«Отец расширяющейся Вселенной» /Часть 2/

К 130–летию со дня рождения А.А.Фридмана

(Окончание. Начало здесь ==>>)

Современная теория гравитации (общая теория относительности) была создана Альбертом Эйнштейном в 1915 году. Согласно этой теории, под воздействием массы и энергии тел пространство (точнее говоря, пространство-время) искривляется, что, в свою очередь, приводит к искривлению траекторий тел, что и воспринимается нами как проявление тяготения. Сразу же после возникновения теории относительности её создатель попытался применить её к Вселенной в целом, но эта попытка оказалась безуспешной. И вот через 7 лет неизвестный автор из Советской России - страны, казалось бы, изолированной от мировой науки, - смело утверждает, что эйнштейновский результат совсем не обязателен, а представляет собой весьма частный случай. Фридман впервые отбросил догму о неизменности Вселенной, с античных времен владевшую умами исследователей. Его выводы были настолько необычны, что Эйнштейн сначала не согласился с ним и заявил, что нашёл в его выкладках ошибку.

Изучать Общую теорию относительности в России до 1920 года было трудно: ни иностранных публикаций, ни обзоров в отечественных журналах не было. А в мире уже бушевал настоящий бум вокруг новой теории. Начался он в 1919 году, сразу после подтверждения английскими астрономами предсказанного Эйнштейном отклонения лучей света от далеких звезд. И триумф теории относительности все-таки достиг России. Начали появляться популярные брошюры о новой теории. Одной из первых была книжка самого Эйнштейна. В предисловии автора к русскому переводу, изданному в Берлине и датированному ноябрём 1920 года, говорилось: "Более чем когда-либо, в настоящее тревожное время следует заботиться обо всём, что способно сблизить людей различных языков и наций. С этой точки зрения особенно важно способствовать живому обмену художественных и научных произведений и при нынешних столь трудных обстоятельствах. Мне поэтому особенно приятно, что моя книжечка появляется на русском языке".

Занятия Фридмана общей теорией относительности отнюдь не были случайными. В последние годы жизни он вместе с профессором В.К. Фредериксом (1885-1944) стал писать многотомный учебник по современной физике, который открывался книгой "Мир как пространство и время", посвященной теории относительности, знание которой Фридман считал краеугольным камнем физического образования. Удивительно, как Фридману удалось лишь за полтора года овладеть теорией по её популярному изложению, но уже в августе 1920 года он пишет своему учителю и коллеге П.Эренфесту: "Занимался аксиомой малого [специального] принципа относительности... Очень хочу изучить большой [общий] принцип относительности, но нет времени". Работы Фридмана по общей теории относительности дали динамическую модель Вселенной и впервые позволили объяснить строение и развитие мира как целого. Но вряд ли в 1922 году появилась бы фридмановская космология, если бы не физик Фредерикс. Именно ему принадлежит первое в России изложение общей теории относительности. Его обзор 1921 года в "Успехах физических наук", как и ещё несколько статей, посвященных общей теории относительности, могли помочь Фридману освоить эту теорию.

    Зимой 1920 - 1921 года Фридман работал над диссертацией по фундаментальным проблемам гидромеханики, ориентированным на нужды динамической метеорологии. Диссертация «Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости» была успешно защищена в 1922 году и была издана литографским способом в небольшом количестве экземпляров также в 1922 г. И.В. Мещерский позднее назвал эту работу главным трудом Фридмана в области гидромеханики. Идеи «динамической возможности движения», изложенные в главе «Условия динамической возможности движения», имели дальнейшее развитие и многочисленные практические применения в трудах Фридмана и его учеников. (И.А. Кибель впоследствии рассмотрел задачу Фридмана в более общем виде. В 1924 году цикл исследований У. Рэлея, Н. Шоу, А. Фридмана по построению модели циклона был завершен работой Н.Е. Кочина).

        В 50-е годы зарубежные ученые Р. Беркер, Дж. Эриксен, А. Важоньи, не знавшие о работах школы Фридмана, повторили их исследования. Вторым направлением теоретической гидромеханики в теоретическом отделе обсерватории была корреляционная теория турбулентности. Теория была разработана А.А. Фридманом и Л.В. Келлером и представлена на Международном конгрессе по прикладной механике в Дельфте (Голландия) в 1924 году.

