Как Александр Фридман исправил главную ошибку Эйнштейна
Великий физик Альберт Эйнштейн, совершивший революцию в науке и перевернувший представления о природе, бывало, ошибался. Например, он скептически относился к квантовой механике и даже как-то раз в сердцах сказал по этому поводу, что Бог не играет в кости. Но величайшей своей ошибкой сам Эйнштейн считал идею о стационарной Вселенной. Мир виделся ему конечным и в целом неизменным — огромным пузырем с постоянным радиусом; не было момента, когда Вселенная родилась, и никогда она не умрет. Развеял это заблуждение 34-летний Александр Фридман, бывший военный летчик и исследователь земной атмосферы.
Социалисты на Марсе
Фридман родился в Санкт-Петербурге 16 июня 1888 года. Его отец сочинял музыку к балетам, которые ставили в городских театрах, мать преподавала игру на фортепьяно. У Фридмана, по его собственному свидетельству, не было способностей к музыке, хотя и в зрелом возрасте с удовольствием посещал консерваторию, где следил за выступлением музыкантов по партитуре.
Зато Александр проявил блестящие способности к математике и физике. Он стал одним из лучших учеников старейшей в России Второй Санкт-Петербургской гимназии на Казанской улице и еще гимназистом опубликовал вместе со школьным товарищем Яковом Тамаркиным статью о числах Бернулли в престижном журнале "Математические анналы" под редакцией знаменитого Давида Гильберта.
Развернуть
Владимир Стеклов
© Public domain/Wikimedia Commons
Владимир Стеклов
© Public domain/Wikimedia Commons
Помимо науки Фридман интересовался политикой: состоял в ЦК Северной социал-демократической организации средних школ Петербурга, размножал на примитивном гектографе революционные прокламации и хранил их — несколько анекдотическим образом — на Дворцовой набережной в доме деда, служившего при императорском дворе. Уже студентом как-то раз он пришел на встречу кружка, где обсуждали только что открытые "каналы" на Марсе. Собравшиеся услышали от него: "Каналы появились почти внезапно, во всяком случае, они построены очень скоро. Не свидетельствует ли это, что на Марсе уже социализм?"
Окончив гимназию с золотой медалью, Фридман поступил на математическое отделение физмата Санкт-Петербургского университета. Там он учился у знаменитого Владимира Стеклова, имя которого сегодня носит Математический институт РАН. Фридман был одним из любимых учеников Стеклова, но в аспирантуре, к удивлению учителя, предпочел "чистой" математике прикладные задачи изучения атмосферы и устроился на работу в филиал Главной физической обсерватории в Павловске.
Берегитесь Фридмана
Год спустя, когда началась Первая мировая война, снова преподнес сюрприз, попросившись добровольцем на фронт. "Явился неожиданно Фридман. Идет на войну в авиационную роту, командируется Главной физической обсерваторией", — написал Стеклов в дневнике в августе 1914 года. Сам Фридман объяснял свое решение желанием оказать "посильную помощь авиации", введя в практику аэрологические измерения.
Впрочем, посильная помощь не ограничилась кабинетной работой — Фридман участвовал в боевых вылетах. Когда русская армия осадила Перемышль, молодой метеоролог лично сбрасывал бомбы. Немец Генрих фон Фиккер, находившийся в городе, утверждал, что из всех снарядов только фридманский точно попал в цель. Что это был именно его самолет, удалось выяснить при встрече двух ученых в Германии в 1923 году.
Фридман прицеливался по таблицам, составленным с помощью собственного уравнения, где учитывалось сопротивление воздуха. "Сегодня летает Фридман", — предостерегали друг друга немецкие солдаты, если верить апокрифу. За фронтовые заслуги бомбометатель был награжден Георгиевским крестом, золотым оружием и орденом Святого Владимира с мечами и бантом.
"Жизнь" — сплошная потеря времени
Способности Фридмана оценили и за пределами академического сообщества. Сначала его направили в Киев преподавать в школе авиаторов, потом в Москву — организовывать первое в стране производство авиаприборов, затем в Пермь, где ученый не только читал лекции, но и вынужден был занять должность помощника ректора по хозяйственной части.
Смотрите также
Как Макс Планк перевернул представления о реальности и долго не хотел себе верить
В письмах Стеклову Фридман жаловался, что ему "все время что-то поручают". Впрочем, несмотря на огромную загруженность, физик занимался наукой. "Нет, я невежда, я ничего не знаю, надо еще меньше спать, ничем посторонним не заниматься, так как вся эта так называемая жизнь — сплошная потеря времени", — сокрушался он.
