Сэр Фред Хойл (продолжение)0

(продолжение. Начало в №5/2020 и сл.)

Ранние работы

До сих пор повествование было в основном хронологическим, но теперь оно станет тематическим, поскольку Хойл имел обыкновение заниматься одновременно самыми разными вещами. Да и сам он в автобиографии часто следует тематическому, а не хронологическому подходу. Но и тематическому подходу, прослеживая жизнь и деятельность Хойла, следовать непросто. Судя по его работам и высказываниям, он рассматривал весь мир, всю Вселенную, как одно взаимосвязанное целое, а потому одновременно работал в самых разных направлениях. Раз Вселенная едина, то нужно постараться понять, как она образовалась, как в ней возникли различные химические элементы, как сформировались звёзды и галактики, как появилась Солнечная система, как появилась жизнь и как она эволюционировала. Все эти вопросы требовали не только чисто теоретических рассуждений, хотя без них было не обойтись, но нужны были и данные наблюдений и экспериментов. Всем этим Хойл занимался всю жизнь и часто обращался к одному и тому же вопросу снова и снова.

Вот на какие этапы разбил научные работы Хойла по традиционным направлениям (были и нетрадиционные, но о них позже) его бывший сотрудник и друг У. Саржент:[1]

Аккреция, 1941–47 Структура и эволюция звёзд, 1942–64 Нуклеосинтез, 1946–74 Космология, 1948–2001 Межзвёздная среда, 1962–2001

Эти темы переплетаются, дополняя и развивая друг друга. Притом Хойл был не только теоретиком, но становился и практиком–администратором, когда нужно было создать новый телескоп или организовать новый институт. Обо всём этом будет рассказано дальше, а пока обратимся к его первым, ранним работам. Сразу же отмечу, что в мои намерения не входит давать подробный научный анализ работ Хойла, это уже квалифицированно проделали его коллеги. Я хочу дать лишь общее представление о его роли в перечисленных выше областях, а потому буду обходиться без уравнений и ограничусь весьма поверхностными пояснениями тем и предметов его исследований. Заинтересованные в научной стороне читатели найдут оценку вклада Хойла в специальной литературе.[2]

* * * * *

Итак, несмотря на чехарду с руководителями (Р. Пайерлс, М. Прайс, П.А.М. Дирак) Фред всё же выполнил несколько работ по атомной физике, в которых, как позднее вспоминал Пайерлс, разобрался в том, на каких предположениях фундаментальной статьи Э. Ферми 1934 года (где тот теоретически обосновал предложенную Паули идею существования нейтрино) следовало основываться и какие из них вытекают следствия. Две из этих вполне добротных статей[3] были напечатаны в Nature [4], причём одна из них в соавторстве с тем же Пайерлсом и будущим Нобелевским лауреатом Гансом Бете[5] (оба они вскоре примут самое активное участие в американском атомном проекте). Однако ни Пайерлс, ни Хойл не упоминают об отрицательном отзыве Паули на подготовленную Фредом в 1938 году, но так и не опубликованную статью: «К сожалению, я не вижу, как можно спасти хоть что-то из сделанной Хойлом работы»,— писал Паули Пайерлсу. «Два последних раздела полностью противоречат истине, а в заглавии второго раздела вместо “упрощение” следовало бы написать “усложнение”». В письме другому коллеге Паули отмечал:

«Рассуждения Хойла совершенно неверны, так что ему пришлось отказаться от публикации результатов (но это главным образом вина Пайерлса, а не Хойла)»[6].

Возможно, по этой причине Хойл ушёл от Пайерлса к Морису Прайсу.

Как бы то ни было, в 1939 году Хойл опубликовал две статьи, в которых развивал квантовую электродинамику и без особого успеха пытался избавиться от возникавших в расчётах бесконечностей[7]. В окончательном виде квантовая электродинамика была построена лишь в конце 1940-х — начале 1950-х годов.

Казалось бы, начало положено и в целом неплохое, но, как мы видели, Фред решил оставить атомную физику и переключиться на что-то другое. О его мотивах речь уже шла раньше, решение было принято и нужно было определяться, чем заняться теперь. По его словам, он колебался между астрономией и биологией. Астрономией и астрофизикой — вот чем в конце концов решил заниматься Хойл. Помимо упомянутых выше причин приведу и свидетельство его младшего коллеги по работе над морским радаром.

Тот спросил Хойла, чем бы ему стоило заняться после войны, и Фред посоветовал пойти в астрофизику.

«Ведущие британские специалисты в этой области — Эддингтон, Джинс и Милн. Из этих троих Джинс и Милн не сделали ничего выдающегося. Эддингтону удалось получить два–три значительных результата, но и он, в целом, посредственность. Там, где главные специалисты такие посредственности, совсем нетрудно быстро сделать себе имя»[8].

Вряд ли можно согласиться со столь суровым суждением, так что придётся списать его на излишнюю амбициозность и молодой максимализм (назвать его юношеским как-то неловко применительно к женатому мужчине и руководителю группы теоретиков). Видимо, Фред считал, что его солидная математическая подготовка, а также знание квантовой механики, атомной физики и теории относительности позволят ему продвинуться гораздо дальше, чем отягощённым классическим грузом «старикам».

Сэр Артур Эддингтон

К сэру Артуру Стэнли Эддингтону (1882–1944) у Фреда было, видимо, особое отношение, недаром он посвятил ему отдельную главу в автобиографии. Что же он говорил о самом влиятельном из английских астрономов того времени?

«Как ни парадоксально, он был одним из самых худших лекторов, но одновременно и одним из самых лучших. Будучи очень ясным в своих письменных трудах, он был поразительно невнятным, когда выступал. Он очень точно двигался. Я никогда не слышал, чтобы о ком-нибудь говорили, что тот ходит педантично, но Эддингтон ходил именно так.

В аудитории он сначала клал на пюпитр свои заметки, потом снимал квадратную академическую шапочку и аккуратно клал её на столик рядом с мелками. Затем он доставал из внутреннего кармана пустой футляр для очков и неторопливо помещал в него пенсне, после чего опускал футляр в тот же карман. Потом вынимал второй футляр, доставал из него другое пенсне, для чтения, водружал его на нос, аккуратно клал футляр в карман и, поглядев на свои заметки, начинал лекцию.

