«Отец расширяющейся Вселенной» /Часть 1/
К 130–летию со дня рождения А.А.Фридмана
Русский и советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман родился 4 (16) июня 1888 г. в Санкт-Петербурге в музыкальной семье. Его отец был артистом кордебалета Императорских Санкт-Петербургских театров, а мать, Людмила Воячек, пианисткой, выпускницей консерватории, дочерью известного чешского музыканта и композитора.
В 1897 г., когда будущему учёному было 9 лет, родители расстались и в дальнейшем он воспитывался в новой семье отца, а также в семьях деда — лекарского помощника Придворного медицинского округа и губернского секретаря Александра Ивановича Фридмана (1839—1910) и тёти, пианистки Марии Александровны Фридман (с матерью А.А.Фридман возобновил отношения лишь незадолго до кончины).
Маленького Александра влекла не музыка, не театр, с ранних лет он увлекался математикой. «Еще в детстве,— вспоминала его вдова, Е.П.Фридман, — для него было придумано самое строгое наказание: его оставляли без уроков арифметики».
В школьные и студенческие годы к этому добавилось еще и увлечение астрономией.
Во время революции 1905 года участвовал в политической деятельности, был членом ЦК Северной социал-демократической организации средних школ Петербурга, печатал на гектографе прокламации.
В 1906 году Александр Фридман окончил с золотой медалью 2-ю Санкт-Петербургскую гимназию и поступил на математическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. В том же году 18-летний Александр опубликовал совместно с одноклассником Я. Д.Тамаркиным свою первую математическую работу по теории чисел в одном из ведущих научных журналов Германии "Математические анналы" ("Mathematische Annalen"). Работа была положительно оценена самим Д.Гильбертом.
Годы учебы в университете были решающими для всей дальнейшей судьбы А.А. Фридмана. Его учителем, надежной защитой и опорой стал блестящий математик Владимир Андреевич Стеклов, имя которого носит сейчас Математический институт Академии наук РФ. Профессор Стеклов, перебравшийся в Петербург из Харькова, был необычайно ярким человеком, будущим академиком и вице-президентом РАН. Он оказал огромное влияние на становление молодого ученого.
Студенческие годы Александра Александровича пришлись на время бурной политической активности. Университет бурлил: студенты проводили забастовки, участвовали на сходках. Лекции читались нерегулярно, а во время забастовок и вовсе не читались. Экзамены сдавались круглый год (без сессий), по мере подготовки. Эти обстоятельства требовали серьезной самостоятельной работы студентов и обусловили создание на факультетах различных студенческих кружков. При активном участии А. Фридмана были организованы математический и физический кружки. Зимой 1910/11 года по его идее группа студентов стала собираться на своеобразный семинар, на котором каждый студент читал целый раздел науки. Также известно, что А.А. Фридман и Я.Д. Тамаркин посещали знаменитый «Kruschok», организованный в 1908 году недавно приехавшим из Германии П. С. Эренфестом, которого Фридман считал, как и Стеклова, одним из своих учителей.
Активное участие в эти годы Александр Александрович также принимал в издании литографским способом курсов лекций университетских профессоров. В 1910 г. он подрабатывает в «Вопросах физики» - приложении к «Журналу русского физико-химического общества».
Будучи студентом, А.А. Фридман написал ряд работ, из которых одна - "Исследование неопределенных уравнений второй степени" - в 1909 году была удостоена золотой медали. В 1910 году Александр окончил Санкт-Петербургский университет и по рекомендации В.А. Стеклова вместе со своим другом, Яковом Тамаркиным, был оставлен на кафедре чистой и прикладной математики для подготовки к профессорскому званию.
В 1911 г. он женился на Екатерине Петровне Дорофеевой, домашней наставнице (как значится в сохранившемся документе — заявлении Александра Александровича на имя ректора университета с «почтеннейшей просьбой о разрешении вступить в брак»). Это звание давали Высшие женские (бестужевские) курсы, которые окончила Е. П. Дорофеева.
В письме своему учителю В.А.Стеклову Фридман в 1911 году писал: «Многоуважаемый Владимир Андреевич, пришлось мне вспомнить изречение, о котором Вы говорили этой весной: «Поступай, как знаешь, - всё равно жалеть будешь». Дело в том, что я решил жениться. Я уже говорил Вам в общих чертах о своей невесте. Она учится на курсах (математичка); зовут её Екатерина Петровна Дорофеева, немного старше меня, думаю, что женитьба не отразится на занятиях неблагоприятно».
Екатерина всю жизнь была ему верным товарищем и помощником.
