Я.Б. Зельдович - творец удивительных аналогий

В.П.Фролов в статье «Черные дыры и квантовые процессы в них» [39] описывает аналогию Зельдовича, Старобинского и Маркова: «На ранних этапах развития Вселенной, характеризующихся быстрым изменением гравитационного поля, рождение пар происходит в полной аналогии со случаем быстропеременного электромагнитного поля. Подобные процессы, представляющие значительный интерес для космологии, в настоящее время интенсивно исследуются. Аналогия с электромагнитным полем подсказывает нам, что в случае стационарного гравитационного поля можно надеяться на значительные эффекты рождения пар только в случае очень сильных полей.

Подобные поля описываются в общей теории относительности как искривление пространства-времени. Сильные поля могут существовать только вблизи тел, обладающих большой массой и плотностью» [39, с.478]. В примечаниях автор отмечает: «Рождение скалярных частиц в изотропных моделях Вселенной было рассмотрено в работах [9-11]. В работах [12-13] была выяснена важная роль анизотропии расширения пространства в процессах рождения частиц» [39, с.478].

Здесь [12] - Зельдович Я.Б. // Письма в ЖЭТФ. - 1970. - Том 12. - С.443; [13] - Зельдович Я.Б., Старобинский А.А. // ЖЭТФ. - 1971. - Том 61. - С.2161.

Исследование А.И.Никишова [37] - не единственный источник, подсказавший Я.Б.Зельдовичу мысль о рождении частиц в сильном гравитационном поле. Она подсказывалась также собственными исследованиями Якова Борисовича, касающимися свойств поля сверхкритических ядер, масса которых больше 137 единиц. Рождение позитронов в таком поле по аналогии наводило на гипотезу о рождении частиц в поле тяготения. С.С.Герштейн в статье [16] указывает: «Исследования в области частиц и КЭД стимулировали Якова Борисовича на важные открытия в космологии. Так, рассмотрев рождение позитронов в поле сверхкритических ядер (Z > 137), он пришел в своих знаменитых работах с А.А.Старобинским и Л.П.Питаевским к идее рождения частиц и античастиц в сильном гравитационном поле - эффекту, позволяющему наполнить веществом «пустую» раннюю Вселенную» [16, с.917]. Аналогичные сведения можно почерпнуть из публикации Я.Б.Зельдовича и его соавторов «Рождение пар в поле тяжелых ядер и в гравитационном поле» [40].

Идея рождения частиц в сильном гравитационном поле с необходимостью вела к осознанию того, что черные дыры на самом деле «не такие уж черные» - их окрестность способна порождать частицы (а, следовательно, и электромагнитные волны). Британский физик С.Хокинг первоначально не верил в такую возможность, аргументируя свой скептицизм теми же доводами, которые использовались Р.Пенроузом (1965) при доказательстве возникновения сингулярности при гравитационном коллапсе массивных звезд. Однако Я.Б.Зельдович и Л.П.Питаевский показали, что поляризация вакуума обесценивает эти доводы.

В книге Я.Б.Зельдовича [41] содержится статья «О возможности рождения частиц классическим гравитационным полем», впервые опубликованная им и Л.П.Питаевским в 1971 г. В комментариях к данной статье сообщается: «...Незадолго до приведенной работы появилась статья С.Хокинга, цитируемая в комментируемой статье, с доказательством невозможности рождения частиц. Это доказательство использовало то же предположение, что и общепризнанное доказательство неизбежности сингулярности, а именно утверждение об энергодоминантности полей и частиц. В помещенной выше работе Л.П.Питаевского и ЯБ было доказано, что поляризация вакуума может нарушать условие энергодоминантности. Тем самым был снят трудный парадокс и открыт путь для дальнейшего исследования рождения частиц. Этим воспользовались ЯБ и А.А.Старобинский в следующих работах данного цикла, а также и сам Хокинг, создавший теорию рождения частиц гравитационным полем черных дыр» [41, с.154].

Таким образом, аналогия, проведенная Я.Б.Зельдовичем между процессом рождения частиц в электромагнитном и гравитационном полях, позволила ему сформулировать мысль о том, что черные дыры могут быть источником частиц и волн. А эта мысль, в свою очередь, стала причиной радикальной трансформации во взглядах знаменитого физика С.Хокинга. Под влиянием Я.Б.Зельдовича он «обратился из Савла в Павла»: первоначально отрицая способность черных дыр излучать электромагнитные волны, он отказался от этой точки зрения и принял теорию Якова Борисовича. В книге «Краткая история времени» [42] С.Хокинг признал это влияние отечественного ученого: «Будучи в Москве в сентябре 1973 г., я беседовал о черных дырах с ведущими советскими учеными - Я.Б.Зельдовичем и А.А.Старобинским. Они убедили меня в том, что в силу квантово - механического принципа неопределенности вращающиеся черные дыры должны рождать и излучать частицы. Я согласился с физическими доводами...» [42, с.129-130].