Тут-то и начинались проблемы. Он что-то мычал, а потом замолкал, как казалось, очень надолго. Потом он снова мычал и снова замолкал. Затем тряс головой и говорил: “Нет-нет, всё это неверно”. Похоже, у него была нарушена свзяь между мыслительными процессами и речью. Он начинал говорить с середины предложения и не заканчивал его, запутываясь в придаточных». Но несмотря на всё это, «в каком-то смысле он был прекрасным лектором. Он говорил о больших проблемах, которые заставляли задумываться, и его лекции оказывали гораздо большее влияние, чем гладкие выступления других преподавателей».

Всё-таки Хойл, видимо, не считал Эддингтона такой уж посредственностью, раз выучил его книгу по теории относительности почти наизусть. Ранее сэру Артуру пришлось поправить великих — лорда Кельвина (1824–1907), непогрешимого классика английской физики XIX века, и такого же немецкого классика Германа Людвига Фердинанда фон Гельмгольца (1821–1894).

Лорд Кельвин, Уильям Томсон

Здесь стоит сделать очередное короткое отступление и сказать несколько слов о лорде Кельвине, ранее Уильяме Томсоне, сославшись на другого Томсона (Дж. Дж. 1856–1940), тоже крупнейшего английского физика. По его словам,

«любой рассказ о развитии физики конца прошлого [XIX] века будет похож на постановку Гамлета, в которой не участвует принц датский, если в нём не будет отражена та роль, которую играл лорд Кельвин, более сорока лет, вплоть до своей смерти в 1907 году, оказывавший наибольшее влияние на английскую физику.

Образование, полученное Кельвином, весьма поучительно для всех, кто преподаёт. Он был одним из семи детей. Мать умерла, когда ему было всего шесть лет. Отец, профессор математики в Глазго, остался с большой семьёй, причём его преподавательская деятельность была весьма интенсивной. Дети совсем не посещали школу. Няни не было, а потому они иногда попадались на глаза отцу, так что тот был вынужден сажать их на задние скамьи аудитории. Профессор был однажды чрезвычайно поражён, когда десятилетний Вилли самостоятельно решил сложную задачу, которая ставила в тупик даже студентов. И Вилли скоро оказался в числе студентов первого курса. Большинство студенческих премий доставались ему, однако он воздержался от сдачи последних экзаменов, которые могли бы обеспечить ему степень; таким образом, он отправился в Кембридж снова в роли студента. До поступления в Кембридж в возрасте шестнадцати лет, он уже изучил работы Лапласа, Лагранжа, Пуассона, Фурье и других классиков. В отличие от многих вундеркиндов, Кельвин имел вполне нормальную внешность, а его поведение ничем не отличалось от поведения сверстников»[9].

Уже в зрелые годы лорд Кельвин попробовал оценить возраст звёзд, в частности Солнца. У него получалось, что если бы солнечное вещество просто сгорало, как уголь в печке, то всей его массы хватило бы всего на несколько тысяч лет. Этого было явно недостаточно. Пополнение массы за счёт падающих на Солнце комет положения также не спасало. Тогда Кельвин (и Гельмгольц) предположили, что дополнительная энергия может поступать за счёт силы тяжести самой звезды. По мере гравитационного сжатия в недрах Солнца и других звёзд должно выделяться тепло, которое могло бы компенсировать потери энергии за счёт излучения. Расчёты показали, что в таком случае массы хватило бы примерно на 10 миллионов лет. Это было гораздо больше, чем несколько тысяч лет, а потому Кельвин постановил, что Солнечной системе должно быть около 10 миллионов лет. А поскольку он был непререкаемым авторитетом классической физики (кстати, полностью отвергавшим теорию электромагнитного поля Максвелла, другом и покровителем которого тем не менее был), то все должны были просто принять это число как данность.

Вот что лорд Кельвин написал в заключение своих выкладок:

«Представляется весьма маловероятным, чтобы Солнце освещало Землю в течение 100,000,000 лет, и уж тем более никак не в течение 500,000,000 лет. Относительно будущего можно с такой же определённостью утверждать, что жители Земли не смогут наслаждаться светом, столь необходимым для жизни, в течение ещё многих миллионов лет, если, конечно, в сокровенных тайниках природы не хранится новый, пока неизвестный источник энергии»[10].

Десять миллионов лет могли бы показаться весьма солидным возрастом, если бы не геологические данные. Геологи упрямо утверждали, что Земля существовала гораздо дольше — сотни миллионов, если не пару-тройку миллиардов лет, откуда следовал абсурдный вывод — Земля оказывалась старше Солнца. Однако Кельвин и многие его последователи были склонны больше доверять физике, чем геологии, которая не имела статуса точной науки.

Насчёт возраста Солнца Кельвин ошибся, а вот в отношении неизвестного источника энергии оказался прав — вот что значит великий! Через каких-то десять лет Эйнштейн создал специальную теорию относительности с его знаменитой формулой E=mc2. Масса может превращаться в энергию. Вот и новый её источник, но нужно было ещё определить физический механизм преобразования массы в энергию. Тут открывалось большое поле для деятельности. Приведу довольно длинную цитату из популярной статьи «посредственности» Джинса 1927 года [11].

«… Допустим, что в недрах Солнца имеют место явления, в результате которых может произойти не только замедление движения молекул, но и совершенное их уничтожение. В таком случае вся масса уничтожаемой молекулы превратится в энергию, и вся масса Солнца (2 x 1027 тонн) становится доступной для перехода в излучение; при его современной интенсивности (250 x 106 тонн в минуту) масса Солнца могла бы служить источником излучения на 15 биллионов (15 x 1012) лет[12].

