Артур Стэнли Эддингтон
Современному читателю трудно представить себе, каким огромным уважением пользовался Артур Стэнли Эддингтон в период между двумя мировыми войнами. Он оказал колоссальное влияние на мировоззрение ученых-физиков, и прежде всего собственным вкладом в астрономию и астрофизику, а также глубиной проникновения в сущность работ других ученых; сущность чужих работ он часто понимал лучше, чем те, кто их выполнил, и более квалифицированно объяснял вновь полученные результаты. И наконец, его попытки постичь самые основы физики продолжают оказывать влияние на научное мышление ученых последующих поколений, которые в большинстве своем даже не осознают, что они продолжают то, что в свое время начал Эддингтон.
В 20—30-е годы во всех областях человеческой деятельности лидировали такие выдающиеся личности, как Черчилль и Рузвельт в политике, Шоу и Элиот в литературе, Бор, Эйнштейн, Резерфорд и сам Эддингтон в физике, — и это лишь несколько имен. Сегодня нет таких гигантов. Нельзя сказать, что не существует сравнимых талантов, просто таким талантам в наши дни труднее достичь славы. Конечно, теперь наукой занимаются не столько отдельные личности, сколько научные коллективы, и в науке теперь в известной степени более заметную роль играют не творцы идей, а их интерпретаторы. Следует признать, что Эддингтон более чем кто-либо иной был пионером в роли интерпретатора. Но прежде всего он был «генератором» идей, и именно таким он представлен здесь.
Бор, Эйнштейн и Резерфорд сделали великие открытия, но сыграли очень малую роль в распространении своих идей среди непрофессионалов. Не таким был Эддингтон. Лишь считанные ученые слышали его лекции, несколько большее их число читали его работы, и почти все были убеждены, что понимают его. Эддингтон производил впечатление человека, имеющего доступ к тайнам Вселенной, а то, что он установил, по мнению многих, граничит со священным писанием.
Конечно, непреходящая ценность его работ не связана с существовавшим вокруг него почти мистическим ореолом, возникшим в зените его славы. Однако исходившее от него обаяние привлекало к его идеям. Казалось, что это обаяние было обусловлено его глубокой верой в собственную интуицию — отчасти потому, что очень часто он оказывался прав.
Эддингтон родился в семье квакеров в 1882 г. Два года спустя он потерял отца. Он изучал математику и физику в Оуэнском колледже (ныне Манчестерский университет), а затем в Кембриджском университете, где особенно отличился, заняв первое место по математике. С 1906 по 1913 г. работал в Королевской обсерватории в Гринвиче С 1913 г. стал профессором астрономии и эмпирической философии в Кембридже. Шесть лет спустя Эддингтон возглавил знаменитую экспедицию на остров Принсипи вблизи Экваториальной Африки для наблюдения солнечного затмения с целью проверки общей теории относительности Эйнштейна. Он был президентом Королевского астрономического общества в Лондоне, в 1930 г. был удостоен дворянского титула и в 1944 г. скончался.
Эддингтон был болезненно застенчив в общении и не проявлял особого дара в импровизированных выступлениях и при чтении учебного курса лекций. Но заранее подготовленные публичные лекции он читал с блеском, равно как и отличался непревзойденным мастерством в составлении кратких резюме научных докладов, представляемых на собраниях ученых. Те, с кем он был хорошо знаком, считали его общительным и внимательным человеком. Когда его коллега Ф. Страттон в зрелые годы серьезно занемог и болезнь угрожала ему депрессией, Эддингтон почти ежедневно придумывал для него головоломки, чтобы поддержать дух Страттона и ускорить его выздоровление.
Квакерское происхождение помогло формированию его жизненных взглядов, которых он неизменно придерживался на протяжении всей своей жизни. Но обстоятельства часто меняются, и многие люди независимого мышления не мирятся с причинами этих изменений. Поэтому ясно, почему Эддингтон откровенно говорил о своих взглядах на лекциях и выступлениях, подчеркивая, что он отдает должное упорству и целеустремленности, унаследованным им от квакеров.