13. Аналогия двенадцатая: вращающаяся черная дыра похожа на вращающийся проводящий цилиндр

В июне 1971 г. молодой американский физик Кип Торн приехал в Москву. Я.Б.Зельдович устроил его в гостинице, в комфортабельных апартаментах на улице Вавилова, рядом с Октябрьской площадью. Разумеется, тогда К.Торн еще не знал, что в 2017 г. ему будет вручена Нобелевская премия по физике за участие в открытии гравитационных волн, образовавшихся при столкновении двух черных дыр. Тогда ученые только начинали постигать загадки черных дыр, и никто еще не приступал к созданию обсерватории LIGO, которая в 2015 г. впервые в мире зафиксирует гравитационные волны (волны Эйнштейна). В 7.00 утра К.Торн был разбужен телефонным звонком Зельдовича: «Приходите ко мне домой, Кип! У меня новая идея о вращении черных дыр!» На самом деле Зельдович намеревался рассказывать своему молодому коллеге не о вращении космических объектов, обладающих невероятной массой, а о новом механизме излучения электромагнитных и других типов волн этими объектами.

ЯБ придумал этот механизм или, лучше сказать, догадался о существовании данного механизма опять же по аналогии с поведением вращающихся поглощающих тел. В гидродинамике был известен эффект усиления волны при отражении от поверхности раздела сред, движущейся со скоростью, большей фазовой скорости звука (сверхотражение). Сначала этот эффект, весьма похожий на эффект Вавилова -Черенкова, навел (натолкнул)

Зельдовича на идею о том, что электромагнитные волны усиливаются при отражении от вращающегося проводящего цилиндра. А затем он перенес указанный эффект в физику черных дыр. Именно об этой аналогии Зельдович рассказал К.Торну, когда он, разбуженный ранним утром, приехал к нему домой.

В статье «Зельдович предсказывает излучение черных дыр» [43] К.Торн описывает свою беседу с ЯБ июньским утром 1971 г.: «Зельдович посадил меня к длинному обеденному столу в центре комнаты, и начал рисовать эскиз на доске. Его глаза искрились. «Предположим, у нас имеется быстро вращающийся металлический цилиндр, размером в несколько сантиметров, - сказал он. - И предположим, что налетающие электромагнитные волны с длиной волны порядка сантиметра или около того падают на поверхность цилиндра. Переменное электрическое поле, переносимое волнами, будет индуцировать электрические токи на поверхности металла, и эти токи будут излучать свои собственные волны. Это называется стимулированным излучением, поскольку налетающие волны стимулируют излучение новых волн цилиндром».

«Если цилиндр вращается достаточно быстро, и налетающие волны соответствующим образом поляризованы, - утверждал Зельдович, - то стимулированные волны будут исходить от цилиндра с фазой, совпадающей с фазой налетающих волн, взаимно усиливая друг друга. Энергия исходящей волны будет больше энергии налетающей; падающие волны будут усиливаться за счет вращения цилиндра. Это очевидно», - заявил Зельдович (это было далеко не очевидно мне, но я должен был положиться на интуицию Зельдовича; конечно, я мог проверить это сам дома вечером)» [43, с.370].

Аналогия, которую открыл Я.Б.Зельдович, обсуждается во многих источниках. И.Д.Новиков и В.П.Фролов в книге «Физика черных дыр» [44] пишут: «На возможность эффекта усиления волн вращающимися черными дырами было впервые обращено внимание Зельдовичем (1971, 1972), который исходил из аналогии таких черных дыр с вращающимися поглощающими телами. Для последних описанный Зельдовичем эффект усиления родствен в известной мере по своей природе эффекту Вавилова-Черенкова» [44, с.159].

Те же сведения читатель найдет в книге [41], а именно в комментариях к статье Я.Б.Зельдовича «Генерация волн вращающимся телом», которая была впервые опубликована в 1971 г.

Заключение

Итак, мы рассмотрели историю (механизм возникновения) наиболее известных научных идей Я.Б.Зельдовича и его коллег. Проведенный анализ показывает, что, выдвигая гипотезы, которые, конечно, требовали экспериментальной проверки, отечественный ученый часто использовал мыслительную операцию аналогию. Данная операция не содержит в себе процессуальных компонентов, которые были бы недоступны обычным людям. Это свидетельствует о том, что выдающиеся ученые не обладают какой-то врожденной проницательностью, интуитивной (мистической) прозорливостью. Сталкиваясь с новыми экспериментальными данными, они осмысливают их с помощью тех же индуктивных стратегий (процедур), которым ребенок обучается еще на школьной скамье. Единственное преимущество, в котором нельзя отказать этим ученым, - чрезвычайно широкая эрудиция, знание фактов и принципов, относящихся к разным научным дисциплинам. Однако подобная энциклопедическая осведомленность - вещь приобретаемая. Она приобретается в процессе постоянной самостоятельной работы (самообразования). Я.Б.Зельдович даже на склоне лет анализировал новейшие научные открытия и пытался использовать их для решения тех или иных научных проблем. Понимая, что универсальные знания «не сваливаются с неба», их нужно постоянно приобретать, Яков Борисович формировал в своих учениках (студентах и аспирантах) «наступательный стиль», готовность «штурмовать неизведанные области». Он говорил о недопустимости «перекрывать недостаток сведений дешевым скепсисом».