В 1920 году Фридман наконец вернулся в вагоне-теплушке из Перми в Петроград, только-только приходящий в себя после Гражданской войны. Вероятно, в те 12 дней, что заняла дорога, он размышлял и о теории относительности Альберта Эйнштейна, тогда еще достаточно экзотической, особенно для российских ученых.
Фридман ознакомился с построениями Эйнштейна еще аспирантом в физическом кружке Пауля Эренфеста, а в Перми занялся поиском аксиом специальной теории относительности. После возвращения в Петербург он начал сотрудничать с Всеволодом Фредериксом, который рассказал ему об общей теории относительности. Вскоре Фридман сам стал учить студентов, а уже летом 1922 года был готов бросить вызов великому Эйнштейну.
И все-таки она расширяется
Представление Эйнштейна о стационарной Вселенной не согласовывалось с его же уравнениями, полученными в рамках общей теории относительности (точнее, такое устройство не было их устойчивым решением), но интуиции ученый доверял больше, чем математике. Эйнштейн решил: если умозрительная модель не соответствует формуле, нужно изменить не модель, а формулу.
Эйнштейн добавил в уравнение дополнительный член, космологическую постоянную. Получалось, что с ростом расстояния материя во Вселенной должна все сильнее сопротивляться гравитации. "С тех пор как я ввел этот параметр, меня не переставала мучить совесть, — писал много позже ученый. — Я никак не мог поверить, что такая уродливая штука может оказаться воплощенной в природе".
Фридман, наоборот, доверял математике больше, чем интуиции. По свидетельству физика Владимира Фока, он говорил: "Мое дело — указать возможные решения уравнений Эйнштейна, а там пусть физики делают с этими решениями, что хотят". Фридман оставил предположение о том, что издалека просторы Вселенной покажутся одинаковыми, откуда и в какую сторону ни посмотри, то есть, говоря научным языком, пространство однородно и изотропно. А гипотезу о неизменности Вселенной во времени Фридман отбросил. Оказалось, решения уравнений Эйнштейна, удовлетворяющие этим условиям, существуют и к тому же не требуют сомнительной космологической постоянной.
Развернуть
Звездное скопление NGC 1783
© ESA/Hubble & NASA
Звездное скопление NGC 1783
© ESA/Hubble & NASA
Предложенные Фридманом решения описывали Вселенную по-разному. В одном случае получалось, что в самом начале радиус мира был нулевым, но в ходе бесконечной эволюции постоянно возрастал; в другом — что в первое мгновение у мира все-таки был конечный радиус, но затем также происходило его бесконечное увеличение; наконец, в третьем случае радиус мира увеличивался от нуля, а в какой-то момент начинал обратно убывать. Из выкладок Фридмана следовало, что Вселенная может расширяться или пульсировать, но у нее точно есть начало, а может быть и конец — или много концов.
Индусское сказание
Таковы были строгие математические выводы, но Фридман отнесся к ним очень осторожно. Последний вариант пульсирующей Вселенной он называл сказанием индусской мифологии о периодах жизни. "Является возможным также говорить о сотворении мира "из ничего", но все это пока должно рассматривать как курьезные факты, не могущие быть солидно подтвержденными недостаточным астрономическим экспериментальным материалом", — писал Фридман в статье.
Смотрите также
Стивен Хокинг — о женщинах, инопланетянах и реальности
Научная работа Фридмана, которую сам автор в переписке скромно называл заметкой, была опубликована летом 1922 года в самом популярном и авторитетном физическом журнале того времени Zeitschrift für Physik. Реакция Альберта Эйнштейна, задетого выводами малоизвестного российского ученого, не заставила себя ждать. Уже 18 сентября в том же журнале вышел его ответ: немецкий физик в достаточно резких выражениях утверждал, что выводы Фридмана не имеют смысла, потому что основаны на ошибке в математических выкладках.
Наверное, дело было не в формулах — просто Эйнштейну очень хотелось, чтобы ошибка в них действительно была. Американский физик Джон Уилер позже рассказывал, что представление Фридмана о пульсирующей Вселенной Эйнштейн некоторое время считал слишком ужасающим, чтобы его принять.
Эйнштейн уехал на дачу
Узнав о критическом отзыве, Фридман написал Эйнштейну пространное письмо, в котором подробно объяснил, почему в его выкладках никакой ошибки нет. Он попросил немца, если тот сочтет доводы убедительными, поместить поправки к его высказыванию в том же журнале Zeitschrift für Physik.