Наиболее приемлемый для нас процесс, который мог бы влечь за собой полное превращение массы в радиацию, заключается в совмещениях положительных и отрицательных электрических зарядов, из которых образована вся материя, и в их взаимном уничтожении. Современные исследования доказали совершенно убедительно, что атом водорода состоит из двух электрически заряженных частиц, из которых одна — электрон — имеет отрицательный, а другая — протон — положительный заряд; ничего другого в этом атоме нет. Если бы обе эти частицы можно было фактически совместить друг с другом, то, как естественно предположить, произойдёт взаимное уничтожение зарядов; а так как мы не можем допустить существования незаряженных электронов и протонов, мы можем с известным основанием считать, что электрон и протон совершенно уничтожат друг друга. Таким образом, при совмещении электрона и протона водородного атома вся его масса должна быть превращена в излучение. Конечно, нельзя считать правдоподобным, чтобы более сложные атомы уничтожались в результате уже одного процесса такого рода; более вероятно, что здесь будет происходить последовательное совпадение электронов с протонами, каждый раз по одному, так что атом будет постепенно уменьшать свою массу и, конечно, сложность своей структуры. Но детали этого процесса несущественны; каким бы актом ни достигалось уничтожение материи, результат будет одинаковым, так же, конечно, как и общее количество освобождаемого излучения».

Были и другие идеи, которые оказались немного ближе к истине. Французский физик Жан Батист Перрен (1870–1942) в 1919 году предположил, что источником энергии звёзд может быть слияние лёгких атомов в более тяжёлые, например, образование радия из гелия. Эддингтон одним из первых около 1920 года указал на то, что источником энергии звёзд может быть ядерная реакция превращения водорода в гелий. Конкретный вид такой реакции он предложить не мог и отдал задачу на откуп коллегам-физикам из Кавендишской лаборатории в том же Кембридже, где работал великий Резерфорд и занимались проблемами атомного ядра. Физики прикинули при каких температурах может протекать такая реакция и постановили, что она очень высока и звёзды для этого недостаточно горячие. Тогда-то разозлённый Эддингтон и посоветовал коллегам пойти и поискать во Вселенной место потеплее[13]. Он оказался прав — в 1938–39 годах Ганс Бете (с которым незадолго до того опубликовал совместную работу Хойл) дал описание процессов синтеза гелия из водорода в звёздах. В 1967 году он был удостоен Нобелевской премии по физике «За вклад в теорию ядерных реакций, особенно за открытия, касающиеся источников энергии звёзд». Как знать, останься Фред в ядерной физике и продолжай он сотрудничать с Бете, может быть он и разделил бы с ним премию 1967 года. (Кстати, Ганс Бете дожил до весьма почтенного 98-летнего возраста и скончался в 2005 году.)

Астрономы тоже не сидели сложа руки. Задолго до прояснения источника энергии звёзд они визуально установили, что звёзды бывают разной массы, разного размера и разной светимости. Была установлена эмпирическая зависимость между абсолютной звёздной величиной, светимостью, спектральным классом и температурой поверхности звезды. Стало очевидно, что по мере «старения» звёзд и их «выгорания» указанные параметры как-то изменялись. Звёзды должны были эволюционировать. Астрономы Герцшпрунг и Рассел предложили диаграмму, носящую их имя, которая позволяла проследить процесс такой эволюции.

Эддингтон внёс большой вклад в понимание процесса звёздной эволюции. В 1920-е годы он часто вступал в полемику по этому вопросу с Джинсом и с другим крупным математиком Милном. Хойлу позже рассказывали, что на заседаниях Королевского астрономического общества, где происходили эти дебаты, Эддингтон, казалось, всегда проигрывал, потому как из-за застенчивости не мог спорить и вообще был не в состоянии договорить фразу до конца. Но на бумаге, в своих работах он всегда одерживал верх, хотя, как пишет Хойл, «получение им точных количественных результатов на основе весьма шатких данных граничило с чудом».

В начале 1940 года Хойл посетил Эддингтона в Кембридже (ещё до того, как Адмиралтейство отправило его дорабатывать морские радары); ему нужно было подписать у Эддингтона, как секретаря Королевского астрономического общества, какую-то бумагу. Вся процедура должна была занять не больше минуты, но вдруг Эддингтон, преодолев застенчивость, спросил над чем работает Фред. Это было полной неожиданностью, но поскольку Хойл застенчивостью не страдал, то пустился в объяснения, и в итоге просидел с Эддингтоном больше двух часов. Они, наверное, проговорили бы и дольше, если бы не наступило святое для англичан время чаепития. Эддингтон на полуслове прервал беседу и удалился в свои приватные покои.

В те времена Плюмианский профессор, которым был сэр Артур, по традиции имел право занимать пристройку к обсерватории. Преемник Эддингтона на этом посту в 1946 году отказался переехать туда на жительство, а когда в 1958 году настал черёд Хойла занять этот пост, то традиция уже не соблюдалась, о чём Хойл, очевидно, весьма сожалел. Как он позже выразился: «Я унаследовал титул, но не поместье».

В автобиографии Хойл не упомянул о том, что сделало Эддингтона знаменитым в глазах широкой публики. В мае 1919 года тот организовал две астрономические экспедиции к берегам Африки и в Южную Америку для наблюдения полного солнечного затмения. Целью экспедиций была проверка предсказаний общей теории относительности Эйнштейна. Если бы Эйнштейн оказался прав, то изображения звёзд, расположенных около края Солнца, должны были бы сместиться под действием поля тяготения нашего светила, как то следовало из общей теории относительности. Фотопластинки экспедиции Эддингтона подтвердили правоту Эйнштейна, и тот в одночасье стал мировой знаменитостью.

Почти во всех публикациях об экспедиции Эддингтона к берегам Африки (экспедицию в Южную Америку возглавлял Королевский астроном сэр Фрэнк Дайсон, однофамилец, но не родственник упоминавшегося раньше Фримена Дайсона), как само собой разумеющееся называется стремление сэра Артура подтвердить справедливость теории Эйнштейна и восстановить нарушенное Первой мировой войной научное сотрудничество с Германией. Якобы таковы были мотивы Эддингтона. Однако похоже, что дело обстояло несколько иначе. Вот как пишет об этом Субраманьян Чандрасекар.

