Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Феррейра Педро

Во время большого террора в конце 1930-х Лев Ландау попал в волну репрессий. Пребывание в тюрьме ожесточило его и заставило потерять в веру в режим, хотя он и продолжал пользоваться его благами. Ландау успел стать легендой, с его именем связывали множество открытий в самых разных областях, от квантовой механики до астрофизики. Он создал собственную физическую школу и обзавелся талантливыми приверженцами, которые были готовы работать на пределе интеллектуальных способностей ради возможности попасть в его окружение. Чтобы стать одним из протеже Ландау, аспиранту нужно было сдать одиннадцать строгих экзаменов, известных как «теоретический минимум Ландау». Экзамены разработал и принимал сам Ландау, и этот процесс

иногда занимал до двух лет. Не многие могли преодолеть этот барьер и доказать свою способность работать с таким выдающимся человеком.

Белорусский еврей Яков Зельдович был одаренным студентом, всего на несколько лет младше Ландау. В семнадцать он работал лаборантом, в двадцать четыре получил докторскую степень и быстро стал одним из крупных советских специалистов по физике горения. Его неизбежно должны были привлечь к разработке бомбы, и он блестяще справился с поставленной задачей. С 1945 по 1963 год Зельдович принимал участие в создании сначала первой советской атомной бомбы, которую американцы стали называть «Joe-1», после того как появилась информация о взрыве в августе 1949-го, а потом и ее следующего варианта, «супербомбы». Советский Союз догнал американцев и стал ядерной державой.

Если Зельдович был искренне увлечен атомным проектом, то прошедшего через испытание Лубянкой и испытывающего глубокую ненависть к Сталину Ландау привлекли туда против его воли. И если Зельдович искренне восхищался Ландау, последний испытывал по отношению к своему коллеге и к атомному проекту в целом куда менее позитивные эмоции. Когда Зельдович попытался договориться с руководством о расширении участия Ландау в проекте, Ландау сказал о нем: «Эта сука». После смерти Сталина он заявил: «Все. Его больше нет. Я его больше не боюсь и больше не буду работать [над ядерным оружием]». Тем не менее за вклад в создание советской атомной бомбы оба ученых несколько раз получали Сталинскую премию и были награждены медалью «Герой Социалистического Труда». А в 1962 году Ландау был удостоен Нобелевской премии.

В середине 1960-х Зельдович по-прежнему был на гребне успеха, в то время как Ландау после автомобильной катастрофы потерял способность заниматься физикой. Работу Ландау продолжили его ученики; они первыми в Советском Союзе занялись проблемой сингулярности в пространстве-времени.

Двое молодых людей, прошедших суровую школу учебы у Ландау, Исаак Халатников и Евгений Лившиц, имели достаточную подготовку, чтобы броситься в бездну хитросплетений теории Эйнштейна и попробовать разобраться, что же происходит при сжатии материи под действием ее собственного притяжения.

Оппенгеймер и Снайдер построили решение для крайне простой ситуации — совершенно симметричной сжимающейся сферы. Изначально эта симметрия беспокоила таких ученых, как Уиллер, считавших подобную идеализацию чрезмерной. Поверхность Земли далека от идеала: она покрыта высокими горами, глубокими океанскими впадинами и долинами. А что, если сжимающаяся звезда имеет столь же неправильную форму? Не могут ли эти неровности и нарушения структуры настолько исказить процесс коллапса, что какие-то части начнут разрушаться быстрее остальных, отскакивать и снова подниматься вверх? Ведь в этом случае сингулярность может вообще не сформироваться.

Русские занялись этим вопросом, ослабив насильственно введенную Оппенгеймером и Снайдером симметрию. В расчетах Халатникова и Лившица пространство-время способно различными способами вращаться в произвольных направлениях. Представьте, что вы смотрите прямо на клокочущую массу материи, например на тяжелую звезду, в момент, когда она взрывается и начинает сжиматься. В общем случае этот процесс пойдет неравномерно. Верхний и нижний фрагменты сгустка могут сжиматься быстрее, чем его бока, настолько быстро,

что прежде, чем боковые стороны успеют коллапсировать, для верха и низа начнется обратный процесс. И уже не вся материя упадет в центр, неотвратимо сформировав сингулярность, а какие-то части будут двигаться наружу, удерживая пространство-время от коллапса. И только абсолютная симметрия позволит всей материи сжаться одновременно, сформировав в итоге сингулярность. В своей работе, опубликованной в журнале «Советская физика», Халатников и Лившиц пришли к поразительному выводу, что в реальных условиях сингулярности никогда не смогут сформироваться. Решения Шварцшильда и Керра представляют собой абстракции, не имеющие реального воплощения. Выходило, что Эйнштейн и Эддингтон с самого начала были правы.

Временами советские ученые получали разрешение на участие в западных конференциях. На третьей международной конференции по общей теории относительности и космологии, которая прошла в Лондоне в 1965 году, присутствовало более двухсот релятивистов. Результаты Халатникова удостоились пристального внимания. Было очевидно, что в Советском Союзе начали заниматься теорией Эйнштейна, но западным ученым оказалось непросто понять, о чем именно шла речь. Основной советский журнал, «Советская физика», всегда переводился на другие языки с запозданием.

Пенроуз тихо слушал выступление Халатникова. Он полагал, что Халатников не прав, но считал «недипломатичным» высказываться на эту тему. «Практически таким методом ничего нельзя доказать, — произнес он, — в данном случае сделано слишком много допущений. Они не позволяют исключить возникновение сингулярности». На самом деле, в противовес утверждению Халатникова, Пенроуз мог бы доказать, что сингулярности формируются всегда. Причем его результаты были представлены в общем виде, так как он использовал собственное новое представление пространства-времени.

За прошедшие с момента встречи с Сиамой в ресторане Кингсвуд в Кембридже десять лет Пенроуз превратил свои диаграммы в набор правил, определяющих распространение в пространстве-времени света и любой другой материи. Он мог взять произвольное пространство-время и по ряду его основных свойств и виду содержащейся в нем материи узнать, что именно там будет происходить — коллапс и превращение в точку или взрыв и расширение до бесконечности. Применив свои правила к вопросу гравитационного коллапса, который Уиллер называл «проблемой конечного состояния», он получил неоспоримый результат — сингулярность. В итоге появилась статья «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности», отправленная в журнал Physical Review Letters. Как он писал в этой статье: «Отклонения от сферической симметрии не могут препятствовать формированию пространственно-временных сингулярностей». Даже почти полвека спустя эта работа считается шедевром краткости, ясности и строгости: идеальная статья объемом чуть менее трех страниц с краткой постановкой задачи, математическим инструментарием и небольшим абзацем с доказательством. Все проиллюстрировано фирменными диаграммами Пенроуза.

На момент доклада Халатникова Пенроуз уже отправил статью в журнал. Ее вот-вот должны были принять и опубликовать в декабре текущего года, но представленные там приемы были незнакомы большинству собравшихся релятивистов, особенно русским. Когда один из учеников Джона Уиллера, Чарльз Мизнер, взялся оспорить Халатникова, оперируя данными Пенроуза, у него ничего не получилось. Русские с недоверием отнеслись к результатам Пенроуза и отказались признать свой подход ошибочным. «Я спрятался в углу, — вспоминал Пенроуз, — так как чувствовал крайнее смущение».