Письмо, однако, Эйнштейн не получил, потому что отправился в продолжительное путешествие по миру — физик даже не смог присутствовать на вручении ему Нобелевской премии в декабре 1922 года. Эйнштейн вернулся в Берлин только в конце марта следующего года, но то ли не придал письму Фридмана значения, то ли оно попросту затерялось среди корреспонденции.
Спустя еще полтора месяца, в мае 1923 года в голландском Лейдене, куда Эйнштейн приехал на прощальную лекцию уходящего в отставку Лоренца, к новоиспеченному Нобелевскому лауреату обратился советский физик Юрий Крутков. Фридман попросил коллегу-теоретика стать посредником в деликатном деле, и Крутков теперь уже устно пересказал Эйнштейну содержание письма.
"Победил Эйнштейна в споре о Фридмане. Честь Петрограда спасена", — написал Крутков в дневнике 18 мая 1923 года. А через пять дней редакция Zeitschrift für Physik получила новую статью Эйнштейна о нестационарной Вселенной. "В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако моя критика, как я убедился по побуждению г-на Круткова из письма Фридмана, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты г-на Фридмана правильными и проливающими новый свет".
Развернуть
Альберт Эйнштейн
© AP Photo
Альберт Эйнштейн
© AP Photo
Вышедший победителем в этом принципиальном споре, важном для всего последующего развития космологии, Александр Фридман имел шансы лично встретиться с Эйнштейном. А августе-сентябре того же 1923 года российский ученый был в Берлине и писал оттуда в письме: "Моя командировка не ладится. Эйнштейн, например, уехал на дачу, и мне его повидать не удастся". Не состоялось личное знакомство и в следующем году, когда Фридман вновь приехал в Германию. Ученые так никогда и не встретились.
Наступает мертвая тишина
Летом 1925 года Фридман вернулся к основному занятию, изучению земной атмосферы, и отправился в исследовательский полет на аэростате, поднявшись на рекордную высоту 7400 метров. Потом он вспоминал: "Любопытны ощущения и переживания в облаках. Полная тишина, полный покой, ничего не видно, не знаешь, над какой местностью летишь. Ни тебя никто не видит, ни ты никого. Полная изолированность. Сначала, правда, доносятся с земли звуки "быта": гудки паровозов, звонки, пение петухов, лай собак и т.п. Когда эти звуки слышишь, чувствуешь себя уютнее, но вскоре эти звуки пропадают. Наступает мертвая тишина".
Свидетельство ученого удивительным образом перекликается с впечатлениями Юрия Гагарина от первого космического полета. Как и Гагарин, Фридман приземлился на колхозном поле, только не в Саратовской, а в соседней Нижегородской области. К нему тоже вышли удивленные крестьяне. Подобно первому космонавту, физику пришлось прочитать зевакам небольшую лекцию, чтобы объяснить смысл своего полета.
Месяц спустя 37-летний Фридман отправился в свадебное путешествие по Крыму с молодой беременной женой. На обратном пути он купил на полустанке груши, съел их немытыми, а через две недели почувствовал недомогание. Это был брюшной тиф. 19 сентября 1925 года Фридмана не стало. По словам его врача, в предсмертном бреду ученый говорил о студентах, вспоминал полет на аэростате и пытался производить какие-то вычисления.
Развернуть
Галактика Messier 63 (Подсолнух), сфотографированная телескопом "Хаббл"
© ESA/Hubble & NASA
Галактика Messier 63 (Подсолнух), сфотографированная телескопом "Хаббл"
© ESA/Hubble & NASA
В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл — это в честь него назван телескоп NASA — обнаружил, что, чем больше расстояние от нас до другой галактики, тем быстрее она убегает еще дальше. Это стало тем самым "астрономическим материалом", на недостаток которого скромно ссылался в своей статье Фридман. Его гипотеза расширения Вселенной получила экспериментальное доказательство.
Позже модель Фридмана дорабатывали с учетом новых данных, и на ней до сих пор строятся научные представления об устройстве мира. Черные дыры, реликтовое излучение, темная материя и темная энергия, субатомные частицы — наблюдения, эксперименты и правдоподобные гипотезы согласуются с этой моделью. Что она не объясняет, так это существование людей. Как было не до мирских забот любопытному скромнику Фридману, так и Вселенной, раскинувшейся на десятки миллиардов световых лет, наверняка нет дела до нас. Зато у нее, судя по нелепой смерти талантливого ученого, есть мрачное чувство юмора.
Сергей Немалевич, внештатный автор научно-популярного сайта "Чердак"
По материалам:
