в корзине (0 шт.) на сумму (0.00)

22.04.2013: К 100-летию со дня рождения Матвея Петровича Бронштейна

В последние годы всё 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.
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, 1937 г.) 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 ЖЭТФ (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, № 10 (2005) с. 1093–1108.


Андрианов Александр Андреевич, д.ф.-м.н., профессор, заведующий лабораторией теории ядра и элементарных частиц, теоретический отдел им. В. А. Фока физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.
Андрианов Владимир Андреевич, д.ф.-м. н., профессор, ведущий научный сотрудник теоретического отдела им. В. А. Фока Санкт-Петербургского государственного университета.

© 2017 издательство Лекстор, дизайн - Круглова Кристина, разработка - Кропотин Святослав