Космические сыщики Горькавый Николай

Сказка об очень умном физике Гейзенберге, который ничего не знал наверняка

Вечерние горы подергивались прохладным туманом, по зелёным пологим пастбищам бродили коровы, позвякивая шейными колокольчиками и похрустывая свежей травой. На лугу высились стога сена, заготовленные на зиму. В одном из стогов лежал светловолосый подросток и читал книгу философа Канта. Где-то вдали стреляли пушки и рвались снаряды, а мальчик лежал и читал про законы звёзд и про этические постулаты. Он не знал, что ждёт впереди его самого, его страну и весь мир. Но мы знаем, что скоро кончится эта война, но она будет далеко не последней; мы знаем, что в ближайшие десятилетия мир изменится до неузнаваемости – благодаря и тому, что мальчик по имени Вернер лежит и читает Канта для собственного удовольствия…

В конце XIX века жил-был в Германии учёный Август Гейзенберг, который занимался самым тихим и несовременным занятием в мире – изучал старые византийские рукописи, написанные на древнегреческом языке.

Он ездил в Италию и Грецию для их исследования и преподавал историю студентам в университете. У него было два сына – Эрвин, который стал химиком, и Вернер, увлёкшийся математикой и физикой. И надо же было такому случиться, что в семье человека, больше всего ценившего невозмутимость исторических событий, вырос бунтарь, который изменил ход истории в совсем юном возрасте.

Возможно, разгадка кроется в том, что юность Вернера Гейзенберга пришлась на бурный революционный период в истории Германии. Весной 1918 года Вернера с другими 16-летними школьниками отправили на ферму работать, помогая воюющей Германии. Вернер был не похож на других мальчиков и успевал после работы на ферме читать философов – Платона и Канта, очень трудных для понимания среднего человека. После Первой мировой войны в Германии наступил период политической нестабильности, общественного брожения и страстных митингов. В 1919 году Вернер посещал собрания молодежного движения, где он выслушал немало горячих выступлений против общественных традиций и предрассудков. Но и сейчас он оказался не похож на остальных подростков – и в это революционное время увлекся больше всего физикой и математикой.

Во время долгой болезни, ещё будучи школьником, Вернер Гейзенберг прочёл сложную книгу Германа Вейля «Пространство, время и материя» и впечатлился мощью описанных математических методов. Его выдающиеся знания были отмечены на выпускном экзамене гимназии.

В 1920 году Вернер поступил в Мюнхенский университет, став учеником профессора Зоммерфельда и окунувшись в мир современной теоретической физики. В 1923 году он подготовил диссертацию по теоретической гидродинамике, но не учёл, что для получения степени необходимо сдать экзамен и по экспериментальной физике. В результате он не смог ответить ни на один вопрос старого и дотошного профессора Вина – ни о разрешающей способности микроскопа, ни о принципах работы свинцового аккумулятора.

– Да, свинцовые аккумуляторы могут утопить любого теоретика! – хихикнул Андрей.

– Только заступничество профессора Зоммерфельда спасло диссертанта от полного провала. Получив степень, Вернер с головой погрузился в новую квантовую физику и стал ассистентом Макса Борна в Гёттингене – вместе с другим ассистентом, Паули. Борн вспоминал Гейзенберга: «Он был похож на простого крестьянского парня, с короткими светлыми волосами, ясными живыми глазами и чарующим выражением лица. Он выполнял свои обязанности ассистента более серьёзно, чем Паули, и оказывал мне большую помощь. Его непостижимая быстрота и острота понимания всегда позволяли ему проделывать колоссальное количество работы без особых усилий».

Гейзенберг поработал и у Нильса Бора в Копенгагене. Но скромный парень быстро перерос роль ассистента. В 1925 году в возрасте 23 лет Вернер создал новую квантовую механику на основе математических матриц. Она была уже совсем независима от классической физики и стала вехой в квантовой научной революции.

– В 23 года! – поразилась Галатея. – А что такое матрицы?

– Матрицами называют прямоугольные таблицы из чисел. Гейзенберг предположил, что любой физической величине, которую можно наблюдать в эксперименте, соответствует своя матрица. Молодой учёный сумел описать квантовые скачки в атоме Бора и любые изменения в состоянии квантомеханических систем с помощью математических операций над матрицами.

Через полтора года, в начале 1927-го, Гейзенберг вывел квантовое соотношение неопределённости, которое стало знаковым для современной науки. Соотношение гласило, что наш мир принципиально не точен: мы не можем знать одновременно с хорошей точностью импульс и положение любого объекта, например электрона. Если мы точно измерим его импульс, то утратим информацию о его положении. Если точно измерим координаты электрона, то потеряем возможность определить его импульс или скорость.

– То есть учёные ничего не могут знать наверняка? – поразилась Галатея. – Как бы они ни старались, в их измерениях всегда будут ошибки?!

– Да. Неопределённость в координатах электрона, умноженная на ошибку в его импульсе, равна постоянной Планка – и это соотношение неопределённостей Гейзенберга прекрасно дополнило концепцию де Бройля о частицах как о волнах. Если мы попробуем захватить частицу в хитрую ловушку-прибор, то есть точно зафиксировать её местоположение, ошибка в определении её импульса станет бесконечно большой.

– Информация уходит сквозь пальцы, как волна! – хихикнула Галатея.

Андрей заявил:

– Очень похоже, что Галатея тоже подчиняется этому соотношению, – Дзинтара улыбнулась, глядя на возмущенную дочь:

– Соотношение неопределённостей Гейзенберга трактуют и так: для измерения параметров квантовой системы требуется вмешательство прибора в систему, и это вмешательство так искажает характеристики квантовой системы, что она забывает своё первоначальное состояние – и мы утрачиваем возможность его узнать.