Думаю, уместно сказать, что Эддингтон никогда не считал, что его исследования в области физики и физической Вселенной оказали сильное влияние на его, так сказать, религиозные взгляды. Несомненно, он бы согласился, что знание едино и следует установить, как все связано между собой, и в то же время он не стал бы отрицать, что ученым предстоит долгий путь, прежде чем они постигнут наконец эти связи. «В науке, как и в религии, истина сияет впереди, подобно маяку, указывающему правильный путь; мы не просим приблизить ее, пусть она будет далеко, чтобы мы могли вести поиск», — сказал он в одной из своих лекций в мае 1929 г.
Из-за своих убеждений Эддингтон отказался от несения военной службы в первой мировой войне. Королевскому астроному сэру Фрэнку Дайсону очень хотелось, чтобы международное положение позволило Эддингтону наблюдать солнечное затмение 1919 г. Со своей стороны, он использовал все свое влияние, чтобы Эддингтон оставался на своем посту в Кембридже. Ряд выдающихся ученых придерживались тех же антивоенных взглядов, что и Эддингтон.
Перед поступлением в Королевскую обсерваторию у Эддингтона, по-видимому, еще не было научных планов. Но он с энтузиазмом включился в работу обсерватории, предложив, например, программу определения дрейфа широты, которая в той или иной форме продолжается и сейчас.
На протяжении следующего десятилетия Эддингтон занимался анализом звездных движений, начатым еще в 1904 г. голландским астрономом Каптейном. Эддингтон описал эту проблему и свой собственный вклад в нее в своей первой книге “Stellar Movements and the Structure of the Universe” («Движение звезд и строение Вселенной»), опубликованной в 1914 г. А вот какой представлялась Вселенная согласно воззрениям того времени: это была «звездная система», или «галактика», в виде плоского конгломерата звезд, в котором Солнце занимало «довольно центральное положение». Солнце было окружено Млечным Путем, состоящим из звезд, туманностей и облаков поглощающей материи.
Основная часть книги по звездной кинематике обеспечила отправную точку для обширных исследований других ученых. Последняя глава послужила стимулом для другой огромной работы по звездной динамике. Эддингтон также положил начало научной дискуссии о так называемых спиральных туманностях. Он считал, что это галактики, такие же, как наша. Наконец, он обратил внимание на необходимость согласиться с предположением Анри Пуанкаре о вращении Млечного Пути. Иными словами, Эддингтон был первым, кто систематизировал знания о крупномасштабной структуре Вселенной.
Эддингтон впервые столкнулся с обшей теорией относительности в 1912 г., за три года .до того, как Эйнштейн полностью завершил интерпретацию своей теории. Эйнштейн представил предварительные результаты, один из которых предсказывал, что свет звезды, проходя вблизи Солнца, будет отклоняться его гравитационным полем. Это отклонение, как указывал Эйнштейн, должно быть наблюдаемо во время полного солнечного затмения, когда Луна полностью закрывает диск Солнца, при условии, что звезда достаточно яркая, чтобы ее можно было наблюдать сквозь солнечную корону. Величина смещения, указанная Эйнштейном на той стадии его исследований, равнялась лишь половине того ее значения, которое окончательно предсказывала общая теория относительности, и ее можно было получить из слегка модифицированной теории гравитации Ньютона.
1912 г. Э. Фрейндлих, который постоянно переписывался с Эйнштейном, а затем стал его коллегой, начал готовиться к проверке предсказаний общей теории относительности во время затмения, которое должно было наблюдаться в Восточной Европе в 1914 г. Он обратился за технической помощью в объединенную комиссию по наблюдениям затмения Королевского общества и Королевского астрономического общества. Председателем этой комиссии был Дайсон, а Эддингтон был ее членом. Комиссия выразила сожаление, что не может предоставить Фрейндлиху необходимое ему специальное снаряжение. Но Дайсон и Эддингтон ожидали удобного случая, чтобы приступить к осуществлению этой программы.