До весны 1913 года Фридман занимался математикой - руководил практическими занятиями в Институте инженеров путей сообщения (1910-1914), читал лекции в Горном институте (1912-1914). А весной 1913 года, после сдачи магистерских экзаменов, он поступил на работу в Аэрологическую обсерваторию Российской Академии наук в Павловске под Петербургом и стал заниматься изучением способов наблюдения атмосферы, динамической метеорологией (теперь эту область науки называют геофизической гидродинамикой).
Кроме синоптики и динамической метеорологии, ему пришлось ознакомиться с теорией земного магнетизма. Скоро он стал выдающимся специалистом в метеорологии и смежных областях. В 1913 году Фридман напечатал в "Географическом сборнике" очень важную работу "О распределении температуры воздуха с высотою". В этой работе он теоретически рассматривал вопрос о существовании верхней инверсии температуры (в стратосфере).
Вместе с женой Фридман в 1913 г. переехал в Павловск, поближе к месту работы в обсерватории. Здесь у них в гостях часто бывали супруги Стекловы. Из дневников В.А.Стеклова видно, что в последующие годы на стекловские вечера, устраивавшиеся для учеников, Александр Александрович приходил вместе с Екатериной Петровной.
Весной 1914 года Фридман был направлен на стажировку в Лейпциг, где в это время жил известный норвежский метеоролог Вильгельм Фриман Корен Бьеркнес, создатель теории фронтов в атмосфере. Александр Александрович познакомился со многими известными метеорологами, что помогло ему впоследствии, после мировой и гражданской войн, восстановить научные связи советских метеорологов с зарубежными коллегами. В Лейпциге совместно с Т. Хессельбергом им была написана работа «Порядок величины метеорологических элементов и их пространственных и временных производных», опубликованная в «Трудах Геофизического института Лейпцигского университета».
Одним из результатов работы в Лейпциге стало появление статьи «Значение линий тока воздушных течений для воздухоплавания» в журнале «Техника воздухоплавания», в этой статье дается ряд практических указаний пилотам, как пользоваться картой линий тока для уменьшения полетного времени.
Летом того же года Фридман летал на дирижаблях, принимая участие в подготовке к наблюдению солнечного затмения в августе 1914 года.
С началом Первой мировой войны Фридман вступил добровольцем в авиационный отряд, действовавший на Северном фронте. Начав с рядового, быстро дослужился до ефрейтора, а летом 1915 года получил первый офицерский чин – прапорщика.
В 1914-1917 годах он участвовал в организации аэронавигационной и аэрологической службы на Северном, Юго-Западном и других фронтах. Он многократно участвовал в качестве лётчика-наблюдателя (золотой орел на погонах) в боевых полётах, в разведывательных операциях. Фридман был не просто рядовым летчиком-наблюдателем: когда его самолет во время Первой мировой войны вылетал на боевое дежурство в небо северо-западного фронта, немецкая фронтовая радиостанция передавала предупреждение: «Внимание! В воздухе Фридман!».
Немцы беспокоились не напрасно: они знали, с кем имеют дело... Фридман — Георгиевский кавалер, был награжден золотым оружием и орденом Святого Владимира с мечами и бантом. В письме В.А.Стеклову он писал 5 февраля 1915 года: «Моя жизнь течёт достаточно ровно, если не считать таких случайностей, как: разрыв шрапнели в 20 шагах, разрыв взрывателя австрийской бомбы в полушаге, окончившийся для меня почти благополучно, и падения на лицо и голову, кончившегося разрывом верхней губы и головными болями. Но, конечно, ко всему этому привыкаешь, особенно когда кругом видишь вещи, в тысячу раз более тяжёлые».
Из сохранившейся переписки Фридмана с Б.Б. Голицыным и В.А. Стекловым становится очевидным, что и в это сложное время он изыскивает возможности заниматься наукой. В 1916 г. была опубликована его статья «О вихрях в жидкостях с меняющейся температурой».
Фридман первым в России понял необходимость создания отечественного авиаприборостроения. В годы войны и разрухи он воплотил идею в жизнь, став создателем и первым директором завода «Авиаприбор» в Москве (июнь 1917 г.).
Освоив профессию летчика, А.А. Фридман преподает в школе авиаторов в Киеве. В 1917 году его приглашают для чтения лекций в Киевский университет, а затем он переезжает в Москву. Некоторое время работает на заводе авиационных приборов. Война подорвала его здоровье, у Фридмана обнаружилась болезнь сердца. Врачи не советовали ехать в Петроград, и он выбрал Пермь.