Галатея, подчеркнуто игнорируя брата, обратилась к матери:

– Мама, судя по этим историям, учёные-теоретики делают свои работы в очень молодом возрасте. Но ведь с годами опыт и знания растут, и открытий должно становиться больше.

– Давно замечено, что самый плодотворный возраст теоретика – первые несколько лет после окончания университета. Для теоретических открытий важен не только опыт и знания, но и смелость молодости, свежий взгляд. Пожилой человек с трудом идёт на изменение истин, с которыми он долго жил.

Успехи Вернера Гейзенберга не остались незамеченными: университеты наперебой приглашали его занять профессорскую должность. В октябре 1927 года в возрасте 25 лет Вернер стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете.

– Теперь к нему никто не мог пристать со свинцовыми аккумуляторами! – удовлетворенно отметила Галатея.

– Гейзенберг был демократичным и весёлым человеком, после научных занятий с азартом играл в настольный теннис. Его первый ученик – Феликс Блох, впоследствии ставший лауреатом Нобелевской премии по физике за 1952 год, вспоминал: «Если я должен выбрать единственное из его великих качеств как учителя, то это было бы его необычайно позитивное отношение к любому прогрессу и его поощрение в этой связи… одной из наиболее удивительных особенностей Гейзенберга была почти безошибочная интуиция, которую он проявлял в своём подходе к физической проблеме, и феноменальный способ, с помощью которого решения как будто падали с неба».

Биографы Гейзенберга – Мотт, лауреат Нобелевской премии по физике за 1977 год, и Пайерлс, ещё один его ученик, – в книге, посвященной великому учёному, писали о периоде, когда он создал квантовую механику и стал молодым профессором: «Никто не осудил бы его, если бы он начал воспринимать себя серьёзно и стал слегка напыщенным, после того как предпринял по крайней мере два решающих шага, изменивших лицо физики, и после получения в столь юном возрасте статуса профессора, что заставляло и многих более старых и менее значительных людей чувствовать себя важными, но он остался таким, каким и был, – неофициальным и весёлым в обращении, почти мальчишеским и обладающим скромностью, граничащей с застенчивостью».

В 1933 году, в возрасте 32 лет, Гейзенберг получил Нобелевскую премию по физике «за создание квантовой механики». Он, безусловно, обрадовался, но, будучи скромным и справедливым человеком, выразил удивление тем, что его коллеги по созданию квантовой механики – Эрвин Шрёдингер и Поль Дирак – получили одну Нобелевскую премию на двоих, а Макс Борн вообще ею обойдён.

– Вернер так много работал, но была ли у него девушка или семья? – спросила Галатея. – Заниматься одной наукой, наверное, довольно скучно!

– В 35 лет Вернер женился на молодой девушке Элизабет Шумахер, дочери берлинского профессора-экономиста. Они жили долго и счастливо, и у них было семеро детей.

– Вот это настоящая сказка! – обрадовалась Галатея.

– Дочери Гейзенберга, Анна-Мария и Верена, стали учёными-физиологами, сын Мартин – генетиком, а Йохен пошёл по стопам отца и стал физиком-ядерщиком.

Гейзенберг умер в 1976 году. На его смерть Юджин Вигнер, лауреат Нобелевской премии по физике за 1963 год, написал: «Нет такого живущего физика-теоретика, который сделал больший вклад в нашу науку, чем он. В то же время он был доброжелателен со всеми, лишён высокомерия и составлял приятную компанию».

Византия (Византийская империя, или Восточная Римская империя) (395-1453) – государство, сформировавшееся после раздела Римской империи на западную и восточную части. Через 80 лет после этого Западная Римская империя распалась на более мелкие и быстро деградировавшие страны, а Византия на тысячу лет осталась единственной наследницей древнегреческой и римской культуры.

Вернер Гейзенберг (1901–1976) – знаменитый немецкий физик-теоретик, один из основателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1932).

Платон (428 или 427–348 или 347 гг. до н. э.) – великий древнегреческий философ, ученик Сократа, учитель Аристотеля.

Герман Вейль (1885–1955) – известный немецкий математик и физик-теоретик. Автор знаменитой книги «Пространство, время и материя» (1918) – одного из первых изложений общей теории относительности Эйнштейна.

Арнольд Зоммерфельд (1868–1951) – известный немецкий физик-теоретик и математик. Учитель Гейзенберга.

Макс Борн (1882–1970) – известный немецкий и британский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1954).

Феликс Блох (1905–1983) – известный физик, ученик Гейзенберга. Лауреат Нобелевской премии по физике (1952).

Невилл Мотт (1905–1996) – известный английский физик. Лауреат Нобелевской премии по физике (1977), вместе с Филипом Андерсоном и Джоном ванн Флеком.

Рудольф Пайерлс (1907–1995) – известный английский физик немецкого происхождения. Ученик Гейзенберга.

Юджин Вигнер (1902–1995) – известный американский физик и математик венгерского происхождения. Лауреат Нобелевской премии по физике (1963) «за вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц».

Сказка о молчаливом Дираке, удвоившем мир и погрузившем нас в море Дирака

Человеческий характер – будет ли человек молчаливым или разговорчивым, во многом зависит от детства. Так произошло и с Полем Дираком. Он родился в Англии, его отец, швейцарец, преподавал в Бристоле французский язык и требовал, чтобы дома все разговаривали только по-французски. Для англоязычных детей это было непросто, поэтому Дирак вырос молчаливым мальчиком, склонным к уединённым размышлениям.

