|
|
|
№ 19 (3742), 16 октября 2006 года
|
 |
|
|
|
|
Матвей Петрович
Бронштейн
100 лет со дня рождения
В 2006 году научная общественность отмечает 100-летие со дня рождения Матвея Петровича Бронштейна, известного физика-теоретика, питомца и преподавателя Ленинградского государственного университета.
В последние годы все большее внимание привлекает к себе проблема построения непротиворечивой теории квантовой гравитации, с которой связывается создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий во Вселенной. В этом контексте имеет смысл еще раз вспомнить, как зарождались основы теории квантовой гравитации, и кто сделал первые шаги в этом направлении.
|
 |
М.П.Бронштейн. 30-е годы ХХ в. |
|
Первое глубокое исследование проблемы квантования гравитации, которое привело к нетривиальным физическим результатам, было выполнено в работах М.П.Бронштейна, опубликованных в 1933-1936 годах. Он был первый, кто осознал, что квантовая теория гравитации требует фундаментального пересмотра понятий пространства и времени в плане обьединения релятивистских и квантовых идей того времени.
Его научное мировоззрение охватывало не только релятивистскую квантовую теорию и гравитацию, но и физику полупроводников, квантовую электродинамику, космологию, ядерную физику, астрофизику и физику атмосферы. Все, кто общался с М.П.Бронштейном, отмечали его эрудированность, широкую образованность, глубину продуманных проблем, что делало его заметным физиком-теоретиком 30-х годов прошлого столетия. Поэтому представляется уместным напомнить его краткий, но, несомненно, яркий творческий жизненный и научный путь.
До Ленинградского университета
Матвей Петрович Бронштейн родился 2 декабря 1906 года в уездном городе Виннице на Украине, в семье врача. Детей в семье было трое: сыновья-близнецы и дочь, старше их на четыре года. В 1915 году семья переехала в Киев. Братья учились дома, сдавая экзамены в гимназии экстерном. Мир, открывающийся перед ними в книгах, давал гораздо более сильные впечатления, чем события того времени. Любовь к книгам Матвей Петрович сохранил на всю свою короткую жизнь.
В 1923 году братья поступили в электротехникум, однако из-за материальных трудностей им пришлось оставить учебу, и они пошли работать на завод. В 1924 году М.П.Бронштейн узнал, что при Киевском университете действует кружок любителей физики под руководством молодого физика Петра Саввича Тартаковского, впоследствии руководителя лаборатории Ленинградского физико-технического института и заведующего кафедрой электрофизики Политехнического института. По своему духу и характеру этот кружок готовил студентов к научной работе, отбирая лучших.
Вскоре Бронштейн становится членом секции научных работников при Киевском окружном отделении Союза работников просвещения.
Директор Киевской астрономической обсерватории С.Д.Черный и руководители физических семинаров Л.И.Кордыш и Г.Г.Де Метц высоко оценили его работу в этой секции, впоследствии дав ему рекомендацию при поступлении в Ленинградский университет.
В 1925 году М.П.Бронштейн опубликовал свою первую научную статью – “ Об одном следствии гипотезы световых квантов” в физической части “ Журнала русского физико-химического общества” (в настоящее время периодический журнал – ЖЭТФ).
В работе исследована зависимость границы непрерывного рентгеновского спектра от угла излучения в предположении фотонной структуры излучения рентгеновской трубки. Здесь же им была установлена граница применимости теории световых квантов в области рентгеновских лучей, что является важным с точки зрения применимости квантовой теории в изучении физических явлений. Следует также отметить, что в это время гипотеза о фотонном излучении все еще не была общепризнанной, в том числе и Нильсом Бором. Это означает, что 18-летний М.П.Бронштейн был не только в орбите актуальных проблем современной физики, но и проявил себя как практик в реализации теоретического результата в экспериментах. В том же 1925 году в немецком журнале Zeitschrift fuer Physik он опубликовал еще две научные работы, посвященные квантовой теории взаимодействия рентгеновских лучей с веществом, а в 1926 г. еще три статьи.
И все же в этот период научной столицей в СССР был Ленинград (Академия наук и ее основные институты находились здесь до 1934 г.). Это и послужило поводом тому, что М.П.Бронштейн переехал Ленинград, где он поступил в 1926 г. в Ленинградский университет.