Б.В.Комберг в статье «Наставник молодежи» [45] приводит одно из писем Я.Б.Зельдовича, в котором он обращается к своим ученикам: «В школе, в вузе можно быть отличником, не имея характера, самостоятельности. Здесь, в ИПМ (институте прикладной математики, где ЯБ проработал 19 лет - Н.Н.Б.) или в аспирантуре, без самостоятельности, без продумывания тематики, на чужом горбу только с послушанием в рай не въедешь. Надо читать литературу, думать о прочитанном, выбирать важное. Планировать возможные опыты, не опускать руки, не исчерпав всего остроумия, всей фантазии. Иначе окажетесь на краю даже не пропасти, а илистого болота, которое засосет, если не начнете шевелиться во всю силу. И еще одно - ощутите себя группой, объедините силы и мозги» [45, с.76].

В 1869 г. британский ученый, двоюродный брат Ч.Дарвина, Фрэнсис Гальтон опубликовал книгу «Наследственный гений». В ней он попытался обосновать мысль о том, что гениальность - это совокупность интеллектуальных способностей, которые передаются по наследству, т.е. закодированы, как мы сказали бы теперь, в структуре молекулы ДНК [46]. В дальнейшем было потрачено много усилий на то, чтобы превратить гипотезу Гальтона в эмпирически доказанный факт. Творческая жизнь Я.Б.Зельдовича - наглядное опровержение этой гипотезы. Причина его успехов не в молекуле ДНК, а в непрерывном поиске, желании овладеть максимумом знаний, чтобы использовать их для исследования законов природы. На этом пути он постигал основы теории адсорбции, химической кинетики, горения и детонации. Изучал баллистику снарядов «Катюши», принципы гидродинамики и газодинамики, цепные химические и ядерные реакции. Занимался физикой элементарных частиц, квантовой электродинамикой, которую постигал по работам Л.Д.Ландау, физикой черных дыр и теорией ранних стадий эволюции Вселенной.

Литература

1. Улам С. Приключения математика. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 272 с.

2. Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. - М.: «Наука», 1988. - 240 с.

3. Зельдович Я.Б., Харитон Ю.Б. О цепном распаде урана под действием медленных нейтронов // ЖЭТФ. - 1940. - Том 10. - № 1. - С.29-36.

4. Рухадзе А.А. События и люди. - М.: ООО «Научтехлитиздат», 2016. - 308 с.

5. Герштейн С.С. Человек универсальных результатов // Природа. - 2014. - №6. - С.65-67.

6. Илькаев Р.И. К 90-летию со дня рождения Я.Б.Зельдовича // Яков Борисович Зельдович (воспоминания, письма, документы). Под ред. С.С.Герштейна и Р.А.Сюняева. - М.: «Физматлит», 2008. - С.94-100.

7. Филиппов А.Т. Многоликий солитон. - М.: «Наука», 1990. - 286 с.

8. Тихомиров В.М. Андрей Николаевич Колмогоров (1903-1987): жизнь, преисполненная счастья. - М.: «Наука», 2006. - 199 с.

9. Мухин Р.Р. Развитие концепции динамического хаоса в СССР. 1950-1980-е гг. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук. - М.: ИИЕТ РАН, 2010. - 29 с.

10. Арутюнов В.С., Козлов С.Н. Всего одна реакция // Химия и жизнь. - 1983.- № 12. - С.75-79.

11. Семенов Н.Н. Таким образом, я пришел к идее... // Химия и жизнь. - 1986.- № 4. - С.39-44.

12. Харитон Ю.Б. Счастливейшие годы моей жизни // сборник «Знакомый незнакомый Зельдович». Под ред. С.С.Герштейна и Р.А.Сюняева. - М.: «Наука», 1993. - С.99-107.

13. Калмансон А.Э. Электроны и жизнь // Чародей эксперимента. Сборник воспоминаний об академике Е.К.Завойском. - М.: «Наука», 1993. - С.127-135.

14. Вавилов Ю.Н. В долгом поиске. - М.: ФИАН, 2008. - 368 с.