В 16 лет Поль Дирак поступил на инженерный факультет Бристольского университета, хотя его любимым предметом была математика. В будущем он стал физиком-теоретиком, но всегда высоко ценил своё инженерное образование. Дирак писал:

«Раньше я видел смысл лишь в точных уравнениях. Мне казалось, что если пользоваться приближёнными методами, то работа становится невыносимо уродливой, в то время как мне страстно хотелось сохранить математическую красоту. Инженерное образование, которое я получил, как раз научило меня смиряться с приближёнными методами, и я обнаружил, что даже в теориях, основанных на приближениях, можно увидеть достаточно много красоты… Я оказался вполне подготовленным к тому, что все наши уравнения надо рассматривать как приближения, отражающие существующий уровень знаний, и воспринимать их как призыв к попыткам их усовершенствования. Если бы не инженерное образование, я, наверное, никогда не добился бы успеха в своей последующей деятельности…»

В конце университетского обучения Поль прошёл практику в одной из инженерных фирм, но там не были впечатлены талантами инженера Дирака и не предложили ему работу.

– Я так понимаю, что это стало огромным благом для науки? – спросил Андрей.

– Полагаю, да. Если бы Дирак ушёл в инженерную деятельность, он мог быть потерян для фундаментальной науки.

Оставшись без работы, Дирак вольнослушателем изучал математику в Бристольском университете и в конце концов получил стипендию для продолжения учёбы в Кембридже.

Дирак увлекся общей теорией относительности. Он внимательно изучил знаменитую книгу по теории относительности, написанную Артуром Эддингтоном, – и даже беседовал с автором, признанным экспертом в данной области. Но, когда Дирак приехал в Кембриджский университет, его научным руководителем по аспирантуре стал профессор Фаулер – специалист по статистической механике. Сначала Дирак был разочарован, но это быстро прошло. Фаулер познакомил молодого человека с идеями Бора и концепциями зарождающейся атомной физики. Дирак увлёкся новой темой. Впоследствии он вспоминал: «Помню, какое огромное впечатление произвела на меня теория Бора. Я считаю, что появление идей Бора было самым грандиозным шагом в истории развития квантовой механики. Самое неожиданное, самое удивительное заключалось в том, что столь радикальное отступление от законов Ньютона дало такие замечательные плоды».

Свою диссертацию Дирак так и назвал: «Квантовая механика». Сильное впечатление на него произвела лекция Гейзенберга, которую тот прочёл в Кембридже. Дирак переписывался с Гейзенбергом, изучал его работы и позднее написал: «У меня есть наиболее веские причины быть почитателем Вернера Гейзенберга. Мы учились в одно время, были почти ровесниками и работали над одной и той же проблемой. Гейзенберг преуспел там, где у меня были неудачи. К тому времени накопилось огромное количество спектроскопического материала, и Гейзенберг нашел правильный путь в его лабиринте. Сделав это, он дал начало золотому веку теоретической физики…»

За несколько лет молодой Дирак опубликовал ряд статей, которые вместе с работами Гейзенберга и Шрёдингера стали основой новой квантовой механики. Один из результатов Дирака оказался особенно впечатляющим. Он пытался получить релятивистское уравнение для электрона…

– Что такое релятивистское уравнение? – спросила Галатея.

– Это уравнение, которое описывает движение тел при самых больших скоростях, хотя и меньших, чем скорость света. Ведь ни одному материальному телу, в том числе электрону, теория относительности не разрешает обгонять свет. Нерелятивистскими уравнениями являются уравнения, например, динамики Ньютона, которые описывают движение тел со скоростями, гораздо меньшими, чем скорость света.

В то время релятивистского уравнения для электрона не существовало. Дирак вспоминал: «… при согласовании квантовой механики с теорией относительности возникли трудности. Я был очень озабочен ими в то время, но других физиков по какой-то непонятной мне причине эти проблемы совершенно не волновали».

Дирак долго не мог получить нужную формулу. Он писал: «В течение нескольких месяцев эта задача оставалась нерешённой, и ответ возник совершенно неожиданно, явив собой один из примеров незаслуженного успеха».

– Как это «неожиданно»? И почему этот успех Дирак называет незаслуженным? – спросила Галатея.

– Дирак скромничает. Неожиданный успех приходит лишь к тому, кто много знает и долго думает над задачей. Неожиданным бывает только конкретное решение, вдруг озаряющее проблему, когда все кусочки головоломки встают на свои места, приводя к совершенно новой картине мира. Незаслуженным такой успех может назвать только скромный человек, который испытывает глубокое благоговение перед красотой мира. А Дирак был именно таким. Когда природа открывает скромным учёным свои великолепные секреты, то они могут считать это счастье незаслуженным.

Дирак часто повторял, что уравнения должны быть красивыми и что красивая теория имеет гораздо больше шансов быть правильной. В итоге своих размышлений Дирак получил уравнение, которое сейчас называется уравнением Дирака. Это уравнение описывало электрон и его спин…

– Что такое спин? – перебила Галатея.

– Это одновременно и простой, и сложный вопрос. Если рассмотреть электрон как обычный вращающийся шарик, то его вращение и называется спином.

– Это просто! – согласилась Галатея.

– Да, но если мы припишем шарику-электрону обычный радиус электрона, то получится, что его экваториальные области вращаются быстрее скорости света.

– Что теория относительности запрещает! – вспомнил Андрей.

– Верно. Значит, представлять электрон как простой вращающийся шарик нельзя. Поэтому физики до сих пор плохо понимают, что и как в нём вращается.

– Это всё усложняет, – сказала Галатея и прищурилась, вглядываясь в глубины таинственно вращающегося электрона.

– Вернёмся к уравнению Дирака. Оно прекрасно описывало электрон со спином, но неожиданно дало дополнительное решение – с формально отрицательной энергией электрона. Можно было объявить такое решение нефизическим, но уравнение Дирака указывало на определённую вероятность перехода между состояниями с положительной и отрицательной энергиями. И тут перед Дираком, как перед любым учёным в таком положении, встала дилемма…

– Что такое дилемма? – не утерпела Галатея.

