Я.Б. Зельдович - творец удивительных аналогий
Новиков Н.Б.
Аннотация
В свое время американский физик и математик Станислав Улам, развивая взгляд С. Банаха на роль аналогий в прогрессе научного знания, сказал: «И то, что мы называем талантом или гением, в значительной степени зависит от умения искусно пользоваться своей памятью, с тем, чтобы найти аналогии - в прошлом, настоящем и будущем - которые, как говорил Банах, необходимы для развития новых теорий» [1, с.160]. Разумеется, чтобы эффективно пользоваться аналогиями, позволяющими «перебрасывать мосты» между разными научными дисциплинами, нужно иметь широкую эрудицию, избегать «статуса» узкого специалиста. Этими качествами - качествами универсала, не знавшего границ между многочисленными областями физики - в полной мере владел выдающийся отечественный физик Яков Борисович Зельдович (1914-1987). Количество полученных им результатов столь велико, а широта интересов была столь поразительна, что знаменитый английский физик С. Хокинг до знакомства с Зельдовичем полагал, что фамилия Зельдович - псевдоним группы ученых (как Бурбаки). Мы хотим рассмотреть генезис наиболее важных идей Я.Б. Зельдовича, который, как мы увидим, был генератором потрясающих аналогий.
Ключевые слова: научное творчество, генезис идеи, выявление аналогий, перенос понятий из одной области в другую.
Abstract
At one time, the American physicist and mathematician Stanislav Ulam, developing the view of S. Banach on the role of analogies in the progress of scientific knowledge, said: “And what we call talent or genius depends to a large extent on the ability to skillfully use one's memory in order to find analogies - in the past, present andfuture - which, as Banach said, are necessary for the development of new theories ” [1, p.160]. Of course, in order to effectively use analogies that allow you to “throw bridges” between different scientific disciplines, you need to have broad erudition, to avoid the “status” of a narrow specialist. These qualities - the qualities of a universal, who knew no boundaries between numerous areas of physics - were fully owned by the outstanding Russian physicist Yakov Borisovich Zeldovich (1914-1987). The number of results obtained by him is so great, and the breadth of interests was so striking that the famous English physicist S. Hawking, before meeting Zeldovich, believed that the name Zeldovich was a pseudonym for a group of scientists (like Bourbaki). We want to consider the genesis of the most important ideas of Ya.B. Zeldovich, which, as we will see, was a generator of amazing analogies.
Key words: scientific creativity, genesis of an idea, identification of analogies, transfer of concepts from one area to another.
1. Основные этапы научной биографии
Я.Б. Зельдович родился 8 марта 1914 г. в доме своего деда в Минске, но с середины года семья постоянно жила в Петрограде (Санкт-Петербурге). Закончив в пятнадцать лет среднюю школу, Зельдович поступил на курсы лаборантов при Ленинградском институте «Механобр» (институте механической обработки полезных ископаемых). В марте 1931 г. с экскурсией сотрудников «Механобра» он посетил отдел химической физики Ленинградского физико-технического института. В лаборатории С.З. Рогинского юноша удивил сотрудников своими серьезными вопросами и рассудительностью, поэтому ему предложили в свободное время работать в лаборатории. Вскоре встал вопрос об официальном переводе. Ко времени зачисления (15 марта 1931 г.) отдел превратился в самостоятельный Институт химической физики. Оказавшись в ИХФ, Я.Б. Зельдович выполнил там ряд блестящих теоретических и экспериментальных работ в области адсорбции, химической кинетики, горения и детонации. И хотя диплома о высшем образовании у него не было, в 1936 г. по результатам своих работ по адсорбции и катализу он защищает кандидатскую диссертацию. «Благословенные времена, - вспоминал Зельдович, - когда ВАК давал разрешение на защиту лицам, не имеющим высшего образования!» [2, с.232].
Темой его докторской диссертации, защищенной в конце 1939 г., была теория окисления азота. Для Якова Борисовича теория горения всегда оставалась незабываемой первой любовью. Обращение к ней в более позднее время (в 1970-1980-е годы) оказывало на Зельдовича физически омолаживающее воздействие. После того, как О. Ган и Ф. Штрасман (1938) открыли деление урана, Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон опубликовали серию статей и обзоров по данной теме. Самым значительным их вкладом в этот период стала разработка теории развития цепной ядерной реакции в уране. Элементы данной теории были изложены в статье «О цепном распаде урана под действием медленных нейтронов» [3].
Во время войны Я.Б. Зельдович совместно с О.И. Лейпунским создали и «пробили через консерваторов» новую теорию нестационарного горения пороха в ракетной камере, которая блестяще была подтверждена экспериментами О.И. Лейпунского. На основе этой теории в 1943-1945 гг. были проведены усовершенствования в производстве знаменитых «Катюш»: удалось существенно увеличить вес заряда, дальность полета снарядов, предотвратить их преждевременные взрывы или самозатухание [4].
