В 1969 г. А.Д. Зельдович (совместно с Р.А. Сюняевым), теоретически исследуя физические процессы, происходившие в ранней Вселенной, поставил перед собой задачу описать эволюцию спектра фотонов при их комптоновском рассеянии на «горячих» электронах, образовавшихся после Большого взрыва. Нужно было найти уравнение, адекватно отражающее эволюцию этого спектра (спектра реликтовых волн). И вскоре он его нашел! Яков Борисович перенес в теорию ранней Вселенной уравнение Компанейца, относящееся к теории плазмы - той плазмы, которую физики изучали в рамках проекта УТС. Фантастическая аналогия! Таким образом, Я.Б. Зельдович и Р.А. Сюняев (1969, 1971) догадались, что уравнение Компанейца может быть средством описания физических процессов, происходивших во Вселенной после ее «рождения» в результате Большого взрыва.
С.А. Каплан и В.Н. Цытович в книге «Плазменная астрофизика» [34] полагают, что С.А. Компанеец открыл свое уравнение взаимодействия квантов света и электронов в 1965 г. Это, конечно, неверно. Он получил его, как мы уже отметили, еще в 1949-м, а опубликовал в 1956-м (но авторы «Плазменной астрофизики» не знали этого, так как результат долго был засекречен). Однако авторы [34] правы в том, что уравнение Компанейца было перенесено в науку о звездах и Вселенной: «В последнее время нелинейные уравнения переноса излучения стали объектом многочисленных исследований. Существует много причин нелинейности уравнений, и общей теории нелинейного переноса пока нет. Например, нелинейность может быть связана с зависимостью населенности уровней от поля самого излучения, с изменением в этом поле диэлектрической проницаемости и т.д. Есть, однако, еще одна существенная причина появления нелинейности в уравнении переноса - это учет индуцированных процессов. В частности, для случая индуцированного комптоновского рассеяния на тепловых электронах плазмы подобное уравнение было получено Вейманом (1965) и Компанейцем (1965). Заметим, что это уравнение было использовано для ряда астрофизических исследований [Зельдович, Сюняев (1969); Сюняев (1971)]» [34, с.140].
Аналогичные сведения можно найти в книге П.Д. Насельского, Д.И. Новикова и И.Д. Новикова «Реликтовое излучение Вселенной» [35].
Наконец, сам Я.Б. Зельдович в статье «Взаимодействие свободных электронов с электромагнитным излучением» [36] откровенно признается в том, что он экстраполировал результат Компанейца из физики плазмы в физику ранней Вселенной: «А.С. Компанейцу принадлежит заслуга четкой постановки вопроса об особенностях установления термодинамического равновесия в разреженной плазме [1]. Точная постановка задачи приводит к интегральному уравнению для спектра фотонов. Однако в силу того, что мала передача энергии при отдельном акте рассеяния, изменение спектральной плотности на данной частоте зависит только от спектральной плотности на соседних частотах, и потому интегральное уравнение эффективно заменяется дифференциальным уравнением. Дифференциальное уравнение Компанейца послужило надежной основой и для решения других задач, возникших позже» [36, с.165]. «Вселенная - горячая Вселенная, заполненная фотонами, - подчеркивает автор, - является частным случаем астрофизической системы, к которой применимо уравнение Компанейца [4-7]» [36, с.165]. Здесь [1] - Компанеец А.С. // ЖЭТФ. - 1956. - Том 31. - № 5 (11). - С.876-885.
12. Аналогия одиннадцатая: идея о рождении частиц и античастиц в гравитационном поле черной дыры
В 1969 г. в ЖЭТФ была опубликована статья А.И. Никишова «Образование пар постоянным внешним полем» [37]. В ней он рассмотрел вопрос о рождении электрон-позитронных пар в сильном электромагнитном поле. Эта работа послужила стимулом для появления многих других работ, в которых ученые развивали идею А.И. Никишова. Во-первых, логично было предположить, что в сильном поле могут рождаться не только электрон-позитронные пары, но и пары «протон - антипротон», «мезон - антимезон» и т.д. Во-вторых, можно было перенести представления А.И. Никишова с электромагнитного поля на гравитационное, то есть признать возможность рождения пар частиц в сильном гравитационном поле. Наконец, можно было отказаться от требования «постоянства поля» и рассмотреть быстропеременное поле. Это сделал отечественный физик-теоретик, академик Моисей Александрович Марков (1908-1994) совместно со своим сотрудником В.П. Фроловым [38].
Независимо к таким же выводам пришел Я.Б. Зельдович (1970). Чтобы перенести на гравитационное поле механизм рождения частиц, описанный А.И. Никишовым для электромагнитного поля, достаточно было сформулировать вопрос: где, в каких космических условиях возникают мощные гравитационные поля? Разумеется, они возникают на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда вещество сконцентрировано в малом объеме и еще не образовались галактики. Кроме того, они возникают в окрестности черных дыр, обладающих невероятно огромной массой. Черные дыры и вещество ранней Вселенной - вот объекты, оправдывавшие идею Я.Б. Зельдовича (1970), которую он в дальнейшем разрабатывал совместно с Л.П. Питаевским и А.А. Старобинским (1971).
Отметим, что еще в 1951 г. американский физик, лауреат Нобелевской премии 1965 г. Джулиус Швингер получил точный результат для вероятности рождения электрон-позитронных пар в постоянном электрическом поле, который позднее стали называть формулой Швингера, а само явление вакуумного рождения частиц в поле - механизмом Швингера. Однако Швингер не рассматривал возможность реализации данного механизма в мощных гравитационных полях. Это сделали, как мы уже отметили, М.А. Марков, Б.П. Фролов и независимо от них Я.Б. Зельдович, Л.П. Питаевский и А.А. Старобинский.
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 искривлени е 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.
зельдович физик уран термоядерный
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.