– Развилка дорог или необходимость выбора одного из двух вариантов. Одним из вариантов, который обдумывал Дирак, было отбрасывание уравнения, противоречащего традиционным взглядам, как неправильного – и поиск другого уравнения. Второй вариант предполагал, что уравнение правильно, а традиционные взгляды неверны. Такой подход требует от учёного смелости, и, как оказалось, Дирак ею обладал. Его кредо: «Посвящая себя исследовательской работе, нужно стремиться сохранять свободу суждений и ни во что не следует слишком сильно верить; всегда надо быть готовым к тому, что убеждения, которых придерживался в течение долгого времени, могут оказаться ошибочными».

Дирак смело решил, что его уравнение правильно и что существует новая частица – антипод электрона. Он интерпретировал своё решение так: в вакууме есть море частиц с отрицательной энергией – его впоследствии стали называть морем Дирака. Эти частицы невидимы и почти не влияют на второй мир частиц с положительной энергией. Если невидимому электрону из моря Дирака сообщить значительную энергию, то он перейдёт в видимое состояние с положительной энергией и станет обычным электроном. А на его месте в возмущенном море невидимых частиц появится «дырка», которая будет точной копией электрона, рождённого из моря Дирака, но, в отличие от него, заряженной положительно. Если электрон столкнётся с «дыркой», они «аннигилируют» – уничтожатся, сбросив свою энергию в виде пары квантов света и оставив море Дирака невозмущённым.

Учёные отнеслись к концепции Дирака скептически.

– Их можно понять! – заявила Галатея.

– Но их мнение резко изменилось, когда американец Карл Андерсон экспериментально обнаружил новую частицу – позитрон, во всём похожую на электрон, но заряженную положительно. Когда позитрон сталкивался с электроном, обе частицы исчезали, оставляя после себя два кванта света с энергией, которая была точно равна энергии аннигилировавшей пары частиц.

– То есть Дирак открыл новую частицу, посмотрев не в микроскоп, а на уравнение? – удивилась Галатея.

– Да. Более того, уравнение Дирака привело к новой картине мире, в котором каждая элементарная частица имеет свою античастицу, с которой она при соприкосновении аннигилирует, то есть уничтожается с выделением энергии. Обратное тоже верно: если приложить достаточное количество энергии, то из моря Дирака родится пара из обычной частицы и её античастицы. То есть Дирак удвоил число частиц в нашем мире, фактически открыл мир-двойник из античастиц.

– Значит, во Вселенной есть античастицы, антиатомы и антипланеты, на которых живёт анти-Галатея? – с восторгом спросила Галатея, которая уже стала прикидывать, как ей написать электронное – вернее, позитронное – письмо своему антиподу.

– Античастицы есть, антиатомы тоже. А вот с антимирами и антидевочками – проблема. Астрономы не нашли миры из антивещества! Редкий случай, когда законы микромира вроде бы диктуют симметричность рождения частиц и античастиц, а в космосе наблюдается резкая асимметрия в пользу обычного вещества. Теоретики пришли к выводу, что античастицы рождаются с немного меньшей вероятностью, чем частицы. Поэтому в процессе эволюции Вселенной появился избыток обычного вещества и именно из него сформировались звёзды, планеты и девочки.

В картине мира по Дираку утратила своё значение концепция элементарности частиц. Поиск самых маленьких и неделимых частичек материи стал бессмысленным. Гейзенберг писал: «Единственными процессами, в которых можно было бы ожидать расщепления элементарных частиц, являлись их столкновения при очень высоких энергиях… эксперименты показали, что при соударении двух частиц высокой энергии действительно может появиться множество других частиц; однако они совсем не обязательно являются более мелкими, чем частицы сталкивающиеся. Наоборот, оказывается, что независимо от природы последних рождаются частицы всегда одних и тех же типов. Более точно это явление можно описать следующими словами: большая кинетическая энергия соударяющихся частиц превращается в вещество, в появляющиеся частицы („множественное рождение частиц“)».

Вернер Гейзенберг писал: «Парадоксальная ситуация, с которой мы столкнулись, очень хорошо описывается широко известной формулой: „Каждая элементарная частица состоит из всех других частиц“». Гейзенберг отмечает роль Дирака в создании новой парадигмы элементарных частиц: «Одной из главных причин, благодаря которой в физике элементарных частиц возникла эта новая ситуация, является возможность порождения пар, т. е. существование античастиц и антиматерии».

– А мы сами тоже родились из моря Дирака? – восторженно спросила Галатея.

– Полагаю, что да. Через год после открытия позитрона Дирак получил Нобелевскую премию, стал знаменитым, и у него появились ученики, хотя он занимался с ними без энтузиазма. Даже став преподавателем, Дирак остался молчаливым. Виктор Вайскопф вспоминал: «П. Дирак был великим человеком, но малополезным для любого студента. Беседовать с ним было нельзя, а если вы и разговаривали с ним, он только слушал и говорил: „Да“. С точки зрения студента, разговоры с П. Дираком были потерянным временем».

Учёные Кембриджа в шутку ввели новую единицу измерения – «дирак»: один дирак равнялся одному слову в час.

Дирак любил точность. Однажды после лекции он обратился к аудитории: «Вопросы есть?» «Я не понимаю, как вы получили это выражение…» – сказал один из присутствовавших. «Это утверждение, а не вопрос, – ответил Дирак. – Вопросы есть?»