«Однажды я выразил Эддингтону своё восхищение его научной смелостью при планировании экспедиции в столь сложных условиях. К моему удивлению, тот не видел в этом никакой своей заслуги. Если бы всё зависело только от него, то он вообще не организовывал бы никакой экспедиции, потому как нисколько не сомневался в справедливости общей теории относительности. И далее он рассказал следующую историю.

В 1917 году в Англии был принят закон о всеобщей воинской обязанности, и Эддингтон, которому тогда исполнилось 34 года, подпадал под призыв. Но он был квакером, и религия запрещала ему держать оружие. Все об этом знали и ожидали, что по этой причине он откажется быть призванным. В то время к отказникам относились очень плохо, общество клеймило и презирало их. Поэтому тогдашние столпы Кембриджа, в том числе Лармор[14], попытались уговорить министерство внутренних дел освободить Эддингтона от призыва как одного из крупнейших английских учёных, который принесёт стране гораздо больше пользы в кабинете, чем на поле брани. Все тогда хорошо помнили о гибели на фронте Мозли[15].

Лармору с коллегами удалось убедить министерство, которое направило Эддингтону форму, извещавшую его об освобождении от призыва, и тому следовало лишь подписать и отправить её обратно. Он подписал её, но сделал приписку, где сообщал, что если бы его не освободили от призыва по указанной причине, он всё равно отказался бы служить из-за своих религиозных убеждений. Естественно, министерство было поставлено в дурацкое положение, потому как отказников полагалось отправлять в лагерь, да и Лармор с коллегами очень разозлились на Эддингтона, который так их подставил. Сам же Эддингтон не видел, за что было на него злиться. Раз уж многие его братья-квакеры оказались в лагере и чистили там картошку, то почему бы и ему не быть с ними. Как бы то ни было, но, видимо, при участии Дайсона, который как Королевский астроном имел тесные контакты с Адмиралтейством, Эддингтона всё-таки освободили от призыва, при том, однако, явно прописанном условии, что если война закончится к маю 1919 года, он будет обязан организовать экспедицию для проверки предсказаний теории Эйнштейна![16]»

Видимо, Королевский астроном не был так уж уверен в справедливости общей теории относительности.

Кстати, сегодня справедливость как специальной, так и общей теорий относительности подтверждается миллионами людей много раз в день. Сейчас в машинах, в мобильных телефонах, планшетных компьютерах и даже в часах есть навигаторы. Навигаторы позволяют определять положение с точностью до нескольких метров, постоянно получая сигналы от движущихся вокруг Земли навигационных спутников. Для этого часы спутников должны идти с точностью до 20–30 наносекунд (миллиардных долей секунды). Встроенное в навигаторы программное обеспечение, получая сигналы времени от различных навигационных спутников, и позволяет определять положение навигатора на Земле. Поскольку спутники движутся относительно Земли с довольно большой по земным меркам скоростью, приходится вносить поправку на очень незначительное следующее из специальной теории относительности замедление хода спутниковых часов — 7 микросекунд (миллионных долей секунды). Из общей же теории относительности следует, что чем слабее поле тяготения, тем часы идут быстрее, а так как спутники летят высоко над Землей, где сила притяжения чуть меньше, время для них идёт на 45 микросекунд быстрее. Таким образом, для синхронизации часов спутников с наземными часами вашего навигатора нужно для спутников вводить задержку в 38 микросекунд. Без учёта этих релятивистских поправок навигатор стал бы врать уже через две минуты, а за день ошибка в определении местоположения на Земле составляла бы уже около 10 километров! Надеюсь, что теперь, глядя на экранчик навигатора в вашей машине, вы будете с благодарностью вспоминать Эйнштейна.

И последнее, чтобы закончить о великих. В 2008 году английская компания HBO в сотрудничестве с Би-Би-Си выпустила фильм «Эйнштейн и Эддингтон». Если вам не повезло и вы его видели, то поскорее забудьте. Если не видели — не смотрите никогда. Молодой Эйнштейн изображён там эксцентричным полуидиотом, бегающим по городу с всклокоченными волосами и сидящим на полу с Максом Планком, с чопорнейшим тайным советником Планком, старше его по возрасту и неизмеримо выше по общественному положению! Вторая жена Эйнштейна показана в виде юной девы, тогда как она была разведённой зрелой женщиной с двумя дочерьми. Об Эддингтоне мы узнаём лишь, что он, возможно, был скрытым геем, отвратительно играл в теннис и позволял, чтобы ему плевали в лицо. Зачем нужно было создавать такое «произведение», якобы изображающее двух выдающихся людей, совершенно непонятно.

* * * * *

Но вернёмся к Хойлу. Очевидно, ему было что рассказать Эддингтону, раз тот провёл с ним два часа вместо пары минут. Видимо, Фред уже набрёл к тому времени на что-то заслуживающее внимания. А началось это так.

Рэймонд Литлтон

Студентом Хойл был старостой научного кружка, и в его обязанности входило находить лекторов и приглашать их выступить. Мы уже видели, что Дирака он уговорил, а вот с другим, гораздо менее знаменитым потенциальным лектором поначалу вышла осечка. Фред решил позвать Рэя Литлтона, молодого математика, ненамного старше его, который занимал скромную должность младшего преподавателя. Сославшись на большую загруженность, Литлтон наотрез отказался выступать перед членами кружка. Раздосадованный Фред вышел из кабинета, но, не пройдя и двух шагов, вернулся, без стука открыл дверь и с порога прокричал: «Надеюсь, когда-нибудь я смогу отплатить Вам тем же». Как позже написал Хойл:

«Если бы не этот импульсивный поступок, моя жизнь могла бы пойти совсем по другому руслу».

Литлтон не только не обиделся, но, напротив, расхохотался, пригласил Фреда войти и угостил его чаем. Я очень люблю эту английскую привычку. Какое бы несчастье ни случилось — пожар, наводнение или убийство, как у Агаты Кристи, чтобы к англичанину вернулось самообладание, он должен выпить чашку чаю. Если англичанин в чём-то некомпетентен или просто не расположен делать что-то ему неприятное, то он говорит: «This is not my cup of tea» (буквально, это не моя чашка чая).

