду с Эйлером — лучший математик XVIII века. Особенно прославился исключительным мастерством в области обобщения и синтеза накопленного научного материала.

осотворении мира, прусский король Фридрих Вильгельм II, отчитал Канта, направив ему личное письмо. После этого Кант перестал читать курс астрономии и богословия в Кенигсбергском университете.

Кант как личность, философ и величайший мыслитель вызывает у каждого думающего человека преклонение и трепет. В Кенигсбергском университете он читал блестящие лекции по математике, физике, астрономии, богословию и этике. Никогда не выезжая из Кенигсберга, чтобы не прерывать свои исследования по философии, он увлеченно читал в университете курс физической географии и мечтал о путешествиях, которые так и не осуществил.

Им бесконечно восхищался и Виктор Амазаспович, не переставая изучать его сочинения до последних дней. С особым увлечением он вдумывался в глубочайшие рассуждения Канта о пределах человеческого разума в работах «Критика чистого разума» и «Критика практического разума».

Виктор Амазаспович часто, шутя, предлагал своим сотрудникам определять уровень своих интеллектуальных способностей в процентах от уровня усвоения кантовских работ и всегда с юмором добавлял: «Не огорчайтесь, если преодолеете только 10-процентный барьер — это уже будет говорить

овашем таланте».

Особенно нравились ему лестные отзывы Канта в адрес армян. У Канта есть и такая работа, посвященная качественному сравнению различных наций. Гипотеза Канта восторжествовала в полную силу только после вторжения в эту проблему блестящего французского математика и астронома Лапласа.

Лаплас, так же как и Кант, считал основным механизмом образования планет Солнечной системы процесс гравитационного сжатия. Однако вместо кантовского эволюционного развития хаотической холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникало центральное массивное тело — будущее Солнце, а затем и планеты, Лаплас рассматривает эволюцию первоначально существующей газовой, очень горячей туманности, находящейся в состоянии быстрого вращения. Такая туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, уменьшая свои размеры и вращаясь все быстрее и быстрее под воздействием увеличивающихся центробежных сил, возникающих в экваториальном поясе, должна была выбрасывать, выпускать кольцеобразные сгустки материи. Из этих колец, вследствие конденсации, и должны были образоваться планеты. Рассматривая космогоническую гипотезу Лапласа с сегодняшних позиций, можно сказать, что

ему не нужно было представлять начальную стадию в виде вращающейся туманности, поскольку кантовская модель равномерно распределенной хаотичной среды может распадаться любым способом, в том числе и в виде быстрого вращения, как показали впоследствии многочисленные исследователи этого направления.

Сторонники Лапласа этим вращением пытались объяснить вращение и образование спиральных галактик под действием силы притяжения ядер галактик.

Но основным вкладом Лапласа в астрономию является строгое доказательство гравитационной, динамической устойчивости солнечной системы и создание теоретических основ небесной механики.

Несмотря на различие гипотез Канта и Лапласа, их объединяет концепция закономерного преобразования туманности в тела Солнечной системы. Поэтому эту концепцию и принято называть гипотезой Канта — Лапласа. С момента создания этой гипотезы и до пятидесятых годов прошлого столетия теория гравитационного сжатия не только существовала как основная космогоническая концепция в астрономии, но и интенсивно развивалась.

Гравитационный радиус Шварцшильда

Американский астрофизик Мартин Шварцшильд1 теоретически исследовал возможный процесс гравитационного коллапса — катастрофически быстрого сжатия массивных тел под действием ньютоновских сил притяжения.

О чем говорит его теория? Она доказывает, что при гравитационном коллапсе наступает катастрофическоe захлопывание — то есть сжатие звезды за каких-нибудь несколько минут в сверхплотную «точку». Была рассчитана предельная масса этой «предельной точки». Она оказалась не более 2 масс Солнца.

Итак, в рамках этой теории завершающий этап эволюции звезды очень прост: по мере того как звезды расходуют ядерное горючее, они теряют свою механическую устойчивость, начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру и внутренняя, центральная область звезды становится телом с почти бесконечной плотностью, то есть происходит коллапс.

Шварцшильд вывел формулу для гравитационного радиуса сферы (Rgr), на которой сила тяготения, создаваемая

1 Шварцшильд Мартин (1912—1997) — американский астрофизик. Труды по внутреннему строению звезд и звездной эволюции.

массой (M), лежащей внутри этой сферы, стремится к своему максимальному значению.

Rgr = 2MG / c2

Здесь G — гравитационная постоянная, с — скорость света в вакууме.