Яков Борисович сыграл исключительную роль в создании атомной и водородной бомбы. Недаром участники советского атомного проекта называли его «главным теоретиком атомной бомбы» - по аналогии с тем, что М.В. Келдыша называли «главным теоретиком космонавтики». В частности, в 1948-1949 гг. Л.В. Альтшулер и Е.И. Забабахин на основе анализа, проделанного Я.Б. Зельдовичем, предложили новую (оригинальную) схему обжатия плутониевого заряда. Созданная с использованием этой схемы атомная бомба оказалась в два раза мощнее той, которую планировалось создать изначально [5]. Кроме того, Я.Б. Зельдович, А.Д. Сахаров и В.А. Давиденко разделяют авторство идеи о возможности создания двухступенчатой водородной бомбы на принципе радиационной имплозии. Успешное испытание двухступенчатого «изделия» (РДС-37) завершилось 22 ноября 1955 г. [6].
В начале 1950-х гг. в связи с открытием новых частиц и их распадов первостепенный интерес приобрела физика элементарных частиц. ЯБ занялся ею, еще работая на «объекте», стараясь при этом держать сотрудников в курсе новейших открытий. В 1953 г. он выдвинул идею о сохранении лептонного числа (ученый называл его «нейтринным числом»). Зельдович (1955) установил, что в векторном варианте радиоактивного 0-распада должен сохраняться «слабый» заряд. Это было открытие закона сохранения слабого векторного тока адронов. Р. Фейнман и М. Гелл-Манн, независимо сформулировавшие данный закон, всегда признавали приоритет Зельдовича.
В 1964 г. Яков Борисович официально переходит в Институт прикладной математики. 19 лет его работы в этом институте стали ярким периодом развития отечественной теоретической астрофизики и космологии. «Он пришел в эту область, - отмечает С.С. Герштейн, - с уникальным знанием ядерной физики, физики элементарных частиц, химической кинетики, свойств вещества в экстремальных условиях высоких плотностей и температур. Именно благодаря его работам осуществился современный синтез физики частиц и космологии» [5, с.67]. Его деятельность, а также активность созданной им научной школы вооружили наблюдательную астрономию «проницательной силой понимания физических процессов, определяющих структуру и эволюцию звезд, галактик, скоплений, Вселенной в целом» [2, с.234].
Теперь мы переходим к анализу истории физических идей Я.Б. Зельдовича, анализу процесса возникновения его гипотез (концептуальных взглядов), многие из которых получили «статус» научных открытий и вошли в современные учебники. Мы увидим, что в основе творческого мышления Я.Б. Зельдовича лежала способность обнаруживать аналогии между разными сферами знания и осуществлять перенос идей, принципов и методов из одной теории в другую. Другими словами, мыслительная (ментальная) операция аналогии была одним из главных инструментов, с помощью которых ему удавалось «выйти за грань известного». На самом деле в этой операции нет ничего мистического, ею может овладеть любой человек, планирующий связать свою жизнь с наукой. Повторимся, что здесь важно избегать «ограниченности» узкого специалиста. К сожалению, объем статьи вынуждает нас быть краткими, поэтому при описании генезиса идей Я.Б. Зельдовича нам придется акцентировать внимание лишь на самых важных аспектах этого генезиса.
2. Аналогия первая: вывод нелинейного уравнения распространения пламени
В 1938 г. Я.Б. Зельдович и Д.А. Франк-Каменецкий вывели нелинейное уравнение распространения пламени. Данный результат явился важным вкладом в область, называемую «теорией горения». Как Зельдович и Франк-Каменецкий пришли к этому результату? Историкам науки хорошо известен ответ на этот вопрос: по аналогии с нелинейным уравнением Колмогорова-Петровского-Пискунова (КПП), описывающим процесс распространения нового биологического вида в пространстве биосферы. Это же уравнение, о котором А.Н. Колмогоров говорил, что он с коллегами вывел его, желая описать чисто биологический процесс экспансии новых генов, применимо для описания распространения эпидемии и нервного импульса (возбуждения) в нервной системе. Таким образом, Я.Б. Зельдович перенес уравнение КИП, относящееся к математической биологии, в теорию теплового распространения пламени. Согласитесь, удивительная экстраполяция!
Об этой аналогии пишут многие авторы. А.Т. Филиппов в книге «Многоликий солитон» [7] отмечает: «В 1937 г. А.Н. Колмогоров, И.Г. Петровский и Н.С. Пискунов опубликовали замечательную математическую работу (между прочим, также связанную с биологической проблемой). Они показали, что нелинейность может уравновесить диффузию и что в результате может появиться бегущая уединенная волна с постоянной скоростью и формой. По сути дела, была открыта и изучена простейшая математическая модель нервного импульса, но, к сожалению, никто этого не понял. Нельзя сказать, что эта работа вообще не была замечена. Год спустя Я.Б. Зельдович и Д.А. Франк-Каменецкий применили ее результаты к теории горения...» [7, с.244].