«Моя «военная жизнь» оставила мне наследство в виде тяжелой (хотя, кажется, и временной) сердечной болезни, которая в данный момент не дает мне возможности много двигаться...» «Я отклонил недавно предложение ответственного места...; ... я так измучился, что с удовольствием согласился бы быть сторожем в Пермском университете с правом читать факультативный курс и пореже видеть людей», — в таком непривычно пессимистическом тоне писал А. А. Фридман своему другу и учителю Стеклову. Тем не менее, даже измученный болезнью, он ни на минуту не забывает о науке. Немного оправившись, он снова начинает работать и читать лекции.
В ноябре 1917 года он подает заявление об участии в конкурсе, а 13 апреля 1918 года Фридман занимает должность экстраординарного профессора кафедры механики Пермского университета, который с октября 1916 года был отделением Петроградского университета.
С осени 1918 года в Перми организуется физико-математическое общество (Фридман - секретарь). Александр Александрович организовал журнал этого общества и руководил его изданием до конца 1919 года. С 24 декабря 1918 года по 12 августа 1919 Пермь была занята белогвардейцами. При их отступлении была предпринята попытка эвакуации университета, которая, к счастью, не удалась: только личному составу и незначительной части груза удалось проехать в Томск. В Перми остались только проф. А.С. Безикович и три ассистента, спасшие оставшееся имущество. Фридман с частью груза остался в Екатеринбурге и еще при белых вернулся в Пермь. С декабря 1919 года Фридман исполнял обязанности помощника ректора по хозяйственной части; организовал в университете при физико-математическом факультете технические отделения: химико-металлургическое, инженерно-строительное, электромеханическое; создал при университете два научных института: механический и геофизический.
До 1920 года профессор А.А. Фридман работал проректором Пермского университета, преподавал курсы дифференциальной геометрии и физики.
В мае 1920 года Александр Фридман взял академический отпуск и уехал в Петроград. Жизнь молодого ученого в первые годы после революции была очень тяжелой. Одно время он хотел бежать за границу вместе с Тамаркиным, который в итоге эмигрировал один. Но Фридману повезло, в Советской России ему дали возможность работать.
В 1920 году в Петрограде он начал работать в Главной физической обсерватории (с 1924 года - Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова). Одновременно преподавал в различных учебных заведениях Петрограда - в Политехническом институте (1920-1925), Институте инженеров путей сообщения (1920-1925) и др. В декабре 1920 года учёный сложил с себя обязанности профессора механики Пермского университета окончательно. В 1923 году А.А. Фридман был назначен главным редактором "Журнала геофизики и метеорологии".
Основные работы А.А. Фридмана посвящены проблемам динамической метеорологии (теории атмосферных вихрей и порывистости ветра, теории разрывов непрерывности в атмосфере, атмосферной турбулентности), гидродинамике сжимаемой жидкости, физике атмосферы и релятивистской космологии.
Второй его женой (с 1923 года) была сотрудница Главной геофизической обсерватории Наталья Евгеньевна Малинина, причем их брак был не только гражданский, но и церковный — «чтоб крепче было», как он однажды сказал. Горячо полюбив Н. Е. Малинину, он не был безоблачно счастлив в этом браке, терзался от мысли о причиненном им Е. П. Дорофеевой горе, метался между обеими женщинами, которые в этой трудной ситуации вели себя чрезвычайно благородно. Его сын от второго брака — Александр Александрович Фридман (1925—1983) — родился уже после смерти отца.
Н. Е. Малинина дожила до глубокой старости и скончалась в 1981 г. Она была доктором физико-математических наук, много лет заведовала Ленинградским отделением Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР. Это была очень образованная и разносторонняя женщина, в молодости знакомая с В. В. Маяковским и К. И. Чуковским.
В июле 1925 года Фридман с научно-исследовательскими целями совершил полет в стратосферу на аэростате вместе с пилотом П.Ф. Федосеенко, достигнув рекордной по тому времени высоты 7400 м. В полёте не обошлось без происшествия.
Фридман 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». «Пока мы возились с вдыханием кислорода, произошло несчастье. Среди полной тишины раздался оглушительный взрыв, мы взглянули наверх и видим, что аэростат весь окутан дымом. Сейчас же мелькнула мысль: «горим», шансов на спасенье в этом случае очень мало. Потом дым рассеялся, и мы увидели, что наш «кислородный сундук» лопнул. Произошло вот что: на высоте, где давление мало, кислородный сундук расперло и разорвало, газ (влажный) вырвался на свободу, охладился, и влага конденсировалась в виде облака, которое мы и приняли за дым. Установив, в чем дело, мы облегченно вздохнули, хотя запас кислорода значительно уменьшился и долго держаться на высоте было трудно».