Гравитационный радиус обычных небесных тел по Шварцшильду ничтожно мал: Например, для Солнца Rgr ≈ 3 км, а для Земли Rgr ≈ 0,9 см. Это означает, что, если тело коллапсирует, то есть сожмется до размеров гравитационного радиуса, то никакое излучение или частицы не смогут преодолеть поле тяготения и выйти из сферы к удаленному наблюдателю. Гравитационный радиус носит имя своего изобретателя — радиус Шварцшильда.

Чтобы проще понять это явление, представим себе астронавта, который, улетая от нас в дальний космос, обязался посылать нам на Землю радиосигналы через каждую секунду. Сначала посланные сигналы доходят до Земли с секундными интервалами, пока астронавт не оказывается в зоне действия коллапсировавшей звезды, радиус которой равен критическому радиусу Шварцшильда. И чем ближе он подлетает к этой звезде со скоростью, увеличивающейся под действием притяжения, тем чаще земные наблюдатели с удивлением и страхом замечают, что радиосигналы следуют один за другим все реже и реже и, наконец, перестают поступать и вовсе… А, между тем, астронавт по своим часам посылает строго секундные сигналы до своего поглощения коллапсировавшей звездой. Это известное явление замедления времени в теории относительности.

Отношение Амбарцумяна к теории гравитационного сжатия

Эта красивое и увлекательное явление побудило многих выдающихся астрофизиков углубиться в теорию гравитационного сжатия и попытаться создать «завершенную» теорию внутреннего строения звезд.

Американский астрофизик Чандрасекар расширил рамки теории гравитационного сжатия, разработав концепцию звездной эволюции (теория внутреннего строения звезд). За эту работу он получил Нобелевскую премию.

Крупнейший английский астрофизик Фред Хойл1, мно-

1 Хойл Фред (1915—2001) — британский астрофизик и космолог. Труды по звездной и планетной космогонии, теории внутреннего строения и

го сделавший в теории гравитационного коллапса, так был увлечен этой проблемой, что даже стал писать научно– фантастические произведения. Термин «черная дыра» ввел в

обиход астроном Джон Арчибальд Уиллер1 в конце 1967 года, после чего не только научная фантастика, но и научная теория внутреннего строения звезд начала использовать это понятие в различных мыслимых и немыслимых вариантах. Хойлу же принадлежит оригинальная концепция не эволюционирующей, стационарной Вселенной, всегда в среднем остающейся равной самой себе. Стационарности Вселенной Хойл «достигал» с помощью гипотезы о непрерывном рождении вещества (из пустоты!) во Вселенной.

Чтобы завершить историю создания теории гравитационного сжатия, нужно сказать, что до начала ХХ века астрофизика была еще в зачаточном состоянии. Фактически отсутствовал основной инструмент астрофизики — спектральный анализ звезд и галактик, и не было еще исследований в широком диапазоне длин волн (от рентгена до радиоволн). Теория гравитационного сжатия возникла и развивалась чисто умозрительно, без глубокого анализа результатов астрономических наблюдений. Однако она упорно продолжает развиваться и сейчас.

И все-таки у Амбарцумяна хватило смелости выступить против мнений таких гигантов мысли, как Ньютон, Кант, Лаплас и некоторых современных ведущих астрономов.

Виктор Амазаспович считал, что «эра умозрительных космогонических теорий прошла и что создание современной концепции происхождения небесных тел должно основываться на достоверном наблюдательном материале, на его анализе и обобщении». Умозрительные, то есть просто-напросто придуманные, пусть даже логически строгие и чрезвычайно остроумные построения, опасны тем, что за ними может не быть никакой реальности.

На самом деле Виктор Амазаспович эту мысль понимал гораздо глубже, и его устные разъяснения сводились к тому, что истинное творчество отличается от придуманных построений еще и тем, что творчество включает в себя, кроме логики, научную прозорливость — научную интуицию. На интуитивном познании мы остановимся в шестнадцатой и восемнадцатой главах.

эволюции звёзд, космологии. Автор нескольких научно-фантастических романов.

1 Уилер Джон Арчибальд (1911—2008) — американский физиктеоретик, член Национальной академии наук США, президент Американского физического общества в 1966 году. Автор терминов «черная дыра» и «кротовая нора», один из разработчиков атомной бомбы.

Как мы уже говорили, к теории гравитационного сжатия Виктор Амазаспович относился вполне определенно, хотя в научных, и тем более в научно-популярных работах, можно встретить приписываемые ему ошибочные высказывания. Он не был столь категоричен, как многие противники этой теории, и считал, что существование процесса гравитационного сжатия во Вселенной вполне возможно, хотя фактически прямых процессов конденсации не зарегистрировано.