15. Харитон Ю.Б., Адамский В.Г., Смирнов Ю.Н. О создании советской водородной (термоядерной) бомбы // Успехи физических наук. - 1996. - Том 166. - № 2. - С.201-205.

16. Герштейн С.С. Работы Я.Б.Зельдовича и современная физика частиц // Успехи физических наук. - 2004. - Том 174. - № 8. - С.911-918.

17. Готт В.С. Философские вопросы современной физики. - М.: «Высшая школа», 1972. - 416 с.

18. Зельдович Я.Б. Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика. - М.: «Наука», 1984. - 374 с.

19. Дубовой Э.И. По следам невидимок. - М.: «Знание», 1985. - 191 с.

20. Понтекорво Б. Страницы развития нейтринной физики // Успехи физических наук. - 1983. - Том 141. - № 4. - С.675-709.

21. Боголюбов Н.Н., Логунов А.А. и др. Памяти Эрнста Штюкельберга // Успехи физических наук. - 1986. - Том 150. - № 1. - С.171-172.

22. Герштейн С.С. От бета-сил к универсальному взаимодействию // Природа. - 2010. - № 1. - С.3-14.

23. Аллилуев С.П., Андреев А.Ф., Беляев С.Т. и др. Семен Соломонович Герштейн // Успехи физических наук. - 2009. - Том 179. - № 7. - С.807-808.

24. Лапидус Л.И., Окунь Л.Б. Физика высоких энергий // Атомная энергия. - 1959. - Том 6. - № 6. - С.648-656.

25. Шарф К. Двигатели гравитации. Как черные дыры управляют галактиками, звездами и жизнью в космосе. - М.: «Бином. Лаборатория знаний», 2014. - 262 с.

26. Торн К. Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна. - М.: «Физматлит», 2007. - 616 с.

27. Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. - М.: «Наука», 1984.- 384 с.

28. Данин Д.С. Труды и дни Нильса Бора. - М.: «Знание», 1985. - 80 с.

29. Любарский Ю.Э. Эффект Сюняева - Зельдовича подтвержден экспериментально // Природа. - 1984. - № 11. - С.76-77.

30. Сюняев Р.А. Взаимодействие вещества и излучения в горячей Вселенной и компактных источниках рентгеновского и радиоизлучения // автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. - М.: МГУ, 1973. - 15 с.

31. Иоффе Б.Л. Кое-что из истории атомного проекта в СССР // Сибирский физический журнал. - 1995. - № 2. - С.67-87.

32. Халатников И.М. Человек осведомленный // Природа. - 2014. - №2 6. - С.68- 73.

33. Компанеец А.С. Об установлении теплового равновесия между квантами и электронами // ЖЭТФ. - 1956. - Том 31. - № 5 (11). - С.876-885.

34. Каплан С.А., Цытович В.Н. Плазменная астрофизика. - М.: «Наука», 1972.- 440 с.

35. Насельский П.Д., Новиков Д.И., Новиков И.Д. Реликтовое излучение Вселенной. - М.: «Наука», 2003. - 390 с.

36. Зельдович Я.Б. Взаимодействие свободных электронов с электромагнитным излучением // Успехи физических наук. - 1975. - Том 115.- № 2. - С.161-197.

37. Никишов А.И. Образование пар постоянным внешним полем // ЖЭТФ. - 1969. - Том 57. - № 4. - С.1210-1216.

38. Марков М.А., Фролов В.П. Метрика закрытого мира Фридмана, возмущенная электрическим зарядом (к теории электромагнитных «фридмонов») // Теоретическая и математическая физика. - 1970. - Том 3. - С.3-17.

39. Фролов В.П. Черные дыры и квантовые процессы в них // Успехи физических наук. - 1976. - Том 118. - № 3. - С.473-503.

40. Зельдович Я.Б., Питаевский Л.П., Попов В.С., Старобинский А.А. Рождение пар в поле тяжелых ядер и в гравитационном поле // Успехи физических наук. - 1971. - Том 105. - С.780-781.

41. Зельдович Я.Б. Избранные труды. Том 2. Частицы, ядра, Вселенная. - М.: «Наука», 1985. - 464 с.

42. Хокинг С. Краткая история времени. - СПб.: «Амфора», 2007. - 231 с.

43. Торн К. Зельдович предсказывает излучение черных дыр // Яков Борисович Зельдович (воспоминания, письма, документы). Под ред. С.С.Герштейна и Р.А.Сюняева. - М.: «Физматлит», 2008. - С.369-377.

44. Новиков И.Д., Фролов В.П. Физика черных дыр. - М.: «Наука», 1986. - 328 с.

45. Комберг Б.В. Наставник молодежи // Природа. - 2014. - № 6. - С.74-77.

46. Канаев И.И. Фрэнсис Гальтон. - Ленинград: «Наука», 1972. - 134 с.

Размещено на Allbest.ru