Дирак любил путешествовать по разным странам и читать лекции. На их основе он опубликовал немало выдающихся в педагогическом отношении книг: по теории относительности, квантовой механике и квантовой теории поля. Книга Дирака «Принципы квантовой механики» стала учебником для нескольких поколений физиков. В этом смысле он оказался великим педагогом. В конце жизни Дирак обосновался во Флоридском университете в Таллахасси, где прожил пятнадцать лет, читая лекции и публикуя книги.

Лауреат Нобелевской премии Абдус Салам так написал об этом учёном: «Поль Адриен Морис Дирак – без сомнения, один из величайших физиков этого, да и любого другого столетия. В течение трёх решающих лет – 1925, 1926 и 1927 – своими тремя работами он заложил основы, во-первых, квантовой физики в целом, во-вторых, квантовой теории поля и, в-третьих, теории элементарных частиц… Ни один человек, за исключением Эйнштейна, не оказал столь определяющего влияния за столь короткий период времени на развитие физики в этом столетии».

Поль Дирак (1902–1984) – выдающийся английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1933).

Артур Эддингтон (1882–1944) – выдающийся английский физик-теоретик и астроном. Экспериментально подтвердил теорию гравитации Эйнштейна, измерив отклонение света звезды возле диска Солнца во время полного солнечного затмения в Западной Африке. Автор знаменитой монографии «Теория относительности».

Ральф Фаулер (1889–1944) – английский физик-теоретик, профессор Кембриджского университета. Учитель нобелевских лауреатов Дирака, Мотта, Чандрасекара и других выдающихся физиков. Близкий друг Резерфорда, был женат на его единственной дочери Эйлин Мэри.

Карл Андерсон (1905–1991) – известный американский физик, открыватель новой элементарной частицы – позитрона, античастицы электрона. Получил за это открытие Нобелевскую премию по физике (1936).

Нейтрон – тяжёлая элементарная частица, не имеющая заряда. Нейтроны вместе с протонами являются главными компонентами атомных ядер.

Абдус Салам (1926–1996) – известный пакистанский физик-теоретик. Лауреат Нобелевской премии (1979) «за вклад в единую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий».

Сказка о всеволновом астрономе Шкловском и об инопланетных цивилизациях

– Мы ждем от вас новой сказки! – выпалила Галатея, увидев за обедом королеву Никки, давнюю подругу принцессы Дзинтары.

Дзинтара вздохнула и возвела глаза к небу. Гостья не удивилась:

– Есть один учёный, над проблемой которого я часто думаю, – и я с удовольствием вам о нём расскажу.

– И о его проблеме расскажете? – уточнила Галатея.

– Конечно. Учёный неотделим от своих проблем.

Вечером, когда шум в доме затих и наступило зыбкое время между бурным днём и тихой ночью, дети уселись слушать новую историю от королевы Никки.

– Астрономы тысячелетиями исследовали небо с помощью астролябий или телескопов, но всегда в световом, видимом, диапазоне – с помощью глаз. Когда в конце XIX века Герц открыл невидимое радиоизлучение, а Рентген – невидимые рентгеновские лучи, стало понятно, что невооружённым глазом человек может видеть очень незначительную часть звёздного излучения, с длиной волны от 0,4 до 0,8 микрона (одной тысячной миллиметра). К середине XX века астрономические приборы стали совершеннее, появились космические телескопы, и астрономия стала «всеволновой»: астрономы стали изучать небо в гигантском интервале длин волн – от низкочастотных радиоволн (с длиной волны до 100 тыс. км) до гамма-лучей (с длиной волны меньше миллионной доли миллиметра).

Важную роль в создании всеволновой астрономии сыграл советский учёный Иосиф Шкловский. Он построил теорию радиоизлучения Солнца и даже лично участвовал в подтверждении своей теории. Учёный вспоминает в книге «Эшелон»: «Почти тридцать пять лет тому назад ослепительно-белый красавец теплоход „Грибоедов“ пересекал по диагонали Атлантический океан… Цель экспедиции – наблюдение полного солнечного затмения 20 мая 1947 года. Полоса затмения проходила через всю Бразилию…»

Шкловский сам плыл на этом теплоходе и с гордостью отмечал: «…плавание „Грибоедова“ было „вешкой“ в истории науки, в данном случае только начинавшей своё триумфальное шествие радиоастрономии… наблюдениями, выполненными во время солнечного затмения с борта нашего славного корабля, было убедительно доказано, что источником радиоизлучения Солнца на метровых волнах является корона, как и было предсказано за год до этого тогда ещё начинающими молодыми теоретиками…»

Этими молодыми теоретиками были Виталий Гинзбург, будущий нобелевский лауреат, и сам Шкловский.

Андрей внимательно слушал Никки и быстро сообразил:

– Они дождались времени затмения, когда Луна загородила диск Солнца, но не загородила его корону, которая больше диска, – и измерили солнечное радиоизлучение. Если радиолучами светит сам солнечный диск, затмение Луной полностью прекратило бы этот поток, а если радиосигнал испускает корона, то затмение просто уменьшает его. Видимо, это и обнаружили астрономы!

– Согласна с тобой! – кивнула Никки. – Шкловский занимался и знаменитыми линиями Фраунгофера, которые в видимом диапазоне волн являются тёмными, то есть в них свет поглощается. Шкловский показал, что на длинах волн меньше 0,15 микрона линии Фраунгофера в спектре Солнца становятся эмиссионными, то есть ярко светящимися, а не тёмными.

Всеволновая астрономия развивалась, и учёные всё больше разбирались в механизмах генерации разных излучений.

– Они разбирали эти механизмы по винтикам! – прокомментировала Галатея.

– Важное открытие Шкловский сделал в 1953 году. Он вспоминает в книге «Эшелон»: «Я был молод и был готов в самом буквальном смысле штурмовать небо. Уже больше двух лет я мучительно раздумывал о природе ныне такой знаменитой Крабовидной туманности. Эта туманность оказалась к тому же ярчайшим источником радиоизлучения. Я пытался объяснить это радиоизлучение как „продолжение“ её оптического излучения. Никто тогда не сомневался, что последнее сводится к давно уже известному тепловому излучению образующих туманность горячих газов. Именно таким способом излучали все известные тогда астрономам газовые туманности. Увы, мои попытки потерпели фиаско – слишком интенсивным было радиоизлучение Крабовидной туманности, чтобы быть продолжением её оптического излучения».

Шкловский вспоминает и момент разгадки: «…я накануне нового… 1953 года понял природу радиоизлучения этой туманности. Всё дело – в космических лучах, которыми буквально „начинена“ Крабовидная туманность! Вернее, в электронах сверхвысоких энергий, которые, двигаясь в магнитных полях туманности, должны излучать электромагнитные волны».

Никки усмехнулась:

– Мозг учёного работает в любой обстановке. Окончательное решение природы излучения Крабовидной туманности пришло к Шкловскому в переполненном трамвае: «Тут подошёл набитый до отказа мой трамвай, куда я, что называется, „ввинтился“. Я висел на поручне в этой немыслимой тесноте… И вдруг молнией пронзила мысль… „Ведь если нельзя было объяснить радиоизлучение „Краба“ продолжением его оптического теплового излучения, то почему бы не объяснить оптическое излучение этой туманности продолжением её радиоизлучения, имеющего заведомо нетепловую природу? Значит, оптическое излучение „Краба“ тоже нетепловое, оно порождается „релятивистскими“ электронами, но с энергией ещё в сотни раз большей, чем у тех, которые вызывают радиоизлучение!“

Трамвай тащился до Останкино минут 45. Я был в каком-то сомнамбулическом состоянии. За эти 45 минут я в уме выполнил весь теоретический расчёт этого излучения. Приехав домой, я тут же без единой помарки написал статью в „Доклады Академии наук“. Думаю, что это лучшая моя работа. Она вызвала настоящий взрыв дальнейших исследований во многих странах. Круги от этого взрыва расходятся до сих пор».

– Вот так, в трамвае, можно написать научную работу? – удивилась Галатея.

Дзинтара, которая тоже слушала историю Никки, улыбнулась:

– Сделать научное открытие можно очень быстро, но только при условии, что ты думал над проблемой долгие годы.

– Даже в переполненном трамвае! – добавил Андрей. – Но мне непонятно, что такое нетепловое оптическое излучение?

Никки ответила:

– Тепловое излучение – это излучение нагретого тела. Его спектр описывается формулой Планка, по которой можно вычислить, в каком соотношении находится видимое свечение и радиоизлучение космического объекта. Наблюдаемое излучение Крабовидной туманности никак не вписывалась в формулу Планка. Шкловский предположил, что радиоизлучение и оптическое свечение этой туманности связано с электронами, которые вращаются вокруг линий магнитного поля и излучают не как нагретое тело Планка, а скорее как контур Герца. На них не распространяется формула Планка, поэтому Шкловскому удалось согласовать наблюдения со своей новой теорией.

Гостья продолжила:

– Шкловский исследовал самые разные излучения космических объектов: от радиоволн до рентгена. Например, он заинтересовался рентгеновским излучением космического объекта Скорпион X-1. В апреле 1967 года Шкловский опубликовал статью, в которой доказывал, что это излучение рождается при падении газа на нейтронную звезду.

Никки откинулась на спинку кресла и задумчиво, даже с некоторой мечтательностью заговорила:

– Нейтронная звезда – последняя ступенька перед чёрной дырой. Стоит звезде в несколько раз увеличить свою массу, и она сколлапсирует, сожмётся до радиуса чёрной дыры, который вычислил немецкий астроном Карл Шварцшильд. Уровень искривления пространства вокруг нейтронных звёзд и чёрных дыр сопоставим, но нейтронные звёзды с их излучениями гораздо легче исследовать, чем невидимые чёрные дыры.

Нейтронная звезда – изумительно красивый объект. Его раскалённая поверхность состоит из полимерного железа, которое в миллион раз прочнее земной стали. Под этой корой простираются слои сверхтекучей нейтронной жидкости и сверхтяжёлых радиоактивных ядер, которые нестабильны в земных условиях. Ещё глубже нейтронная звезда представляет собой многокилометровый шар из ядерной материи или гигантское атомное ядро, которое не укладывается в обычную таблицу Менделеева.

Нейтронные звёзды относятся к чёрным дырам, как девушка с красивой прической к лысой женщине. Физики так и говорят: «Чёрные дыры не имеют волос». В отличие от нейтронных звёзд, чёрные дыры – предельно вырожденные объекты, у которых для внешнего наблюдателя доступны лишь несколько параметров: масса, скорость вращения и электрический заряд.

Поэтому нейтронные звёзды, которые наблюдаются на небе как пульсары, надолго останутся главной природной лабораторией для изучения искривлённого пространства. Если в каждый момент мы наблюдаем только половину Солнца, пульсар посылает нам лучи с поверхности раза в полтора большей, чем передняя полусфера, – из-за искривления пространства мы видим не только переднюю половину пульсара, но и часть задней.

Тут Никки спохватилась:

– Вернёмся к Шкловскому. Когда он опубликовал свою статью о Скорпионе X-1, пульсары ещё не были открыты – только через несколько месяцев, в июне 1967 года, английская аспирантка Джоселин Белл поймала первый сигнал от пульсара. Сейчас изучение пульсаров является одним из самых интересных направлений в астрономии, и все исследователи согласны со Шкловским в том, что рентгеновские пульсары получают свою энергию из падения вещества на поверхность нейтронной звезды.