В Ленинградском университете
В 1926 году М.П.Бронштейн начинает учиться на физическом факультете Ленинградского университета, что дает ему возможность войти в научное сообщество физиков и современных физических идей. Очень скоро на физическом факультете заговорили о студенте, который мог сдать по своему уровню любой экзамен. Профессор Орест Данилович Хвольсон, к которому М.П.Бронштейн пришел сдавать экзамен за весь курс общей физики, заявил: “Что это за маскарад, милостивый государь?! Третьего дня я читал вашу статью в “Цайтшрифт фюр физик”, а сегодня вы приходите ко мне экзаменоваться?! Давайте вашу зачетку!” Еще через неделю М.П.Бронштейн сдал экзамен по математике за первый курс. Судя по зачетке, среди его учителей в университете были математики Б.Н.Делоне и В.И.Смирнов, физики В.Р.Бурсиан, М.М.Глаголева, Ю.А.Крутков, П.И.Лукирский, А.Н.Теренин, В.А.Фок, В.К.Фредерикс, С.Э.Фриш, химик С.А.Шукарев. В эти годы им получены оригинальные результаты в астрофизике, по которым, после введения в СССР в 1934 году ученых степеней, ему была присвоена степень кандидата наук без защиты. Уместно напомнить о той атмосфере, которая была в это время в астрономии в Ленинграде. В университете астрономическое отделение входило в состав механико-математического, а не физического факультета. Причины этого исторические, и на них мы останавливаться не будем. Однако с развитием идей квантовой природы света и в особенности когда квантовая теория разгадала структуру спектральных линий, астрономия стала опираться на физику не в меньшей мере, чем на небесную механику. В это время астрономия стала ставить и решать такие задачи, которые до этого были просто немыслимы. Именно вторая половина 20-х годов – период совершеннолетия астрофизики.
И любой физик, следящий за развитием фундаментального естествознания, не мог не заметить такого расцвета астрофизики. М.П.Бронштейн был одним из таких. В университете он стал ходить на занятия к астрономам и на семинарах, которые проходили в Ленинградском университете и в Пулковской обсерватории, он особенно сблизился с В.А.Амбарцумяном и Н.А.Козыревым.
Оба эти талантливых астрофизика входили в состав известной в то время группы студентов, которая сформировалась в университете в 20-е годы. В ее состав входили еще М.П.Бронштейн, Г.А.Гамов, Л.Д.Ландау, Д.Д.Иваненко – яркое созвездие будущих звезд первой величины в физике. М.П.Бронштейн и Д.Д.Иваненко не раз были в Пулковской обсерватории, где обсуждали многие вопросы теоретической физики и астрофизики, после которых появились работы М.П.Бронштейна по теории переноса излучения в атмосферах Солнца и звезд.
В этот же период проблемами астрофизики занимался и Л.Д.Ландау, в результате появилась его статья 1932 г. о возможности существования сверхплотных звезд. Следует отметить, что на фоне бурного развития идей релятивистской и квантовой физики астрофизика обрела важные открытия наблюдательного характера; в частности, была окончательно установлена внегалактическая природа спиральных туманностей – других галактик (Хаббл, 1924), что заметно раздвинуло рамки астрономической природы происхождения Вселенной. Новую идеологию в астрофизику несли молодые физики. Третья, и последняя, работа М.П.Бронштейна по звездным атмосферам была опубликована в английском журнале Monthly Notices (1929 г.), представил ее сам Милн, один из корифеев в этой области того времени. Для М.П.Бронштейна 1929 год был творческим не только в астрофизике, но еще и в геофизике. В июле 1929 года, будучи студентом, он работал в должности физика в Главной геофизической обсерватории (ГГО), в отделе теоретической метрологии. Отделом руководил Л.В.Келлер (1863–1939), один из ближайших сотрудников А.А.Фридмана (основоположника современной космологии), который занимался теорией циркуляции атмосферы. К этой области относились работа М.П.Бронштейна и ряд его докладов на семинарах в ГГО. Изобилие духовной жизни, царившее вокруг Бронштейна, сочеталось с довольно скудными условиями материальной жизни. Поскольку он не получал стипендии, ему приходилось зарабатывать на жизнь другими способами, в частности, ему нравилось писать популярные статьи о науке. В это время в стране появилось много научно-популярных журналов с приложениями в виде брошюр. Лозунгом этого времени стали слова “знание – сила”, и не случайно журнал с таким названием появился именно в 1926 году. А в 1929 году читатели журнала “Человек и природа” познакомились с популярной работой М.П.Бронштейна, написанной по работе А.Эйнштейна, в которой великий физик предпринял попытку обьединить гравитацию и электромагнетизм.
Автор на довольно простом качественном уровне взялся обьяснять новые попытки Эйнштейна создать единую теорию поля того времени. Производят особое впечатление слова о квантовой геометрии, где он указывает на то, что прерывность в малых обьемах пространства должна найти свое отражение в геометрии, и что, таким образом, свойства пространственно-временной протяженности должны иметь квантовый, прерывный характер.
В заключении этой статьи он пишет: “Построение такой геометрии пространства и времени, из которой вытекали бы не только законы тяготения и электромагнитного поля, но и квантовые законы - вот величайшая задача, которая когда-либо стояла перед физикой“.
В апреле 1930 года М.П.Бронштейн пришел работать в Ленинградский физико-технический институт в группу теоретической физики: ее руководитель Я.И.Френкель написал на заявлении Бронштейна о приеме на работу: “М.П.Бронштейн является исключительно талантливым физиком-теоретиком, с широкими интересами, большой инициативой и чрезвычайно большими познаниями. Я не сомневаюсь, что он будет одним из наиболее ценных сотрудников теоретического отдела института и лаборатории”.
По своей структуре того времени в эту группу входила “Бригада 1-я – теоретическая физика.” Бригадиром был В.Р.Бурсиан, а ее членами: старший инженер Л.Д.Ландау, инженеры В.А.Фок, В.А.Кравцов, А.Г.Самойлович, Б.И.Давыдов, А.И.Тиморева, научный сотрудник Г.А.Мандель и ст. инженер М.П.Бронштейн. В ФТИ постоянно действовали два семинара – общеинститутский и теоретический.
На теоретический семинар отдела, руководимый Я.И.Френкелем, часто приезжали И.Е.Тамм из Москвы, Л.Д.Ландау из Харькова, многие физики из других городов, а также делали доклады: Н.Бор, М.Борн, П.А.М.Дирак, Ланжевен, Ф.Лондон, Н.Мотт, Р.Пайерлс, В.Паули. Не раз на этом семинаре выступал и М.П.Бронштейн. Так, в 30-х годах, когда он курировал работы как теоретик в области ядерной физики, им был сделан обзор экспериментальных результатов группы Э.Ферми по ядерным реакциям на медленных нейтронах.
Научные интересы М.П.Бронштейна охватывали многие области теоретической физики – от изучения аномальных явлений в диэлектриках до теории лучистого равновесия в звездах и галактических туманностях. Вместе с В.К.Фредериксом он написал энциклопедическую статью о теории относительности, а в УФН был написан его обзор по космологии – “ Современное состояние релятивистской космологии”, который был более чем своевременным после открытия в 1929 году Э.Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик, после чего космология и стала реальной физической теорией. Принципиальное значение для космологии имела его последняя работа (ЖЭТФ, 1937г.) о возможности спонтанного расщепления фотона. В этой работе было показано, что такая возможность отсутствует, что явилось теоретическим подтверждением факта отсутствия “старения” фотонов, и тем самым указанием на расширение Вселенной. Это был первый реальный результат взаимодействия физики элементарных частиц и космологии, что характерно для нашего времени, когда из космологических данных наблюдений извлекаются свойства элементарных частиц, а космологические модели Вселенной строятся на основе теории элементарных частиц.
М.П.Бронштейн работал и в области физики полупроводников в самом начале ее бурного развития. В обзоре ЖТФ (1932 г.) в простой и доступной форме он изложил количественную теорию проводимости полупроводников, а также термоэлектрических, гальваномагнитных и термомагнитных явлений в них. С экспериментальным открытием в 1932 году нейтрона и позитрона в ФТИ развернулись интенсивные исследования в области физики атомного ядра и ядерной физики, и Матвей Петрович активно принимал в них участие. Им были подготовлены обзоры для первой Всесоюзной конференции по физике ядра (Ленинград, сентябрь 1933 г.). Его работы в области квантовой электродинамики относились к вопросам рассеяния гамма-лучей и установления границ применимости формулы Клейна-Нишины, а также к физике космических лучей. В одной из последних работ по ядерной физике им проделаны расчеты влияния магнитного момента нейтрона на взаимодействие с веществом, в котором он движется. Эти расчеты были выполнены по просьбе И.В.Курчатова. За первые пять физтеховских лет Матвей Петрович опубликовал больше двух десятков научных статей и столько же популярных работ. Написал книгу для детей “Солнечное вещество”.