Литлтон рассказал Фреду, что полностью погружён в интересную астрономическую задачу, и, кажется, обнаружил что-то новое. Он установил, что Эддингтон вроде бы недооценил количество вещества, которое массивное тело может захватывать при прохождении через разреженный газ, и попросил Хойла проверить его выкладки. Такой процесс захвата вещества носит научное название «аккреции» и играет немаловажную роль в астрономии и астрофизике. «Именно с этой задачи и начался мой переход от теоретической физики к астрономии», — напишет позднее Хойл.

В первой же совместной статье Литлтон и Хойл сразу замахнулись на многое. Называлась она «Влияние межзвёздного вещества на климатические изменения»[17] и была напечатана в том же выпуске журнала, что и две статьи Хойла по квантовой электродинамике.

Первоначально статья предназначалась к публикации в другом журнале — в ежемесячнике трудов Королевского астрономического общества (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), членом которого к тому времени уже являлся Литлтон (вскоре Хойл тоже станет его членом, а в 1971 году и президентом этого общества). Статья была получена редколлегией и, как принято, направлена рецензентам, давшим отрицательный отзыв. Работа была признана «непригодной для публикации».

«Молодой автор, чувствующий в себе способность к великим открытиям, принесёт себе немалую пользу, обеспечив благоприятное отношение научного мира к себе какой-либо работой, предмет которой достаточно ограничен и значение которой легко устанавливается; и лишь потом следует отправляться в более дальний полёт».

Хойл или не знал об этом наставлении многоопытного лорда Рэлея, или решил его игнорировать.

Так произошло первое столкновение Хойла с «тёмными» рецензентами, а потом таких стычек было в его жизни множество. Но первый щелчок оказался очень болезненным. Он весьма критически относился к принятым процедурам рецензирования статей. «Редакторы и научные общества позволяют рецензентам оставаться анонимными, и я никогда не мог смириться с такой практикой, сильно подверженной коррупции. Нередко коррупция становится очевидной. Совершенно неправильно, что неизвестные лица получают доступ к новым работам на несколько месяцев раньше других исследователей, и чем важнее работа, тем шире поле для сомнительных действий. Известны случаи, когда рецензент отвергал какую-то работу, а потом использовал результаты, к которым получил доступ. С другой стороны, добросовестный и честный человек может перестать независимо развивать свои идеи, если к нему на рецензию попадёт работа другого исследователя, содержащая подобные идеи. Мне рассказывали, что Вольфганг Паули по этой причине не опубликовал того, что теперь называется уравнением Шрёдингера».

* * * * *

Раз уж речь зашла о рецензентах, расскажу историю, которая произошла с Эйнштейном. Как известно, в 1933 году с приходом к власти Гитлера он навсегда покинул Германию и поселился в США. До того Эйнштейн публиковался в основном в немецких журналах, где его работы печатались сразу же по получении, поскольку он уже был великим, да впрочем, и других тоже печатали без особых проволочек. По приезде в Штаты он опубликовал несколько работ в американских журналах, в том числе и в Physical Review, который быстро завоёвывал репутацию ведущего физического журнала мира. Но вот, летом 1936 года он послал туда написанную вместе с Натаном Розеном статью под названием «Существуют ли гравитационные волны?» и примерно через месяц получил из редакции подробные комментарии и рекомендации рецензента аж на десяти страницах. Эйнштейн разгневался и отправил в журнал письмо следующего содержания:

«Мы (г-н Розен и я) направили рукопись в вашу редакцию для опубликования и не давали разрешения на ознакомление с ней специалистов до её выхода в свет. Я не вижу причин, по которым я должен реагировать на комментарии вашего анонимного эксперта, тем более, что они явно ошибочны. Посему я намерен опубликовать эту работу в другом журнале.

С уважением, А. Эйнштейн

P.S. Г-н Розен, который отбыл в Советский Союз [он преподавал в Киеве в 1936–1938 годах], уполномочил меня представлять его интересы в этом деле».

Эйнштейн сдержал слово и отправил статью в другой журнал, который тут же принял её к публикации. Тем временем, «анонимный эксперт», совершенно убеждённый в том, что Эйнштейн с Розеном пришли к ошибочному выводу об отсутствии гравитационных волн, и не желая, чтобы великий учёный попал в неловкое положение из-за своего упрямства, изложил свои доводы другому соратнику Эйнштейна — Леопольду Инфельду, который полностью с ним согласился. Инфельду удалось уговорить Эйнштейна пересмотреть свои выводы, и тот, буквально в последний перед публикацией момент, радикально переменил своё мнение. В итоге, статья вышла под названием «О гравитационных волнах»[18], и речь об их отсутствии, как в исходном варианте статьи, уже не шла[19].

Только через 69 лет после описанных событий, когда уже никого из участников не было в живых, редакция разгласила имя рецензента. Им оказался известный американский физик, крупнейший специалист по общей теории относительности, автор важных работ по космологии Говард Перси Робертсон (1903–1961). Мораль сей истории, подробно рассказанной в журнале Physics Today за сентябрь 2005 года, такова: иногда рецензенты бывают правы.

* * * * *

По поводу нравов современных ему астрономов Хойл высказывался весьма саркастически. «Отвергать работы друг друга у астрономов самое обычное дело, если, конечно, это не скучнейшие статьи, повторяющие избитые истины. Так оно и было на протяжении всех пятидесяти лет. В конце 60-х годов на одной из международных конференций я сорвался и в запальчивости воскликнул: “Похоже, астрономы живут в постоянном страхе — как бы им не открыть что-то действительно важное!”». То, что после такого и подобных заявлений Хойла потом всё же избрали президентом Королевского астрономического общества, несомненно, делает честь терпимости британских учёных.

Ф. Хойл и Р. Литлтон (справа), Москва, 1958 год

Что же было такого в статье Литлтона и Хойла, что сделало её непригодной для публикации?