Но Иосиф Самуилович был не просто астрономом-исследователем. Он был человеком космической эры, который всерьёз размышлял об обитаемости Вселенной и инопланетных цивилизациях. Он вспоминал октябрь 1961 года: «За четыре года до этого был запущен первый советский спутник, и энтузиазм, вызванный этим памятным событием, не остывал. Тогда наши космические дела были на подъёме. Только что мир стал свидетелем феерического полёта Гагарина. Позади был восторг, вызванный зрелищем обратной стороны Луны. Неизгладимое впечатление произвёл наш первый успешный полёт к Венере. Постоянно во мне жило ощущение, что я участник грандиозных по своей значимости исторических событий. Гордость и восторг переполняли меня».

Шкловский активно участвовал в развитии космонавтики. Для наблюдения ракет, летящих к Луне, он предложил идею «искусственной кометы». Лунник в полете должен был выпускать небольшие порции атомов натрия, светившиеся в лучах Солнца ярким жёлтым светом и показывавшие траекторию космического аппарата. Шкловский так описал испытание «искусственной кометы», которое он наблюдал с космодрома Капустин Яр после старта ракеты: «Светящаяся точка – ракета – перестала быть видимой. Неужели катастрофическая неудача? И вдруг прямо в зените блеснула яркая искра.

А потом по небу, как чернила по скатерти, стало расползаться ослепительно-красивое, ярчайшее пятно апельсинового цвета. Оно расплывалось медленно, и через полчаса его протяженность достигла 20 градусов. И только потом оно стало постепенно гаснуть…»

– Наверное, это светилась знаменитая двойная линия натрия, так называемый «проходимец»! – блеснул эрудицией Андрей.

Никки кивнула, ничуть не удивившись:

– За проект «искусственной кометы» Шкловский получил Ленинскую премию – высшую научную награду Советского Союза.

В 1962 году, к пятилетию запуска первого спутника Земли, Иосиф Шкловский опубликовал книгу «Вселенная. Жизнь. Разум», в которой обсуждал возможность существования инопланетных цивилизаций и проблемы связи с ними. Книга быстро стала широко известной, выдержала несколько переизданий и была переведена на английский язык. В ней учёный пришёл к выводу, что высокоразвитых цивилизаций, подобных земной, в нашей Галактике может и не быть.

– Как так не быть?! – опешила Галатея.

– Логика Шкловского была убедительна. Он отмечал: «Отличительная особенность разума – необычайно короткая временная шкала его развития. У вида Homo sapiens эта шкала исчислялась вначале сотнями и десятками тысяч лет. Однако с наступлением технологической эры темп развития катастрофически ускорился. Вид, наделённый разумом, выходит из равновесия с биосферой и вступает в фазу взрывной экспансии. На этой фазе развития разум перестает быть одним из средств, обеспечивающих выживание вида. Он становится могучим самостоятельным фактором».

– Что это значит? – спросила озадаченная Галатея.

– Например, что разумный человек должен выйти в космос и начать неограниченное завоевание Галактики, – ответила Никки.

– Это же очевидно, – удивилась Галатея. – Мы так и поступим!

– Шкловский продолжал: «Но в таком случае мы наблюдали бы космические проявления разумной жизни, т. е. своего рода „космические чудеса“. И здесь мы подходим к основному пункту: несмотря на неимоверно возросшую эффективность наших телескопов и приёмников радиации во всем диапазоне электромагнитных волн, никаких „космических чудес“ обнаружить не удалось. А ведь современная астрономия стала всеволновой! Не видно на небе никаких „сфер Дайсона“, не слышно позывных наших предполагаемых „братьев по разуму“, не наблюдаются следы космической строительной деятельности, никто никогда не посещал нашу старушку Землю…»

– Что такое сфера Дайсона? – спросил Андрей.

– Сейчас Земля перехватывает только ничтожную долю солнечного излучения, остальная световая энергия бесполезно улетает в космос. Сфера Дайсона названа по имени американского учёного Фримана Дайсона, который предложил данный астроинженерный проект. Это искусственная сфера вокруг звезды, которая перехватывает и использует всё её излучение. Сферы Дайсона должны светиться в инфракрасном диапазоне с нетипичным спектром, но таких объектов не было обнаружено.

– А если сверхцивилизациям вовсе не нужны сферы Дайсона? – спросил Андрей.

– Может быть. Нам трудно представить технологию и мышление цивилизации, которая опередила нас на тысячи или даже миллионы лет. Она может использовать другие источники энергии и совсем иначе, чем мы себе представляем. Кроме того, сфера Дайсона – весьма неустойчивый объект, строительство которого сопряжено с массой проблем.

Из отсутствия признаков деятельности сверхцивилизаций в космосе Иосиф Шкловский сделал вывод, что в обозримой Вселенной мы являемся практически единственной разумной расой с высоким уровнем технологического развития.

– Я не согласна! – воскликнула Галатея. – Не может быть, что мы одиноки во Вселенной! Такое космическое одиночество было бы странным… и даже ужасным…

– С Иосифом Шкловским многие не согласились, а известный польский фантаст Станислав Лем вступил с ним в публичную полемику. Лем и другие оппоненты Шкловского обоснованно считали, что нам трудно предсказать, какого рода астроинженерная деятельность будет присуща высокоразвитой цивилизации. Мы просто не знаем, что нам искать в космосе в качестве признаков инопланетян!

Шкловский настаивал: «„Молчание“ космоса представляет собой важнейший научный факт. Он требует объяснения, так как находится в очевидном противоречии с концепцией неограниченно развивающихся могучих сверхцивилизаций».

– Как сам Шкловский объяснял отсутствие других цивилизаций? – спросил Андрей. – Что произошло с другими живыми существами в нашей Галактике? Неужели никто из них не стал разумным видом?

