Амбарцумян

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 учёная 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 увлёкся 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 Шрёдингера, посвящённые квантовой теории, и стал посещать прекрасные лекции Д. С. Рождественского [100] по строению атома. Следует отметить, что именно на этой почве он и познакомился с М. П. Бронштейном и Г. А. Гамовым, которые, в свою очередь, серьёзно увлекались астрофизикой.

100

Дмитрий Сергеевич Рождественский (1876–1940) — российский и советский физик, академик АН СССР. Труды по атомной спектроскопии. Организатор и первый директор Государственного оптического института (ГОИ).

В 1928–1929 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. Корпускулярно-волновой 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 подтверждённое на опыте представление о дискретности электромагнитного излучения. Кванты электромагнитного поля — фотоны — являются носителями минимально возможной при данной частоте поля (v) энергии (Е):

Е = hv.

К этому времени относится замечательная идея квантования пространства и времени, принадлежащая Амбарцумяну и Иваненко и независимо от них Гейзенбергу [101] . Зачем она потребовалась?

История с квантованием пространства такова. Ещё 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} сантиметров, 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 четырёхмерное пространство — время», то есть построить такую теорию, в которой фигурировала бы «наименьшая возможная длина». А выход таков. Когда речь идёт 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.

101

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

Оказалось, что из теории квантования пространства без всяких специальных гипотез, вроде гипотезы Дирака [102] , 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 всё 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 всё же, каким-то образом, связана с асимметрией масс протона и электрона, и что только дискретная геометрия даёт надежду на решение этой трудной головоломки» [103] .

102

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

103

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

Такова основная идея квантования пространства и времени. Но для её осуществления необходимо было построить дискретную геометрию, то есть такую, которая исключала бы всякую возможность оперировать с бесконечно малыми интервалами. Так Амбарцумян и Иваненко пришли к понятию решётки: обычное непрерывное пространство евклидовой геометрии заменяется дискретной совокупностью точек, образующих кубическую решётку, напоминающую расположение атомов в кристаллах кубической системы. Расстояние между двумя ближайшими узлами решётки и есть наименьший возможный интервал — постоянная решётки. В силу квантовой природы пространства электрон не может занимать место в промежутке между узлами решётки: он должен обязательно сидеть в одном из узлов. Все функции координат должны быть заданы таким образом, чтобы иметь смысл лишь в узлах решётки; остальные точки пространства не имеют физического смысла. Но такая решётка вводит и неоднозначность: стоит только провести через какой-нибудь узел прямые линии по направлению к ближайшим узлам, расположенным на расстоянии, равном постоянной решётки, чтобы получить привилегированную систему координат. Поскольку мы имеем дело с четырёхмерной решёткой, включающей и пространство, и время, то привилегированная система координат обозначает, очевидно, абсолютное время и три преимущественных направления в неподвижном пространстве. Но это противоречит и принципу относительности, и опыту: пространство — время в действительности изотропно, все координатные системы в нём равноправны, все уравнения инвариантны по отношению к преобразованиям Лоренца. Именно с этой трудностью, трудностью преодоления возникшей анизотропии в системе решётки не смог справиться Гейзенберг и перестал работать в этом направлении.

Путь к преодолению этой трудности был найден независимо Амбарцумяном и кембриджским математиком Урселлом. Описание такого преодоления выходит за рамки популярного описания этой сложной и до конца не завершённой теории. Во всяком случае, В. Паули [104] сомневался в окончательном решении задачи таким путём и считал создавшееся положение почти безнадёжным.

В 1929 году в Харькове состоялись представительные конференции, посвящённые вопросам квантовой физики. На конференциях присутствовали П. Йордан [105] , Паули, Дирак, Зоммерфельд, Гамов, Иваненко, Фок [106] , Ландау, Френкель [107] , Гельфанд [108] , Мусхелишвили [109] и многие другие видные физики.

104

Вольфганг Эрнст Паули (1900–1958) — австрийско-швейцарский физик, с его именем связано такое фундаментальное понятие квантовой механики, как спин элементарной частицы, он предсказал существование нейтрино и сформулировал «принцип запрета» — принцип Паули; лауреат Нобелевской премии по физике за 1945 год.

105

Паскуаль Йордан (1902–1980) — немецкий физик и математик. Один из основателей квантовой механики, работал с М. Борном, физиком В. Гейзенбергом. Труды в области математики, космологии, астрофизики и биофизики.

106

Владимир Александрович Фок (1898–1974) — советский физик-теоретик, основатель ленинградской научной школы, академик АН СССР, Герой Социалистического Труда, лауреат Сталинской и Ленинской премий. Фундаментальные труды по квантовой механике и электродинамике, общей теории относительности, математической физике.

107

Яков Илларионович Френкель (1894–1952) — советский физик-теоретик, член-корреспондент АН СССР, лауреат Сталинской премии. Труды по ферромагнетизму, ядерной физике.