Но самое главное, по его мнению, это то, что теория гравитационного сжатия не в состоянии хоть сколько-нибудь правдоподобно объяснить гигантское разнообразие нестационарных процессов, происходящих во Вселенной, зарегистрированных современными астрофизическими наблюдениями.

Он считал также ошибочным распространенное мнение о том, что релятивистская астрофизика, оперирующая результатами общей теории относительности, ответила, в основном, на все главные вопросы астрофизики.

Концепция Амбарцумяна представляет собой мировоззренческий переворот, сравнимый по значимости с переворотом Коперника.

Глава седьмая

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА И КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ

Квантование пространства и времени Гейзенберга, Амбарцумяна и Иваненко

Несмотря на свою перегруженность, Виктор Амазаспович не упускал возможности бывать на других обсерваториях страны. Были установлены хорошие научные связи с астрономами Абастумани (Грузия) и Симеиза (Крым).

Однажды, когда Виктор Амазаспович собирался поехать в Симеиз, где директором был академик Г. А. Шайн, eго пулковский приятель, астроном Александр Николаевич Дейч посоветовал ему обратить внимание на весьма привлекательную племянницу Пелагеи Федоровны, жены Григория Абрамовича — Верочку. Дело в том, что сам Дейч собирался жениться на Пулковской красавице Александре Михайловне, которая была весьма благосклонна к Виктору Амазасповичу. Тем самым он решил отвлечь внимание Виктора Амазасповича и дал ему хитрый совет.

Приехав в Симеиз и посетив Шайнов, Виктор Амазаспович, естественно, обратил внимание и на Верочку. Яркая русская красота восемнадцатилетней Верочки мгновенно покорила сердце двадцатидвухлетнего юноши. Они сразу договорились о встрече в Ленинграде. Вера Федоровна поехала в Ленинград на учебу, и в 1930 году Виктор Амазаспович под Новый год привел Веру Федоровну в свою семью и представил своей женой. Брак был зарегистрирован гораздо позже. Так в жизни Виктора Амазасповича появился прекрасный, преданный на всю жизнь, друг. А Александр Николаевич Дейч женился на Александре Михайловне.

Вера Федоровна (девичья фамилия Клочихина) родилась на Урале, в Соликамске. Ее новгородские предки за непослушание были переселены на Урал еще Иваном Грозным. Дед

ее, Федор Санников, был ходоком к Ленину. После смерти родителей, Федора и Елены Клочихиных, Верочку взяла к себе сестра ее матери, Пелагея Федоровна, которая к тому времени окончила Бестужевские курсы, стала астрономом и вышла замуж за Г. А. Шайна.

Вера Федоровна родила Виктору Амазасповичу четырех, в будущем успешно работающих в математике и физике детей: Карине — в 1933 году, Елену — в 1936 году, Рафаэла (впоследствии иностранный член НАН Армении) — в 1940 году и Рубена (впоследствии действительный член НАН Армении) — в 1941-м. Вера Федоровна была строгой, но бесконечно заботливой женой и матерью. Прожив в дальнейшем благополучную жизнь — 52 года — в Армении, и полюбив родину своего мужа и армянский народ, она, однако очень скучала по России. Хорошо знала историю России и много о ней увлеченно читала. Русская поэзия и литература, а также история России занимали огромное место в ее жизни. Правда, Виктор Амазаспович не только не уступал ей в знании русской культуры, но зачастую помнил больше, благодаря своей феноменальной памяти. Она превосходно владела английским и некоторое время преподавала в Ереванском педагогическом институте. У нее был редкий музыкальный слух и великолепный голос. Однажды она очень красиво спела романс «Отцвели уж давно хризантемы в саду...» в США, на приеме, организованном советской делегацией в честь ΧI съезда МАС в Калифорнии, в здании ратуши Беркли. Об этом вспоминает бюраканский астрофизик Нина Леонидовна Иванова, присутствовавшая на этом приеме в числе 60 участников съезда из Советского Союза.

Семья Виктора Амазасповича в 1930-е годы жила в Ленинграде, на 7-й линии Васильевского острова. В 1934 году Виктору Амазасповичу присвоили звание профессора, а в 1935-м ему была присуждена без защиты диссертации ученая степень доктора физико-математических наук. В этом же году им была организована в университете кафедра астрофизики, которой он руководил до 1946 года.

Кроме проблем теоретической астрофизики и математической физики Виктор Амазаспович сильно увлекся и теоретической физикой. Как он говорил, «не сумел устоять перед очарованием теоретической физики». Он самостоятельно стал изучать теорию Бора по строению атома, а с 1927 года — квантовую механику. Он досконально изучил работы Шредингера, посвященные квантовой теории, и стал посещать прекрасные лекции Д. С. Рождественского1 по строению атома. Следу-

1 Рождественский Дмитрий Сергеевич (1876—1940) — российский советский физик, академик АН СССР. Труды по атомной спектроско-

ет отметить, что именно на этой почве он и познакомился с М. П. Бронштейном и Г. А. Гамовым, которые, в свою очередь, серьезно увлекались астрофизикой.