– Шкловский предполагал, что разум в космосе может сам себя уничтожить – разрушая природу вокруг и создав ядерное оружие, способное уничтожить цивилизацию на планете. Он полагал, что разум из полезного изобретения природы, из признака, способствующего выживанию вида, превращается в фактор гибели разумных существ как вида. Он писал: «…не все „изобретения“ в конечном счете являются полезными для данного вида. Природа слепа, она действует „ощупью“, методом „проб и ошибок“. И вот оказывается, что огромная часть „изобретений“ не нужна и даже вредна для процветания вида. Так возникают „тупиковые ветви“ на стволе дерева эволюции. Количество таких ветвей неимоверно велико. По существу, история эволюции жизни на Земле – это кладбище видов. Характерным признаком эволюционного тупика у некоторого вида служит гипертрофия какой-нибудь функции, приводящая к прогрессивно растущему нарушению гармонии. Вспомним чудовищно гипертрофированные средства защиты и нападения (рога, панцири и пр.) у рептилий мезозоя. Или, например, неправдоподобно развитые клыки саблезубого тигра. И невольно напрашивается аналогия: а не являются ли современные гипертрофированные в высшей степени противоречивые „применения“ разума у вида Homo sapiens указанием на грядущий эволюционный тупик этого вида? Другими словами, не является ли самоубийственная деятельность человечества (чудовищное накопление ядерного оружия, уничтожение окружающей среды) такой же гипертрофией его развития, как рога и панцирь какого-нибудь трицератопса или клыки саблезубого тигра? Наконец, не является ли тупик возможным финалом эволюции разумных видов во Вселенной, что естественно объяснило бы её молчание?»

– Очень мрачный взгляд! – сказал Андрей.

– Лучше знать мрачный прогноз заранее – это даёт шанс его избежать. Ведь Шкловский считал проблему «молчания» космоса актуальной не только для астрономии, но и для предсказания будущего земного человечества: «Речь идет о реальном анализе перспектив развития человечества на достаточно долгий срок. Отсюда следует, что проблема внеземных цивилизаций – проблема не только астрономическая, техническая и биологическая, но и социологическая, вернее футурологическая».

– Если мы узнаем, почему космос «молчит», то поймём, какие опасности грозят разумному виду на пути его быстрого развития? – спросил Андрей.

– Да, это наш шанс избежать таких опасностей, – согласилась Никки.

– Шкловский жил давно. Неужели мы до сих пор не знаем, почему космос «молчит»? – удивилась Галатея.

– Нет, не знаем. Это сверхзагадка, которая за последние десятилетия стала ещё загадочнее. Астрономы установили, что только в нашей Галактике существует 100 миллиардов планет и, как минимум, миллиард из них расположен в «обитаемой зоне» – на таком расстоянии от звезды, где есть комфортная температура и вероятно наличие жидкой воды. Поэтому в Млечном Пути существуют сотни миллионов планет, на которых может возникнуть жизнь. Отсюда следует, что в Галактике должны возникнуть тысячи, а то и миллионы разумных рас. Почему же они молчат? Я часто думаю над проблемой «молчащего» космоса, которую называю проблемой Шкловского. Может, лишь немногим дано выйти в космос и овладеть космической радиосвязью? Или биологические смертные организмы на определённой стадии становятся кибернетическими бессмертными конструкциями и теряют присущие живым существам любопытство, стремление завоёвывать новые пространства? Или разум быстро переселяется в компьютеры и окукливается в виртуальном пространстве игровой жизни, где легко достичь воображаемого прогресса, и утрачивает интерес к реальному развитию? Полагаю, что проблема Шкловского исключительно важна – от её решения может зависеть судьба человечества.

– Мы тоже хотим думать над молчанием космоса! – заявила Галатея. – А ещё лучше – найти возле других звёзд братьев по разуму и подружиться с ними!

Никки вздохнула и сказала:

– Прежде чем искать дружбы с инопланетянами, хорошо бы научиться жить в мире с соседями по своей планете.

Иосиф Самуилович Шкловский (1916–1985) – известный советский астрофизик, исследователь космических радио– и рентгеновских излучений, популяризатор науки. Лауреат Ленинской премии и член-корреспондент Академии наук СССР.

Крабовидная туманность – туманность, возникшая на месте взрыва сверхновой звезды. Этот взрыв в 1054 году наблюдали арабские и китайские астрономы. Туманность расположена на расстоянии в 6500 световых лет от Земли и расширяется со скоростью 1500 км/сек.

Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009) – выдающийся советский и российский физик-теоретик. Академик АН СССР и лауреат Нобелевской премии по физике (2003).

Таблица Менделеева – таблица химических элементов, созданная Д. И. Менделеевым (1834–1907) в 1869 году. В ней химические элементы рассортированы по заряду атомных ядер (по числу протонов в них).

Скорпион Х-1 – самый сильный источник рентгеновского излучения на нашем небе (не считая Солнца). Находится в созвездии Скорпиона, на расстоянии в 9000 световых лет от Земли.

Радиус Шварцшильда – радиус чёрной дыры, полученный при решении уравнений Эйнштейна выдающимся немецким астрофизиком Карлом Шварцшильдом (1873–1916). На этом радиусе сила гравитации так велика, что свет с поверхности чёрной дыры не может улетать в космос.

Джоселин Белл (р. 1943) – знаменитая английская исследовательница, открывшая пульсары. Она не получила за это Нобелевскую премию, хотя её соавтор и научный руководитель – получил.

Фримен Дайсон (р. 1923) – известный американский физик-теоретик английского происхождения, профессор Принстонского университета. Кроме работ в области квантовой электродинамики, известен проектом «Сфера Дайсона».