Этот же вопрос рассматривает В.М. Тихомиров [8]: «В 1937 г. А.Н. Колмогоров совместно с И.Г. Петровским и Н.С. Пискуновым публикует статью «Исследование уравнения диффузии, соединенной с возрастанием количества вещества, и его применение к одной биологической проблеме». Эта работа дала импульс к развитию разнообразных проблем физики и биологии, в частности теории теплового распространения пламени, начала разработки которой принадлежали Я.Б. Зельдовичу и Д.А. Франк-Каменецкому, теории горения и взрыва, теории распространения нервных импульсов и др.» [8, с.104].
Приведем еще один источник. Р.Р. Мухин [9] указывает: «До появления работы КПП почти все виды волновых движений описывались гиперболическими уравнениями. Использование параболического уравнения КПП для описания распространения волн было принципиально новым шагом, оно является одной из базовых моделей для описания автоволновых процессов. Промежуточно асимптотические решения параболических уравнений в виде бегущей волны оказались очень плодотворными для теории горения (Я.Б. Зельдович, Д.А. Франк-Каменецкий)» [9, с.24].
3. Аналогия вторая: идея о цепном механизме реакции деления урана
В 1940 г. Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон разработали теорию цепной реакции деления урана. В этой теории были заложены основы физики атомных реакторов и описаны первые подходы к решению проблемы взрывного освобождения ядерной энергии. Ряд понятий, использованных Зельдовичем и Харитоном в теории деления урана (в которой отмечается необходимость размножения нейтронов в геометрической прогрессии), были заимствованы из совсем другой теории. Мы имеем в виду теорию цепных химических реакций, построенную Н.Н. Семеновым. Другими словами, Зельдович и Харитон перенесли в теорию деления урана совокупность понятий и принципов, относящихся к теории цепных химических процессов. Этот перенос облегчался тем, что в 1928 г. именно Ю.Б. Харитон совместно с З. Вальта открыл первую цепную разветвленную химическую реакцию - взаимодействие фосфора с кислородом [10, 11]. Изучение этого взаимодействия и привело Н.Н. Семенова к формулировке теории цепных процессов, идущих с разветвлением цепи, за что он удостоен в 1956 г. Нобелевской премии по химии. Конечно, Зельдович и Харитон использовали в своей теории цепного распада урана многие другие результаты: опыты Жолио-Кюри, формулу Брейта-Вигнера и т.д. Но влияние теории Н.Н. Семенова в любом случае было стимулирующим.
Рассматриваемая нами аналогия обсуждается в следующих источниках. Ю.Б. Харитон в статье «Счастливейшие годы моей жизни» [12] вспоминает о начале своего сотрудничества с Я.Б. Зельдовичем: «Вместе мы начали работать в 1939 г. Тогда появилась первая статья о наблюдении деления ядер урана, авторами которой были О. Ган и Ф. Штрассман, а затем работа Л. Мейтнер и О. Фриша, объяснивших это явление делением ядер урана под действием нейтронов. Прочитав об этом, мы поняли, что в данном случае возможны не обычные цепные реакции, а ядерные, которые могли бы быть и разветвленными, т.е. приводящими к ядерному взрыву с выделением огромной энергии. Дело в том, что в нашем институте много занимались вопросами, связанными с цепными реакциями. Директором института Н.Н. Семеновым была построена теория разветвленных цепных химических реакций. Поэтому нам было довольно легко перекинуть мостик к ядерным разветвленным цепным реакциям, и мы договорились заняться этим вплотную» [12, с.100].
Об этом же сообщает А.Э. Калмансон в статье «Электроны и жизнь» [13] «Глубокие и разносторонние исследования кинетики свободно-радикальных реакций позволили вскрыть основные закономерности развития таких важных для практики процессов, как горение и взрывы, основой которых служат цепные реакции. В последующие годы вскрытые закономерности цепных реакций были использованы в работах, открывших путь к практическому использованию атомной энергии в различных целях. И не случайно поэтому, что именно ближайшие ученики и сотрудники Н.Н. Семенова - Ю.Б. Харитон и Я.Б. Зельдович - внесли наиболее значительный вклад в разработку этой важнейшей для судеб человечества проблемы» [13, с.131]. Аналогичные сведения содержатся в статье [10], где авторы констатируют: «Идея разветвленно-цепной химической реакции послужила в свое время основой для теории деления урана, созданной, кстати, ближайшими учениками и сотрудниками Семенова, академиками Я.Б. Зельдовичем и Ю.Б. Харитоном» [10, с.77].
Интересна реакция Игоря Евгеньевича Тамма (Нобелевская премия, 1958 г.) на работу Зельдовича и Харитона, посвященную цепному процессу деления урана. Ю.Н. Вавилов в книге «В долгом поиске» [14] повествует: «Многие ученые, включая Иоффе и Капицу, относились скептически к возможности использования атомной энергии, но Тамм в августе 1939 года, услышав от Якова Зельдовича и Юлия Харитона об их вычислениях числа нейтронов, испускаемых при делении, сказал: «Вы знаете, что означает это открытие? Оно означает, что может быть создана бомба, которая сможет разрушить город в пределах радиуса десяти километров» [14, с.268].