Однако в Европе разразилась война, прежде чем Фрейндлиху удалось наблюдать затмение. Война также нарушила регулярное поступление научной литературы из Германии в Англию. Когда в 1915 г. была опубликована статья Эйнштейна об общей теории относительности, лишь один ее экземпляр достиг Англии. Она была послана выдающимся голландским астрономом де Ситтером из нейтральной Голландии Эддингтону, который был секретарем Королевского астрономического общества. Вместе с этой статьей де Ситтер послал три собственные очень важные статьи, в которых он развивал последние идеи Эйнштейна и излагал свои собственные соображения. То были первые статьи по общей теории относительности, опубликованные за пределами Германии.
Следующей была работа Эддингтона «Report on the Relativity Theory of Gravitation» («Доклад по релятивистской теории гравитации»), представленная Физическому обществу Лондона в 1918 г. Эта работа продемонстрировала поразительную способность Эддингтона к обобщению и представлению совершенно новых революционных научных понятий и математических методов. Позже этот доклад лег в основу его известной книги «Mathematical Theory of Gravitation» («Математическая теория гравитации»), опубликованной в 1923 г. Многие изучали общую теорию относительности не по какой-нибудь другой, а именно по этой книге, читая ее самостоятельно, либо с помощью тех, кто уже изучал общую теорию относительности по этой книге.
Дайсон указал, что солнечное затмение в мае 1919 г. будет очень благоприятным с точки зрения расположения Солнца относительно звезд — вблизи яркого и богатого звездного скопления Гиады. Благодаря окончанию войны Дайсону удалось организовать две британские экспедиции для наблюдения этого затмения.
Одну из них на остров Принсипи у западного побережья Африки возглавил Эддингтон, который первым сообщил о полученных результатах. Другая экспедиция направилась в Собрал на северо-востоке Бразилии. В целом результаты были восприняты как убедительное свидетельство в пользу теории Эйнштейна, так как они были близки к предсказаниям обшей теории относительности, и заметно отличались от тех предсказаний, которые были сделаны на основе теории Ньютона.
Результаты замеров были зафиксированы на фотопластинках; смещения на них составляли несколько сотых миллиметра. Некоторые физики утверждали, что метод Эддингтона не обеспечивает точность, достаточную для того, чтобы можно было доказать, что Эйнштейн прав, а Ньютон нет. Но с этим утверждением нельзя согласиться: подтверждение не есть доказательство, но это все, что может предложить экспериментатор. Более чувствительные методы появились после второй мировой войны в связи с развитием радиоастрономии.
Подтверждение справедливости модифицированного закона всемирного тяготения вызвало возбуждение во всем мире — как ни одно научное открытие, сделанное ранее или посте. Послевоенный интернационализм оказался и на общественном мнении: британцы поддержали теорию физика, выходца из Германии. Эйнштейн мгновенно приобрел известность. И если закон Ньютона нуждался в изменении, то самым подходящим следовало считать, чтобы ответственность за эти изменения несли британские астрономы.
Эдингтон был первым, кто, образно выражаясь, заглянул в недра звезд. Исследования геологов показали, что ближайшая к нам звезда, Солнце, на протяжении миллиардов лет излучает практически постоянный поток энергии. Какие же процессы в недрах Солнца обусловливают это? Современники Эддингтона утверждали: «Узнать, что происходит в недрах Солнца, невозможно, пока неизвестен источник его энергии, но каков источник энергии, тоже нельзя узнать, пока неизвестны процессы в его недрах». Даже простой факт, что средняя плотность Солнца всего лишь в 1,5 раза выше плотности воды, казался загадочным. При каком состоянии обычного вещества такое массивное тело может иметь столь низкую среднюю плотность? И как энергия может просачиваться сквозь вещество такой плотности? Большинство ученых полагало, что она переносится конвекцией.
Изучением внутреннего строения звезд Эддингтон начал заниматься в 1916 г., когда впервые попытался понять, каким образом у переменных звезд цефеид происходят периодические изменения светимости. Он предположил, что цефеиды — это газовые шары, периодически сжимающиеся и расширяющиеся. Исходя из предположения Ф. Сэмпсона, сделанного в 1894 г., Эддингтон рассматривал лучистый, а не конвективный перенос. Это работа была классической. Кроме того, ее успех заставил Эддингтона предположить, что газовый шар — это удобная звездная модель и для более общих целей.