В1928—1929 годах ему попалась книга Р. Куранта и

Д.Гильберта «Методы математической физики», о которой он высоко отзывался, и которую он также досконально изучил.

Университетские лекции по астрофизике Виктор Амазаспович непременно увязывал с современной теоретической физикой, в частности, с результатами квантовой механики. Для астрономов в университете он впервые начал читать спецкурс по теоретической физике.

Примерно в это время начала стремительно развиваться квантовая, или волновая механика, которая впервые пыталась описать структуру атомов и понять их спектры. Корпускулярноволновой дуализм материи потребовал нового подхода к описанию состояния физических систем и их измерений. В отличие от классической теории, все частицы в квантовой механике выступают как носители и корпускулярных и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. В это время волновая природа электронов, протонов и других частиц уже была подтверждена опытами по дифракции частиц. Была установлена фундаментальная роль постоянной Планка (h) — одного из основных масштабов природы. Она отделяет область явлений, которые можно описывать классической физикой (когда h принимается равной нулю), от области тех явлений, для истолкования которых необходима квантовая теория. В основу квантовой электродинамики было положено подтвержденное на опыте представление о дискретности электромагнитного излучения. Кванты электромагнитного по-

ля — фотоны — являются носителями минимально возможной при данной частоте поля (ν) энергии (Е):

Е= hν

K этому времени относится замечательная идея квантования пространства и времени, принадлежащая Амбарцумяну и Иваненко, и независимо от них Гейзенбергу1. Зачем она потребовалась?

пии. Организатор и первый директор Государственного оптического института (ГОИ).

1 Гейзенберг Вернер (1901—1976) — немецкий физик-теоретик. Один из создателей квантовой механики (совместно с Максом Борном и Паскуале Йорданом). В 1925 году предложил матричный вариант квантовой механики, за что в 1932 году получил Нобелевскую премию. В 1927 году сформулировал принцип неопределенности. Философ естествознания. Амбарцумян и Иваненко с ним не встречались.

История с квантованием пространства такова. Еще до появления квантовой механики А. Эддингтон указал на опасности, связанные с введением в теорию длин, малых по сравнению с размерами электронов. Эддингтон утверждал, что нет смысла говорить о длине порядка 10–18 см, если самая мелкая существующая материальная единица, наверное, обладает во много раз большими размерами. Большими являются даже длины электромагнитных волн. Это очень важно, если захотеть ввести в квантовую механику понятие о конечных размерах электрона. Поэтому у Гейзенберга и, одновременно и независимо, у Амбарцумяна с Иваненко, возникла идея «проквантовать четырехмерное пространство — время», то есть построить такую теорию, в которой фигурировала бы «наименьшая возможная длина». А выход таков. Когда речь идет о принципиальной невозможности измерять сколь угодно малые длины, легко можно представить такую теорию, при которой эта невозможность преодолена Лоренцовским сокращением длины согласно принципу относительности при больших скоростях движения. В случае же волны невозможность измерения сколь угодно малой длины волны преодолевается эффектом Доплера при достаточно быстром движении источника излучения по направлению к наблюдателю.

Оказалось, что из теории квантования пространства, без всяких специальных гипотез вроде гипотезы Дирака1 можно получить правильное отношение масс протона и электрона. Однако не следовало преувеличивать того численного совпадения, которое при этом получалось. Здесь нет строгих доказательств. Как пишет М. П. Бронштейн: «Мы должны считать вычисленным разве только лишь порядок величины искомого отношения масс. Но все же, самая возможность такого вычисления показывает, на наш взгляд, что мы здесь имеем дело не только с игрой математическими формулами, основанной на так называемых «размерностях», что дискретность пространства все же, каким-то образом, связана с асимметрией масс протона и электрона, и что только дискретная геометрия дает надежду на решение этой трудной головоломки»2.

Такова основная идея квантования пространства и времени. Но для ее осуществления необходимо было построить дискретную геометрию, то есть такую, которая исключала бы

1 Дирак Поль (1902—1984) — английский физик, один из создателей квантовой механики. Иностранный член АН СССР, лауреат Нобелевской премии (совместно с Э. Шредингером). Гипотеза Дирака основывалась на предположении о непостоянстве фундаментальных констант, в частности, на изменении гравитационной константы G со временем. Данная гипотеза противоречит опытным данным.

2 Бронштейн М. П. Научное слово. 1931. № 1. С. 38—55.