Геннадий Горелик - Матвей Петрович Бронштейн

Только спустя десятилетия вывод Бронштейна стал признан, хотя и сейчас еще квантовая «радикальная перестройка» теории гравитации остается нерешенной задачей.

Квантовые границы ОТО обнаружил вновь в 1955 г. Уилер, два года спустя в связи с этим вспомнили о планковских величинах [167]. В наше время планковские величины — стандартный синоним квантовой гравитации, «очевидные» границы ОТО. Еще более очевидно сейчас само существование таких границ. Однако дело обстояло совсем иначе в 30-е годы.

Бронштейн относился к анализу измеримости достаточно серьезно, поскольку в кратком изложении своей работы, существенно сократив другие разделы, анализ измеримости дал практически полностью. Но другие физики восприняли его результат о принципиальной квантовой ограниченности ОТО без должного понимания. Например, Фок, реферируя статьи Бронштейна [30, 31], нашел для этого результата лишь весьма неопределенные слова: «развиты некоторые соображения об измеримости поля» [276]. Выступая на защите и высоко оценив работу в целом (см. также [275, 278]), он скептически отнесся к анализу измеримости, усматривая прямую аналогию между нелинейностью ОТО и нелинейностью электродинамики Борна—Инфельда и сопоставляя гравитационный радиус в ОТО радиусу электрона в теории Борна—Инфельда [173, с. 318]. Отвечая на это замечание, Бронштейн в такой аналогии усомнился и был, конечно, ближе к истине.

Между нелинейной теорией гравитации (ОТО) и нелинейной электродинамикой Борна—Инфельда есть глубокое различие. Нелинейность ОТО в большой степени однозначна, и физическая причина этой нелинейности — принцип эквивалентности. А нелинейный лагранжиан Борна—Инфельда «сделан руками»:

здесь LM — обычный максвелловский лагранжиан, 8 — малая константа. Сам тип нелинейности не следовал из каких-либо глубоких физических соображений. Теория Борна—Инфельда была нацелена специально на проблему бесконечной собственной энергии электрона, а лагранжиан выбирался так, чтобы этой проблемы не возникало уже на классическом уровне. При этом радиус электрона ге=е2/тс2 появлялся только как характерное расстояние! начиная с которого поведение поля E~e/(r +re) существенно отклоняется от кулоновского.

Поэтому действительно нельзя согласиться с Фоком в том, что имеется аналогия между радиусом электрона в теории Борна—Инфельда и гравитационным радиусом, существование которого связано с фундаментальным физическим фактом — равенством гравитационной и инертной масс, или теоретическим выражением этого факта — принципом эквивалентности.

Роль принципа эквивалентности можно продемонстрировать, сопоставляя мысленные эксперименты по измерению электромагнитного и гравитационного полей.

Вернемся к итоговой формуле для неопределенности поля из п. а):

здесь р и ц — плотности заряда и массы пробного тела, Ax — его размер. Эта формула оправдывает понятие «электромагнитное поле в точке». Однако оправдание достигается за счет возможности использовать пробное тело с произвольно большими и независимыми плотностями заряда и массы. Такая возможность физически, конечно, фиктивна, поскольку неизвестно даже мысленных процедур изготовления соответствующих пробных тел; но теоретически эта идеализация допустима, потому что внутри самой электродинамики для нее нет запрета (значения элементарного электрического заряда и массы элементарных частиц вводятся в электродинамику извне).

Однако при переходе к гравитации такой запрет появляется. Его можно сформулировать по-разному. Например, ясно, что нельзя независимо распоряжаться величинами плотности «гравитационного заряда» и плотности массы, потому что имеется связь

Эта связь составляет суть принципа эквивалентности, на котором основана ОТО. И именно эта связь делает невозможным уменьшение неопределенности гравитационного поля АГ вместе с уменьшением размеров пробного тела Ах—0. Бронштейн такой запрет связал с невозможностью существования пробного тела с размерами, меньшими его гравитационного радиуса.

А проще всего (хотя и не так убедительно) попытаться перенести в теорию гравитации замечание Бора—Розенфельда [121, с. 121]: «...возникающие здесь разнообразные проблемы могут быть рассмотрены раздельно в силу того, что сам по себе аппаратквантовой электромагнитной теории независим от тех или иных представлений об атомном строении материи. Последнее явствует уже из того, что из числа универсальных констант в него входит помимо скорости света только квант действия; а из этих двух констант, очевидно, еще нельзя составить какую-либо характерную длину или интервал». В релятивистской квантовой гравитации должны действовать три фундаментальные константы с, G и h, из которых уже можно составить характерную длину) .

К анализу пределов применимости ОТО, проведенному Бронштейном, не следует предъявлять претензии в недостаточной строгости. Точное описание области применимости ОТО даст только анализ в рамках (еще несуществующей) полной квантовой теории гравитации.

И в наше время проблема измеримости гравитационного поля, так же как и гравитационное излучение атомных электронов, о котором говорил Эйнштейн, отнюдь не являются задачами практического значения. Однако, когда речь идет, по выражению Эйнштейна, о внутреннем совершенстве теории, физик имеет право рассматривать все возможности, не запрещенные самой теорией. Поскольку в теории гравитации нет запретов на рассмотрение атома и квантовых систем вообще, то величина эффекта не имеет значения для анализа теории средствами самой теории. И мысленный эксперимент по измеримости гравитационного поля — это, конечно, лишь некоторый способ анализировать внутреннее совершенство теории[56]. Однако история физики показывает, что именно теории высокого внутреннего совершенства достигали особенно значительного внешнего оправдания, преобразуя технику и жизнь человеческого общества в целом.

В настоящее время задача квантования гравитации не стоит изолированно. Без ее решения вряд ли будет построена единая теория фундаментальных взаимодействий. Так что дорога, на которую в 30-е годы вступил Матвей Петрович Бронштейн, вела в самый центр исследований современной физики.

5.5. Физика и космология

В мартовском выпуске ЖЭТФа за 1937 г. в последний раз появились работы М. П. Бронштейна. Их было две. Одна содержала ядерно-физический расчет, выполненный по просьбе И. В. Курчатова; появление этой небольшой работы отражало, можно сказать, научный быт Матвея Петровича, его вовлеченность в окружающую научную жизнь. Другая, большая статья «О возможности спонтанного расщепления фотонов», отражала скорее научное бытие автора. По содержанию она относится к квантовой теории поля, или — более поздним языком — к физике элементарных частиц, однако главный смысл она обретала в космологии. Эта работа представляет собой первый реальный результат взаимодействия физики элементарных частиц и космологии, взаимодействия, столь характерного для нашего времени, когда из космологических наблюдений извлекаются свойства элементарных частиц, а космологические модели (или сценарии, как сейчас говорят) строятся на основе теории элементарных частиц. В 30-е годы ситуация была совершенно другой, и для того чтобы лучше понять работу Бронштейна, надо знать тогдашнее состояние космологии.