Авторы рассматривают прохождение звезды, в частном случае Солнца, через область, заполненную межзвёздным веществом, наличие которого астрономам было известно. Они приходят к выводу о том, что взаимодействие Солнца с этим веществом должно изменять количество лучистой энергии, поступающей к планетам, в частности к Земле, что и вызывает непериодические изменения климата, в том числе ледниковые периоды. Они оценивают, как часто Солнце могло попадать в скопления межзвёздного вещества, и обнаруживают примерное соответствие с похолоданиями и потеплениями климата Земли. Исходя из того, что уголь есть окаменелость древней растительности и залегает он даже в высоких широтах, вплоть до Шпицбергена, они отмечают, что в отдалённом прошлом ледниковые периоды чередовались с периодами жаркого и влажного климата. Дальше Хойл и Литлтон подробно рассматривают механизм аккреции, захвата вещества Солнцем, и оценивают влияние этого процесса на изменение массы светила и Земли. «В данной работе рассматривается процесс, который, похоже, ранее ускользал от внимания исследователей». Авторы подчёркивают, что на климат влияют многие факторы, и они не считают, что их гипотеза отвергает иные причины, но отмечают, что она предлагает количественный подход, и механизм аккреции может действительно играть существенную роль в рассматриваемых процессах.

Эта весьма спекулятивная, но неплохо обоснованная статья, похоже, просто не соответствовала принятым тогда среди астрономов канонам. Она выходила за рамки привычного. Чтобы убедиться в этом, достаточно взять наугад несколько статей, напечатанных в журнале, отвергнувшем работу Хойла и Литлтона, за тот же 1939 год. «Наблюдения затмений в 1938 г. обсерваторией Сиднея», «Звёздные параллаксы, определённые фотографическим путём в Королевской обсерватории», «Переменный спектр α2 Canum Venaticorum», «Покрытие звёзд Луной, наблюдавшееся в обсерватории Мельбурна в 1938 г.» и т.д. и т.п. А тут межзвёздное вещество и его влияние на климат, уголь, да ещё какая-то аккреция. Такую статью нельзя было не отвергнуть.

Любопытно, что в конце концов правы оказались обе стороны. Теперь изменения климата в прошлом объясняются по-иному, так что в этом авторы, похоже, промахнулись (что позднее признавал и сам Хойл), однако, механизм аккреции выжил, правда, в ином контексте — в астрофизике. В обзорной статье[20] упоминаются приложения аккреции к двойным звёздам, нейтронным звёздам, протозвёздным скоплениям, галактикам, источникам рентгеновских лучей. Биограф Хойла С. Миттон указывает, что в 2003 году статья Хойла-Литлтона шла на десятом месте среди всех работ Хойла по числу цитирований, «что совсем неплохо для первой в его жизни работы по астрономии»[21]. Поиск по ресурсу arXiv.org сразу же выдал мне больше сотни результатов по аккреции и Хойлу; в качестве примера приведу лишь одну статью 2012 года «Аккреция Хойла-Литлтона в трёх измерениях»[22]. Особенно популярна идея аккреции применительно к чёрным дырам, которые, как считается, захватывают своим мощнейшим гравитационным полем всё, что оказывается рядом.

Аккреция в окрестности чёрной дыры

В июне 1939 года Хойл и Литлтон решили применить свою идею аккреции ни более ни менее как к эволюции звёзд[23]. Я не буду вдаваться в детали, а просто перечислю некоторые подзаголовки этой статьи: «Процесс аккреции межзвёздного вещества», «Средняя скорость аккреции», «Влияние аккреции на скорость звезды», «Возрастание массы звезды со временем», «Эволюция звёзд», и приведу её основной вывод: «Эволюция звёзд почти полностью определяется их скоростями относительно космического облака» (имеются в виду скопления газа и пыли в межзвёздном пространстве).

Во время совместной работы над морским радаром к рассмотрению аккреции подключился Герман Бонди. Вместе они смогли получить оценку по порядку величины скорости аккреции и вывели формулу для торможения звезды при прохождении через облако газа. Их результаты были опубликованы в совместной статье 1944 года[24]. В последующие годы они применили понятие аккреции к эволюции звёзд, солнечной короне и т.п., но, по словам Бонди, «немногие из наших результатов выдержали проверку временем».

В сентябре-октябре того же 1939 года в Nature появилась довольно обстоятельная статья Г. Гамова, профессора университета Джорджа Вашингтона в США (с Георгием Антоновичем мы ещё неоднократно встретимся), в которой он обсуждал звёздную эволюцию на основе ядерных реакций, которые могли протекать в недрах звёзд[25]. Выполнив детальный обзор исследований в области ядерной физики, Гамов пришёл к следующему выводу:

«… современный уровень знаний позволяет утверждать, что проблема источников звёздной энергии и основных характеристик эволюции звёзд в настоящее время практически решена».

В декабре Хойл и Литлтон на страницах того же журнала Nature вступили с Гамовым в полемику[26]. Отметив его квалифицированный обзор современного состояния проблемы, они пишут: «Удивительно, что в своей статье проф. Гамов делает вывод, будто все проблемы звёздной эволюции практически решены. Это утверждение представляется нам настолько далёким от истины, что было бы весьма желательно продолжить дискуссию о том, насколько ядерная теория может претендовать на роль главного фактора в звёздной эволюции». Возможно, Хойла и Литлтона особенно уязвило то, что Гамов в своей обзорной статье даже не сослался на их работы. И вообще, налицо конфликт — они утверждают, что эволюция звёзд «почти полностью определяется их скоростями относительно космического облака», а Гамов заявляет, что проблему эволюции звёзд уже решила ядерная физика.

Следующие фразы почти наверняка написаны Хойлом. «Следует отметить, что ядерная теория в её современном состоянии неизбежно приводит к результатам, по крайней мере, столь же обескураживающим, сколь и проблемы, которые она пытается разрешить. Так, из теории следует, что за исключением самых лёгких элементов синтез других элементов из водорода невозможен. Отсюда следует, что тяжёлые элементы в звёздах синтезироваться не могут. Хотя такой вывод и не приводит к логическим противоречиям, он представляется нам вызывающим непреодолимые трудности, а потому разумнее было бы заключить, что это ядерная теория нуждается в пересмотре, а не наше представление об образовании тяжёлых элементов в звёздах».

И резюме:

«Как нам представляется, проф. Гамов переоценил важность ядерной теории в эволюции звёзд. По нашему мнению, ядерная физика может очень мало добавить к результатам, уже полученным в астрофизике, и может использоваться лишь для их подтверждения».