Фридман одним из первых освоил математический аппарат теории гравитации Эйнштейна и начал читать в университете курс тензорного исчисления как вводную часть к курсу общей теории относительности. В 1923 году вышла в свет его книга "Мир как пространство и время" (переиздана в 1965), познакомившая широкую публику с новой физикой.
Научная деятельность Фридмана была сосредоточена главным образом в области теоретической метеорологии и гидродинамики. В этих областях проявился его блестящий математический талант, неизменное стремление и умение доводить решение теоретических задач до конкретного, практического приложения. А.А. Фридман является одним из основоположников динамической метеорологии. Он занимался также вопросами приложения теории физических процессов в атмосфере к воздухоплаванию. Много сил он отдал поиску закономерностей, быть может, самых хаотических в мире процессов - процессов в земной атмосфере, которые делают погоду. Несмотря на физически звучащие слова, занимался он, в сущности, математикой - уравнениями в частных производных.
Основным трудом Фридмана по гидромеханике является его работа "Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости" (1922). В ней он дал наиболее полную теорию вихревого движения в жидкости, рассмотрел, а для ряда случаев решил важную проблему о возможных движениях сжимаемой жидкости при действии на неё определенных сил. Это фундаментальное исследование позволяет считать Фридмана одним из создателей теории сжимаемых жидкостей. В той же работе Фридман вывел общее уравнение для определения вихря скорости, которое приобрело фундаментальное значение в теории прогноза погоды.
Весной 1922 года в главном физическом журнале того времени - "Zeitschrift fur Physik" появилось обращение "К немецким физикам". Правление Германского физического общества извещало о трудном положении коллег в России, которые с начала войны не получали немецких журналов. Поскольку лидирующее положение в тогдашней физике занимали немецкоязычные ученые, речь шла о многолетнем информационном голоде. Немецких физиков просили направлять по указанному адресу публикации последних лет, с тем, чтобы потом переслать их в Петроград. Однако в том же самом журнале, всего двадцатью пятью страницами ниже, была помещена статья, полученная из Петрограда и, на первый взгляд, противоречащая призыву о помощи. Имя автора - А.Фридман - физикам было неизвестно. Его статья с названием "О кривизне пространства" касалась Общей теории относительности. Точнее - её самого грандиозного приложения: космологии.
Именно в этой статье родилось "расширение Вселенной". До 1922 года такое словосочетание выглядело бы полной нелепостью. Конечно, о том, что расширение Вселенной началось миллиарды лет назад, астрофизике еще только предстояло узнать; еще предстояло измерять и вычислять; еще предстояло размышлять над проблемой горизонта Вселенной. Но выдвинул эту идею впервые в 1922 году тридцатичетырехлетний Александр Фридман. В своей работе "О кривизне пространства" Фридман по существу дал набросок основных идей космологии: об однородности распределения вещества в пространстве и, как следствие, об однородности и изотропности пространства-времени, т.е. о существовании "мирового" времени, для которого в каждый момент метрика пространства будет одинакова во всех точках и по всем направлениям. Эта теория важна, прежде всего, тем, что приводит к достаточно корректному объяснению фундаментального явления - эффекта красного смещения. Полученное Фридманом при указанных предположениях решение уравнений поля является образцом для любых космологических теорий.
Автор теории относительности Эйнштейн вначале считал, что космологическое решение уравнений поля должно быть статично и привести к замкнутой модели Вселенной. Он ввёл в свои уравнения так называемую космологическую постоянную – некую «антигравитационную» силу, которая, в отличие от других сил, не порождалась каким-либо физическим источником, а была заложена в саму структуру пространства – времени. В сентябре 1922 года он критиковал работу Фридмана: "Результаты относительно нестационарного мира, содержащиеся в упомянутой работе, представляются мне подозрительными. В действительности оказывается, что указанное в ней решение не удовлетворяет уравнениям поля". Эйнштейн не поверил результатам Фридмана. Сочтя его космологическую картину неправдоподобной, он без труда, но, увы, и безо всякого основания нашел мнимую ошибку в вычислениях петроградского ученого. Только получив письмо от Фридмана, отстаивающего свою правоту, и проделав ещё раз вычисления, Эйнштейн признал результаты русского коллеги и в специальной заметке назвал их "проливающими новый свет" на космологическую проблему. А для потомков сама ошибка Эйнштейна проливает свет на смысл и масштаб работы Фридмана.
(Окончание следует)