В этот период плодотворной научной работы М.П.Бронштейн преподает в Ленинградском университете, читая лекции по квантовой механике, статистической физике, общей теории относительности и электродинамике для студентов и аспирантов.
Научная и просветительская деятельность М.П.Бронштейна внесла свой вклад в стремительное развитие теоретической и ядерной физики в нашей стране первой половины 30-х годов.
Зарождение основ
квантовой гравитации
Летом 1935 года М.П.Бронштейн занялся проблемой квантования гравитации и вскоре написал две работы, которые стали его главным вкладом в области теории гравитации и космологии. Они же послужили основой его диссертации “Квантование гравитационных волн”, которую он успешно защитил в ноябре 1935 года в Ленинградском ФТИ. Оппонентами выступали В.А.Фок и И.Е.Тамм, а в дискуссии приняли участие Ю.А.Крутков, Я.И.Френкель и В.К.Фредерикс. В.А.Фоком было отмечено, что проведенное исследование – “первая работа по квантованию гравитационных волн, в которой дело доведено до получения физических результатов”. Один из важнейших результатов, сохранивших свое значение до нашего времени, состоит в общем анализе совместимости квантовых и общерелятивистских представлений. М.П.Бронштейн рассмотрел гравитацию в приближении слабого поля, когда можно не учитывать геометрический характер гравитационного поля. Он получил два важных физических следствия: во-первых, формулу для интенсивности гравитационного излучения, которая совпала в классическом пределе с аналогичным выражением Эйнштейна и, во-вторых, ньютоновский закон тяготения как следствие квантово-гравитационного закона взаимодействия. Исследования Матвея Петровича продемонстрировали глубокие связи классического и квантового вариантов описания гравитации, что свидетельствовало о возможности и необходимости квантового обобщения теории гравитации. Он, в частности, указал на причину, по которой нельзя гравитацию квантовать по подобию квантовой электродинамики.
В 1935 году, исследуя условия приближения слабой гравитации, он обратился к анализу измеримости гравитационного поля и пришел к выводу: “В области общей теории относительности, где отклонения от “евклидовости” могут быть сколь угодно велики … возможности измерения еще более ограничены, чем можно заключить из квантово-механических перестановочных соотношений”, и “без глубокой переработки классических понятий кажется едва ли возможным распространить квантовую теорию гравитации также на эту область”. Тем самым были впервые указаны границы применимости общей теории относительности и установлено различие квантовой электродинамики, не учитывающей структуры элементарного заряда и квантовой теории гравитации, в которой гравитационный радиус пробного тела не может превосходить его линейных размеров. Таким был качественный анализ границ применимости ОТО и, конечно, для количественных оценок необходима точная теория квантовой гравитации и единая теория всех фундаментальных взаимодействий, которые все еще не построены.
Заключительные замечания
Естественно, в столь короткой заметке невозможно многое описать и даже просто изложить о М.П.Бронштейне как об ученом, педагоге и человеке, во многом предвосхитившем и осознавшем появление квантовой теории гравитации в середине 30-х годов прошлого столетия. Знавшие Матвея Петровича говорили о его поразительной образованности и энциклопедических познаниях.
Для него жизненно необходимой была целостная и развивающаяся физическая картина мира. Идея глубинного родства микрофизики и космологии была глубоко в сознании Матвея Петровича, идея эта в настоящее время лежит в попытках теоретической физики построить единую и самосогласованную теорию квантовой гравитации, отвечающей экспериментальным данным и предсказывающей эволюцию Вселенной.
Мы не упоминали о его философских, популяризаторских и других интеллектуальных качествах, а также о личных аспектах его жизни.
К сожалению, надо отметить трагический факт его ареста ночью 1 августа 1937 г. в Киеве, в доме родителей, и перевода затем в Ленинград. Он стал жертвой сталинских репрессий и был расстрелян 18 февраля 1938 года выстрелом в затылок в подвале ленинградской тюрьмы. Реабилитирован М.П.Бронштейн в 1957 году.
Обо всем, что упоминалось в этой короткой заметке, и о многом другом интересующийся читатель может прочесть, например, в книгах: “Эйнштейновский сборник”, 1980–1981: Сб. статей.- Москва, Наука, 1985, Г.Е.Горелик и В.Я.Френкель “Матвей Петрович Бронштейн”, Москва, Наука, 1990; а также в обзоре Г.Е.Горелик, УФН, Т.175, N 10 (2005) с.1093-1108. 
Александр А. Андрианов,
Владимир А. Андрианов,
профессора физического факультета
|