Вообще говоря, не совсем понятно, почему Хойл со своим другом так нападали на ядерную физику и настаивали на чисто динамических соображениях. Не сказалось ли здесь влияние «чистого математика» Литлтона? Ведь Фред неплохо разбирался в ядерной физике, наверняка был знаком с работами Ганса Бете по источникам энергии в звёздах (о чём шла речь ранее), знал об идеях Эддингтона и, тем не менее, продолжал настаивать на аккреции. А ведь уже в этой статье, в процитированном выше параграфе он фактически поставил себе задачу — показать, как в звёздах могут синтезироваться тяжёлые элементы. Эту задачу он в конце концов с блеском решил, причём именно с использованием ядерной физики. Правда, на это потребовалось около десятка лет, и не обошлось без участия коллег, но решение задачи сделало Хойла классиком. Он показал, что все мы состоим из звёздной пыли, из вещества, давным-давно «сваренного» в недрах звёзд, уже угасших. Не знаю кого как, а меня это как-то греет.

Но об этом позже. А пока Хойл и Литлтон продолжают выдавать на гора статьи по аккреции[27]. В январе 1940 года, они пишут в выводах: «Дополнительно обсуждается скорость аккреции межзвёздного вещества. Показано, что рассматриваемая скорость достаточна для эволюции большинства звёзд, но она по крайней мере в десять раз меньше той, что требуется для удовлетворительного описания общей эволюции массивных звёзд и компактных двойных систем малой массы». Значит, нужно развивать и уточнять теорию и дальше. В феврале 1940 года журнал Observatory печатает очередную работу по эволюции звёзд[28], в мае выходит ещё одна[29].

В выпуске Nature от 20 июля 1940 года опубликованы реакция Г. Гамова на критику Хойла и Литлтона и их ответ. Приведу выдержки из этой занятной полемики.

Гамов:

«Как представляется, различие в наших подходах, в основном, заключается в том, что, по моему мнению, масса звёзд остаётся в ходе эволюции примерно постоянной, тогда как Хойл и Литлтон полагают, что энергия звёзд, хотя и получаемая за счёт ядерных реакций, на самом деле попадает к звёздам за счёт космического вещества, поступающего к звёздам при их движении в пространстве. Однако, легко видеть, что оценка скорости аккреции, полученная Хойлом и Литлтоном, завышена во много тысяч раз, поскольку они не принимали во внимание тепловое движение частиц межзвёздного газа. Кроме того, я не могу согласиться с их утверждением, будто “ядерная теория нуждается в пересмотре”. Современная теория развита достаточно хорошо (как экспериментально, так и теоретически) и в пересмотре не нуждается. Точка зрения Вайцзекера, согласно которой элементы старше звёзд, открывает единственный путь к решению нашей проблемы».

Хойл и Литлтон:

«Проф.  Гамов, похоже, соглашается с нашей точкой зрения, согласно которой аккреция водорода звёздами из космического облака была бы существенной, если бы её скорость была достаточно велика для того, чтобы компенсировать превращение водорода в звёздах. После публикации нашей первой статьи мы смогли существенно продвинуться в рассмотрении физических аспектов этого процесса и показать, что на самом деле упомянутое проф. Гамовым затруднение не возникает».

Далее они приводят подробное техническое обоснование своей точки зрения.

В целом, дискуссия представляет теперь лишь исторический интерес, поскольку с тех пор теория звёздной эволюции продвинулась далеко вперёд (так, например, уже никто не считает, будто тяжёлые элементы старше звёзд), и взгляды оппонентов тоже значительно изменились со временем. Я привёл её здесь, как пример первого противостояния Хойла и Гамова. Позднее им предстоит выдвинуть и отстаивать две основные конкурирующие космологические теории, о чём подробно пойдёт речь дальше.

Интересно также с какой готовностью Фред бросался в бой, защищая свои взгляды. И не только свои, но и те, которые он разделял. Вот пример. Незадолго до начала их сотрудничества Литлтон самостоятельно выдвинул предположение о том, как могла образоваться планетная система вокруг Солнца. По его мнению, планеты образовались, когда мимо двух достаточно близких звёзд, одной из которых было наше Солнце, проходила третья, в результате чего произошёл выброс вещества, из которого затем образовалась Солнечная система. Естественно, эта гипотеза вызвала критические замечания, в частности, астронома Лейтена[30]. Хойл тут же откликается краткой заметкой в журнале Observatory[31]:

«Несмотря на динамическую и математическую состоятельность теории Литлтона, её сурово критиковали на том основании, что она не имеет под собой научной основы, а потому я хотел бы продемонстрировать ложность посылок, на которых основывается такая критика. Как правило, утверждается, что весь процесс “слишком невероятен и базируется на слишком многих предположениях”. Это краткое утверждение резюмирует всю суть приводимой критики».

Дальше Хойл подробно разъясняет, с чем именно он не согласен.

«Похоже, критики не понимают сути проблемы, ведь целью теории не является объяснить, как образовалась Солнечная система. Ни одна теория не может этого сделать, поскольку это событие уже находится в прошлом. На самом деле, проблема в том, чтобы показать, какие можно выбрать условия, при которых применение законов динамики могло бы привести к образованию Солнечной системы. То, что какая-то такая теория может существовать, есть проверка динамики, а не раскапывание прошлого».

Для того, чтобы окончательно пояснить свою мысль, он прибегает к колоритной аналогии:

«Представим себе игрока в гольф, удачно выполнившего дальний удар. Он объясняет, как выбрал позицию, как прикинул необходимую силу удара, чтобы заставить шарик приземлиться как можно ближе к лунке, как учёл внешние факторы, которые могли повлиять на траекторию его полёта. И тут критик заявляет, что эти объяснения абсурдны, потому как совершенно невероятно, чтобы после удара, выполненного с расстояния в сотню метров, шарик упал именно на этот клочок травы».