Поэтому Эддингтон поставил перед собой задачу рассчитать равновесное состояние тела данной массы и заданного химического состава, которое ведет себя как идеальный газ и удерживается силой гравитации, а энергия в нем переносится за счет лучистого переноса. Он принял некоторую зависимость непрозрачности вещества от природы и физического состояния и распределения в нем источников энергии. Швейцарский физик Эмден вычислил равновесные состояния гравитирующих газовых сфер, называемых политропами. Эддингтон заметил, что при некоторых разумных упрощениях его собственные уравнения преобразуются к виду, сходному с уравнениями Эмдена, так что он мог использовать численные результаты швейцарского ученого. Таким образом, он получил стандартную звездную модель.
Модель Эддингтона указывала на простое соотношение между массой, радиусом и светимостью звезды, причем влияние радиуса очень мало. Он обнаружил, что результирующий закон масса—светимость, хорошо аппроксимирует наблюдения всех нормальных звезд, включая Солнце, для которого он выполнял расчеты. Таким образом, можно было считать, что такие звезды ведут себя как идеальный газ.
Мысль о том, что вещество в центральных областях звезды с плотностью, во много раз превышающей плотность обычных жидкостей и твердых веществ, подчиняется тем же законам газового состояния, что и воздух, которым мы дышим, была поистине революционной. В этом состояло открытие Эддингтона. Его друг Дж. Джинс первым обратил внимание на то, что вещество в недрах звезды должно быть сильно ионизовано. Эддингтон показал, почему благодаря ионизации даже при высоких плотностях вещество ведет себя как идеальный газ. Очевидно, отсюда можно сделать вывод, что количество обычного звездного вещества, равного по массе, скажем, Солнцу, образует звезду такой же светимости, как наше Солнце Так, ему удалось, не зная источников, предсказать поток энергии звезды.
Эддингтон объяснил это свое открытие тем, что лучистый поток проходит сквозь звезду, несмотря на непрозрачность ее вещества. Согласно формуле следующей из простой квантовой теории, непрозрачность определяется температурой и плотностью вещества. Эддингтон постулировал, что энергия в веществе генерируется со скоростью, зависящей от температуры и плотности. Его расчеты показали, что температура и плотность должны «саморегулироваться» таким образом, чтобы полный выход энергии соответствовал закону масса—светимость. В противном случае устойчивое состояние звезды не могло бы установиться, т. е. не было бы самой звезды.
Из модели Эддингтона следует, что энергия генерируется глубоко в недрах такой звезды, как Солнце, и ей требуется 10 млн лет, чтобы достичь поверхности и покинуть звезду. Таким образом, если бы сегодня полностью прекратили генерировать энергию все источники в недрах звезды, то лишь через 10 млн. лет стали бы заметны изменения. Таким временным запаздыванием между причиной и ее видимым проявлением и объясняется, почему Эддингтону удалось так много узнать о недрах звезды, ничего не зная об источниках энергии звезды.
Когда Эддингтон представил свои результаты Королевскому астрономическому обществу, они вызвали горячую полемику. Некоторые астрофизики приняли сторону Джинса, утверждавшего, что излучение звезды целиком определяется источниками ее энергии; если источники неизвестны, то нельзя предсказать и поток энергии. Некоторые к тому же говорили, что абсурдно утверждать, будто вещество, имеющее такую плотность, как, скажем, кирпич, можно рассматривать как газ. Несколько позднее Э. Милн, другой великий пионер астрофизики, заявил, что выводы Эддингтона являются следствием ограничений, которые он ввел в математический аппарат, а не физических условий рассматриваемой задачи.
Дебаты на проходивших ежемесячно собраниях Королевского астрономического общества в середине 1920-х годов вызвали беспрецедентный интерес. Многие наиболее известные ученые, по крайней мере один ведущий математик, вступили в Королевское общество, чтобы иметь право присутствовать на его заседаниях. Эддингтон и Джинс не давали друг другу пощады, они могли себе это позволить (и испытывали от этого удовольствие), так как между ними были прекрасные отношения. Когда такие столкновения происходили между молодыми астрофизиками, они часто принимали разногласия близко к сердцу. В конце концов Эддингтон одержал победу.
