Матвей Петрович Бронштейн
Шрифт:
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
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].
45
Не так давно появились веские основания думать, что по причинам, «очам не видным», в устройстве микромира гравитации принадлежит важная роль. А полвека тому назад в такую роль можно было только верить. Пророком этой веры был, как известно, Эйнштейн.
46
Статистическую природу гравитации предполагал в 20-е годы и Г. Вейль, надеясь объяснить слабость гравитационного взаимодействия огромностью числа частиц во Вселенной [170].
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.
5.2. Корни интереса к cGh– физике
Итак, настрой физического сообщества не объясняет тему бронштейновской диссертации. Но тогда корни этой темы надо искать в биографии Бронштейна и в биографии самой физики.
а) Квантовая гравитация до Бронштейна. О том, что необходима квантовая теория гравитации, первым сказал сам Эйнштейн. В 1916 г., всего через несколько месяцев после создания ОТО, при рассмотрении гравитационных волн он
А в 1918 г. в статье о гравитационных волнах Эйнштейн, получив формулу для интенсивности их излучения, сразу же пишет: «Из формулы видно, что интенсивность излучения ни в одном направлении не может стать отрицательной, тем более не может быть отрицательной и полная интенсивность излучения. Уже в прежней работе подчеркивалось, что окончательный результат, согласно которому должна происходить потеря энергии телами вследствие теплового возбуждения, вызывает сомнение во всеобщей справедливости теории. Нам. кажется, что построение усовершенствованной квантовой теории должно повлечь за собой и видоизменение теории тяготения» [307, с. 642]. Эйнштейн, еще не принявший программу единой теории поля, отводил тогда квантовым идеям, как видно, даже более активную роль.
В первом из этих замечаний Эйнштейн имеет в виду проблему электромагнитной нестабильности атома (за несколько лет до этого если не решенную, то преодоленную теорией Бора). Однако его прогноз не мог опираться на количественные оценки. «Высвечивание» атома, рассчитанное в рамках классической электродинамики, приводит к падению электрона на ядро за характерное время
(в вопиющем противоречии с наблюдениями). А высвечивание энергии атома в форме гравитационного излучения (рассчитанного по формуле Эйнштейна) происходит за характерное время
Так что ни о каком непосредственном противоречии с эмпирическими данными говорить нельзя. Опирался Эйнштейн, видимо, на аналогию с электромагнетизмом [47]
После того как Эйнштейн в 1916 г. указал на необходимость квантово-гравитационной теории, на ее долю в течение двух десятилетий доставались только отдельные замечания,— физиков занимали другие трудные и более насущные проблемы (квантовая механика, квантовая электродинамика). И эти немногие замечания подразумевали слишком большую аналогию гравитации с электромагнетизмом.
47
То, что время гравитационного высвечивания Tg имеет более чем космологическую величину, дает повод вспомнить, что в те же годы Эйнштейн размышлял над космологической проблемой. То, что для него не важна была величина эффекта, связано с тогдашним его представлением о статичности Вселенной. В статической Вселенной, существующей вечно, эффект нестабильности атомов недопустим независимо от его величины. Эту позицию, тогда вполне естественную, любопытно сопоставить с тем, что в наше время возможная нестабильность протона (характеризуемая, кстати, близкой к Tg величиной 10 лет) упоминается в нобелевских лекциях 1979 г. даже как предпочтительная [262]. Так эволюционная космологическая картина подействовала на нормы допустимого в теоретической физике.
В начале главы уже приводились слова Гейзенберга и Паули 1929 г. из [159] о том, что квантование гравитации не приводит к принципиально новым проблемам по сравнению с электродинамикой. А саму необходимость квантовой гравитации для них обосновывало, помимо указаний Эйнштейна, замечание из статьи О. Клейна 1927 г. [203]. Это замечание сводилось к необходимости единого описания гравитационных и электромагнитных волн, учитывающего постоянную Планка.
Видимо, под воздействием этого же замечания Гейзенберг поставил вопрос, не присущи ли расходимости квантовой электродинамике независимо от «проблемы электрона», т. е. не возникнут ли они и в отсутствие зарядов, если учитывать собственное гравитационное взаимодействие электромагнитных волн. Ответу на этот вопрос посвятил свою статью 1930 г. Розенфельд [48] [259]. Он рассматривал систему, состоящую из электромагнитного и (слабого) гравитационного полей, взаимодействие между которыми определяется линеаризованными уравнениями Эйнштейна и соответственно обобщенными уравнениями Максвелла. В этом приближении (полученном Эйнштейном в 1916 г.) о геометрической природе гравитации, об искривлении пространства-времени можно забыть, считая, что в плоском пространстве-времени имеются два поля — векторное и тензорное. Квантуя эти поля по Гейзенбергу—Паули, Розенфельд подтвердил предположение Гейзенберга о расходимости гравитационной энергии и описал возможные в первом приближении взаимные превращения световых и гравитационных квантов. Однако результаты, полученные Розенфельдом, имели, как подчеркивали Фок и Тамм [173, с. 317, 320], лишь формальный характер, не доходили до существенных физических выводов.
48
Благодарность, которую автор выражает Паули "за многочисленные критические замечания и советы", подтверждает связь этой статьи с [159].