Здесь обращают на себя внимание два момента. Во-первых, готовность ринуться в бой, невзирая на чины и титулы оппонентов (напомню, что эта заметка была направлена в Observatory, когда Фреду не исполнилось ещё и 25 лет, и он только что закончил университет). Во-вторых, здесь впервые проявляется подход, которого он придерживался всю жизнь. Из наблюдений следует то-то и то-то, значит, нужно попытаться найти физические процессы или явления, которые могут привести к наблюдаемым результатам. Такой подход в не столь отдалённом будущем позволит ему ошеломить и астрономов, и ядерных физиков.

Впрочем, Литлтон тоже за словом в карман не лез. Однажды на заседании Астрономического общества никак не могли решить, стоит ли публиковать какую-то работу. Её уже посылали на отзыв, но мнения разошлись. В конце концов Литлтон не выдержал и сказал, что статью нужно снова послать на рецензию, но компетентным специалистам. На это председательствующий заметил, что её уже посылали самым именитым астрономам, на что Литлтон возразил: «Я сказал компетентным, а не именитым».

Не может не поражать и работоспособность Хойла. За год с небольшим он вместе с Литлтоном и самостоятельно опубликовал около десятка статей! Не все они, конечно, вошли в золотой фонд науки, но это были добротные статьи в стиле «отчётов о проделываемой работе». Создаётся впечатление, что он очень торопился — то ли потому, что хотел как можно скорее создать себе имя, то ли потому, что чувствовал приближение войны, которая неизбежно должна была прервать нормальный ход научной работы и отнять лучшие, молодые, наиболее продуктивные годы.

Так и случилось. Его лихорадочное сотрудничество с Литлтоном продолжалось недолго. Вскоре Адмиралтейство перевело Хойла на другой полигон, и совместная работа практически подошла к концу — совершенствование радара и руководство группой теоретиков отнимали слишком много времени и сил (хотя, как мы увидим позднее, редкие досуги всё же принесли свои плоды).

Перейдём теперь к рассказу о том, чем Хойл занялся сразу же после «демобилизации» из Адмиралтейства.

(продолжение следует)

Литература 

[1] Sargent W.L.W. «Fred Hoyle’s Major Work in the Context of Astronomy and Astrophysics Today», в сборнике «The Scientific Legacy of Fred Hoyle, Cambridge University Press, 2005.

[2] См., например, «The Scientific Legacy of Fred Hoyle», Cambridge University Press, 2005; материалы симпозиума памяти Ф. Хойла вКардиффе, Astrophysics and Space Science, 285, 2003.

[3] F. Hoyle, Proc. Camb. Phil. Soc., 33, 286 (1937). F. Hoyle, Proc. Roy. Soc., A, 166, 249 (1938).

[4] F. Hoyle, Nature, 7 August 1937, p. 235.

[5] H. Bethe, F. Hoyle, R. Peierls, Nature, 4 February 1939, p. 200.

[6] H. Kragh, «Cosmology and Controversy», Princeton University Press, 1996.

[7] F. Hoyle, «Quantum electrodynamics. I and II.» Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 35, 1939. Любопытно, что в этом же выпуске журнала Дирак предложил новую нотацию в квантовой механике — скобки «бра» и «кет», ставшие теперь стандартными обозначениями.

[8] C. Domb, Astrophysics and Space Science, 285, 293–302, 2003.

[9] Цитируется по Э. Монтролл, «К столетию статистической механики», УФН, 1965, 10.

[10] Lord Kelvin, P.G. Tait, «Treatise on Natural Philosophy», vol. 2, Appendix E., London, 1895.

[11] Дж ,Джинс, «Новое в космогонии» J.H ,Jeans, «The New Outlook in Cosmogony.» Washington, 1927. Приводится по УФН, 8, 1928, с. 555-569.

[12] Английский биллион тогда соответствовал тысяче миллиардов.

[13] Он велел им отправиться в ад, to go to hell, что соответствует нашему «пошли к чёрту».

[14] Джозеф Лармор, 1857-1942, крупный физик-теоретик, профессор Кембриджского университета.

[15] Генри Мозли, 1887-1915, британский физик, сотрудник Э. Резерфорда. Установил зависимость между частотой спектральных линий характеристического рентгеновского излучения и атомным номером излучающего элемента. Зависимость была названа законом Мозли. Убит на турецком фронте.

[16] S. Chandrasekhar, «Eddington, The most distinguished astrophysicist of his time», Cambridge University Press, 1983.

[17] F. Hoyle and R.A. Lyttleton. «The effect of interstellar matter on climatic variation», Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 35, 1939.

[18] А. Эйнштейн, Собрание научных трудов, т. 2, с. 438, М. Наука, 1966 г.

[19] Гравитационные волны были впервые зарегистрированы 11 февраля 2016 года. В 2017 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.

[20] R.G. Edgar, A Review of Bondi-Hoyle-Lyttleton Accretion», arXiv:astro-ph/0406166, 2004.

[21] S. Mitton, «Fred Hoyle, A Life in Science», ABC Books, 2005.

[22] J.M. Blondin, E. Raymer, «Hoyle-Lyttleton Accretion in Three Dimensions», arXiv:1204.0717.

[23] F. Hoyle and R.A. Lyttleton, «The Evolution of the Stars», Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 35, 592.

[24] H. Bondi and F. Hoyle, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 104, 273 (1944).

[25] G. Gamow, «Nuclear Reactions in Stellar Evolution», Nature, 144, 3648, 575, 620 (1939).

[26] F. Hoyle and R.A. Lyttleton, «The Evolution of the Stars», Nature, 144, 3659, 1019 (1939).

[27] F. Hoyle and R.A. Lyttleton, «On the Accretion of Matter by Stars», Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 36, pp. 325-330, 1940.

[28] F. Hoyle and R.A. Lyttleton, «The Evolution of the Stars», Observatory, 789, p. 39, 1940.

[29] F. Hoyle and R.A. Lyttleton, «On the Physical Aspects of Accretion by Stars», Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 36, pp. 424-437, 1940.

[30] W.J. Luyten, «On the origin of the solar system», Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 99, p. 692, 1939.

[31] F. Hoyle, «The Origin of the Solar System», Observatory, 783, p. 217, 1939.

 

Оригинал: https://7i.7iskusstv.com/y2022/nomer3/macarsky/