В своей книге «The Internal Constitution of the Stars» («Внутреннее строение звезд»), опубликованной в 1926 г., Эддингтон исчерпывающе изложил свои взгляды. Это была великая классическая астрофизическая теория.
Эддингтон оказался более удачливым, чем он сам мог предполагать. Десяток лет спустя источником энергии звезд был признан нуклеосинтез. Этот процесс весьма чувствителен к температуре. Именно потому, что в реальных звездах имеет место как раз такой процесс, можно объяснить, почему Эддингтон добился таких успехов в разработке теории внутреннего строения звезд, ничего не зная об источниках их энергии.
Большинство астрофизиков полагают также, что около 1935 г. Эддингтон пошел по неверному пути в одном частном вопросе. Он сам продемонстрировал, как его теория завела в тупик, когда он попытался применить ее к чрезвычайно плотным звездам, называемым белыми карликами. Наиболее известным представителем звезд этого класса является Сириус В, слабый спутник Сириуса — ярчайшей звезды на земном небе. Специалисты по математической физике Кембриджского университета незамедлительно указали, что свободные электроны в такой плотной звезде должны образовывать вырожденный газ в квантовомеханическом смысле, т. е. он будет сильно противостоять дальнейшему сжатию. Поэтому вещество должно подчиняться другому уравнению состояния, нежели уравнение Эддингтона для вещества с классическим поведением. Р. Фаулер показал, что трудность эта вполне преодолима. Эддингтон доброжелательно встретил это объяснение
Однако другие теоретики продолжали указывать на то, что в результате давления вырожденных электронов их эффективная скорость может возрасти до релятивистских значений, так что станут существенны релятивистские эффекты. Они показали, что релятивистский вырожденный электронный газ также подчиняется другому уравнению состояния. С. Чандрасекар, работавший в то время в Кембриджском университете, сделал замечательное открытие. Тело, состоящее из такого вещества, не может находиться в равновесном состоянии, если его масса превышает так называемый чандрасекаровский предел, приблизительно равный 1,5 массы Солнца. Если только в результате какого-то процесса такое тело не разрушится, то оно подвергнется катастрофическому гравитационному коллапсу к состоянию, называемому черной дырой, так как гравитационное притяжение не позволяет даже свету покинуть этот объект. Нет ни одного наблюдательного свидетельства, которое противоречило бы выводам Чандрасекара.
Эддингтон отверг этот вывод, считая его reductio ad absurdum (лат. доведение до абсурда). Большинство астрофизиков считают, что он был неправ, поскольку не нашел в расчетах Чандрасекара ни одной ошибки. Насколько мне известно, даже 50 лет спустя никто не рассматривал, как будет эволюционировать реальная масса вещества, превышающая чандрасекаровский предел. Нет и убедительного подтверждения существования различных кандидатов в черные дыры. Здесь мы работаем вблизи предела теории относительности и квантовой теории. Если эти пределы не нарушаются, вероятно, теория Эддингтона не верна. Если же Эддингтон прав, то где-то эти пределы должны быть нарушены.
Когда 100 лет назад Эддингтон приступил к изучению внутреннего строения звезд, знаний в этой области не было никаких. Удивительно, что картина, которую он вскоре создал, в основных чертах справедлива и в наши дни. Возможно, ему повезло, возможно также, что он заблуждался относительно следствий релятивистского вырождения, но сила и глубина физической мысли Эддингтона все еще внушают благоговение.
В своей первой астрономической научной работе, которая составила основную часть его книги «Движения звезд», Эддингтон описал строение Галактики, а по существу всех галактик. Затем в книге «Внутреннее строение звезд» он описал структуру звезд. И поскольку звезды — это строительные блоки любой галактики, вся современная астрономия многим обязана открытиям Эддингтона. Это — огромное признание трудов одного человека.
Но Эддингтон пошел дальше, показав, что модель стационарной Вселенной Эйнштейна не соответствует действительности и что Вселенная должна быть нестабильной. Тем самым в рамках обшей теории относительности он установил, что Вселенная должна расширяться (или сжиматься), но никак не может быть стационарной. Таким образом, он внес существенный вклад в астрономию в целом.