108

Израиль Моисеевич Гельфанд (1913–2009) — советский математик, член-корреспондент АН СССР, лауреат Сталинской премии. Основные труды по функциональному анализу, математической физике, прикладной математике.

109

Николай Иванович Мусхелишвили (1891–1976) — советский математик, механик, академик АН СССР, Герой Социалистического Труда, лауреат Сталинских премий. Основные труды по теории упругости, интегральным уравнениям и граничным задачам теории аналитических функций.

На этих конференциях была представлена и вызвала огромный интерес идея Амбарцумяна — Урселла о теории квантования пространства — времени. Разработку этого понятия очень поддерживал Дмитрий Дмитриевич Иваненко, с которым Амбарцумян в те годы тесно сотрудничал. Однако Амбарцумяну, как и многим другим, показалось, что избранный путь не может привести к успеху. Дело в том, что в этом направлении в то время не было получено значительных результатов, и опубликованные Амбарцумяном две статьи развития не получили. Но впоследствии выяснилось, что Амбарцумян тогда несколько поторопился с выводами: идея квантования пространства нашла в дальнейшем широкое применение в теории элементарных частиц и теории поля и даже сегодня является важнейшей проблемой, но далеко не завершённой.

Протоны в ядрах атомов

Теперь перейдём к другой, не менее важной проблеме квантовой теории.

Широкой публике малоизвестно, что 20-летний Амбарцумян и 24-летний Иваненко являлись авторами основополагающей идеи, высказанной всего через два года после создания квантовой механики Гейзенбергом и Шрёдингером, когда Дираком была основана квантовая электродинамика. Эта идея включалась в том, что не только кванты электромагнитного моля — фотоны, но и другие частицы (в том числе обладающие ненулевой массой покоя) могут рождаться и исчезать в результате их взаимодействия с другими частицами. Настоятельность такой идеи была связана с теми трудностями, с которыми столкнулась модель строения ядра, предложенная Э. Резерфордом [110] .

110

Эрнест Резерфорд (1871–1937) — британский физик новозеландского происхождения, известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.

Основываясь на том, что при -распаде ядра испускают электроны, а в ядерной реакции под действием а-частиц из ядра азота выбиваются протоны, Резерфорд, естественно, предположил, что атомные ядра состоят как раз из протонов и электронов. Модель ядра Резерфорда по существу базировалась на очевидных классических представлениях, согласно которым из составной системы могут испускаться только такие частицы, из которых она состоит. Однако модель Резерфорда не смогла объяснить удержание электрона в ядре. Расчёты показывали, что для этого удержания требуется аномально сильное взаимодействие между электронами и протонами. Добавилась и другая трудность: наличие сплошного спектра при -распаде свидетельствовало о некоторой потере энергии, которая также не объяснялась моделью.

Возникшая ситуация, как говорил Н. Бор, породила ряд безумных гипотез. Такой же безумной показалась гипотеза Амбарцумяна и Иваненко, предположивших вопреки очевидности, что электрон не содержится в ядре, а рождается в процессе -распада. Это соответствовало корпускулярно-волновому дуализму — основе квантовой физики. А именно: частицы, образующиеся при распаде какой-либо системы, могли и не содержаться ранее в самой этой системе. В качестве иллюстрации этого авторы приводили пример радиационного перехода атома из возбуждённого состояния в нормальное: фотон, испускаемый в этом процессе, вовсе не содержится в возбуждённом атоме, а рождается в результате электромагнитного взаимодействия, приводящего к этому переходу. В силу корпускулярно-волнового дуализма подобным образом может возникать при процессе -распада и электрон, не содержавшийся до этого в атомном ядре.

Это была большая смелость со стороны молодых исследователей, несмотря на то, что их гипотеза полностью соответствовала квантово-механическим представлениям. Не сразу приняли гипотезу В. Паули и Н. Бор. Всё разрешилось после открытия нейтрона в 1932 году и создания Э. Ферми [111] теории -распада. Ферми, по-видимому, не знал о гипотезе Амбарцумяна и Иваненко 1929 года и независимо пришёл к ней. Как рассказывал Б. Понтекорво [112] , самое трудное для Ферми было понять, что не только фотоны, но и массивные (с массой покоя, отличной от нуля) частицы могут рождаться и исчезать в результате взаимодействия их квантовых полей.

111

Энрико Ферми (1901–1954) — итальянский физик, внёсший большой вклад в развитие современной теоретической и экспериментальной физики, один из основоположников квантовой физики.

112

Бруно Максимович Понтекорво (1913–1993) — итальянский и советский физик (иммигрировал в СССР в 1950 году), лауреат Сталинской премии, академик АН СССР. Труды по замедлению нейтронов и их захвату атомными ядрами, нейтринной физике, слабым взаимодействиям, ядерной изомерии, астрофизике.