Для космологии Эддингтон был сторонним наблюдателем. Он начал придавать больше значения философским аспектам, чем всему тому, чего уже успел достичь в астрономии как таковой. Что такое Вселенная? Что такое физика? Вот фундаментальные вопросы, которым Эддингтон посвятил остаток жизни.
В ретроспективе можно усмотреть признаки интереса к метафизике еще в 1928 г., когда он написал статью «The Nature of Physical World» («Сущность физического мира»). Его «Phylosophy of Physical Science» («Философия физики») была опубликована в 1939 г. и выявляет более зрелый взгляд на мир.
Он заметил, что некоторые числа не зависят от системы единиц. К таким чистым числам относятся отношение силы электростатического взаимодействия между протоном и электроном к силе гравитации между ними, равное 1039. и отношение массы протона к массе электрона, равное 1836. В стандартной физической теории принимается, что такие отношения представляют собой универсальные постоянные, что для них существуют «точные» значения (что бы они ни выражали) и что к этим значениям можно приближаться с некоторой степенью точности, но они никогда не могут быть измерены с абсолютной точностью в результате все более точных измерений.
Эддингтон усомнился в этой точке зрения и был убежден, что должны быть какие-то математические причины, по которым физические постоянные имеют именно такие значения, и он пытался представить их в своей фундаментальной теории. Полученные им значения хорошо (некоторые даже очень хорошо) согласовались с экспериментальными данными. Для этих исследований требовался хороший математический аппарат, и Эддингтон специально разработал его для этих целей. Нельзя не отметить, что никому не удалось обнаружить в работах Эддингтона ни одной математической ошибки.
Однако следует сказать, что ни один результат из этих работ Эддингтона не был признан. Ни один физик не поддерживал те постулаты, из которых исходил Эддингтон. Никто никогда не проследил от начала до конца все его аргументы до главных выводов, всегда находилась какая-то брешь в его логических построениях.
«Но как раз в формулировке огромной серии вопросов... заключался его дар коллегам-ученым, — писал его ученик Джордж Темпл. — Эти вопросы образуют длинный ряд верстовых столбов, указывающих путь в Землю Обетованную, которой он, пожалуй, так и не достиг в своей жизни».
Эддингтон был великим ученым, великим человеком и прекрасно ощущал свое время. Каждый великий человек должен уметь использовать благоприятный момент, иначе мы никогда не услышим о нем и не сможем назвать его великим. Почва для него была подготовлена Каптейном в области звездных движений и Эмденом в области внутреннего строения звезд. Атомная физика как раз достигла того уровня развития, что с ее помощью Эддингтон мог понять, скажем, ионизацию и непрозрачность звездного вещества и даже составить некоторое представление об источнике энергии звезды. Эти примеры иллюстрируют те благоприятные возможности, использование которых благодаря поразительной интуиции Эддингтона оказалось столь плодотворным.
Несмотря на то что у Эддингтона было много общих интересов с его коллегами в Кембридже, нельзя утверждать, что он принадлежит к какой-нибудь научной школе Он не основал и своей собственной школы, хотя и воспитал ряд блистательных преданных науке аспирантов. Из более чем 110 научных статей лишь 7 он написал в соавторстве с другими учеными.
Наконец, даже разрабатывая фундаментальную теорию физики, Эддингтон был одним из членов маленького клана мастеровых, которые независимо друг от друга следовали одним и тем же курсом. Эддингтон, Эйнштейн, Милн, Шредннгер (несколько позднее) и Вейль пытались создать единую теорию физики и космологии, и в конце концов их постигла неудача. Быть может, кто-то скажет, что они понапрасну растрачивали время и талант. Однако если поразмыслить отдельно о каждом из этих людей, трудно сказать, что бы еще они могли создать, не прими они этот вызов. Кроме того, то, что пытались сделать они, некоторые ведущие ученые пытаются сделать и сейчас, а именно — создать теорию великого объединения. Частичное решение, объединяющее электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие, уже найдено.
Пионеры первой половины прошлого века указали путь к этому решению, и среди них, возможно, наиболее целеустремленным и дальновидным был Эддингтон.