Полученные Фридманом в 1922-1924 годах первые нестатические решения уравнений Эйнштейна при исследовании релятивистских моделей Вселенной положили начало развитию теории нестационарной, раздвигающейся или пульсирующей Вселенной. Ученый исследовал нестационарные однородные изотропные модели с пространством положительной кривизны, заполненным пылевидной материей (с нулевым давлением). Нестационарность рассмотренных моделей описывается зависимостью радиуса кривизны и плотности от времени, причём плотность изменяется обратно пропорционально кубу радиуса кривизны. Фридман выяснил типы поведения таких моделей, допускаемые уравнениями тяготения, причём модель стационарной Вселенной Эйнштейна оказалась действительно лишь частным случаем. Он опроверг мнение о том, что общая теория относительности требует допущения конечности пространства. Решив уравнения эйнштейновской теории гравитации с учетом космологического принципа, Фридман показал, что Вселенная не может быть неизменной, в зависимости от начальных условий она должна либо расширяться, либо сжиматься. Он же впервые дал правильную по порядку величины оценку возраста Вселенной.

Результаты Фридмана продемонстрировали, что уравнения Эйнштейна не приводят к единственной модели Вселенной, какой бы ни была космологическая постоянная. Из модели однородной изотропной Вселенной следует, что при её расширении должно наблюдаться красное смещение, пропорциональное расстоянию.

       В 1927 году к тем же выводам, что и Фридман, пришел бельгийский ученый и католический аббат Жорж Леметр (впоследствии первый президент Папской академии наук). Леметр уделял большое внимание сопоставлению теории и наблюдений, впервые указав, что расширение Вселенной можно наблюдать с помощью красного смещения в спектрах галактик.

      Таким образом, расширение Вселенной, было предсказано теоретически, на основе теории относительности сначала Фридманом и чуть позднее Леметром. Это был один из самых блестящих примеров предсказаний в истории науки.

       Интерпретаторы теории расширяющейся Вселенной любят уподоблять модель Фридмана с разбегающимися друг от друга галактиками с надуваемым шариком, на котором нанесены точки. При надувании отрезки между любыми двумя точками увеличиваются, хотя ни одна из точек и не является центром расширения. Чем больше расстояние между точками, тем быстрее они разбегаются.

       Ж. Леметр, опираясь на идеи Фридмана, создал свою концепцию возникновения Вселенной в некий определенный момент из одного «атома-отца» – теорию «Большого взрыва» («Big-Bang»). Она получила поддержку в работах крупнейшего астрофизика А. Эддингтона. В настоящее время эту модель все чаще называют моделью Фридмана-Леметра. В 1929 году Эдвин П. Хаббл на основании астрономических наблюдений подтвердил: спектральные линии в спектрах галактик оказались смещены к красному концу спектра. Так астрономы, не обращавшие внимания на теорию Фридмана, убедились в его правоте.

        Но Александр Фридман, к сожалению, не дожил до открытия закона Хаббла. Уже после открытия Хаббла было показано, что нестационарность Вселенной фактически следует уже из закона всемирного тяготения (открытого Исааком Ньютоном еще в конце XVII в), точнее, из самого общего свойства гравитации, заключающегося в том, что эта сила только притягивает, но не отталкивает тела.

В феврале 1925 года А.А. Фридман был назначен директором Главной геофизической обсерватории, но занимал эту должность менее года. 2 сентября он понял, что болен серьезно — этим числом им подписан (несколько изменившимся почерком, возможно, уже лежа в кровати) приказ о том, что на время болезни обязанности директора ГГО возлагаются на проф. Е. И. Тихомирова. Врачи поставили диагноз — брюшной тиф.

В июле-августе 1925 года он с молодой женой был в путешествии в Крыму. К началу сентября прошло примерно 2 недели со времени возвращения Фридмана из Крыма, что как раз и соответствует продолжительности инкубационного периода этой болезни. Александр Александрович вспомнил, что по дороге в Ленинград купил на одной из станций аппетитные груши и, по легкомыслию, не помыл их. Нелепая небрежность, обернувшаяся роковым исходом. 16 сентября 1925 г., уже в больнице, А. А. Фридман скончался. Ему было только 37 лет. Выдающийся ученый был похоронен на Смоленском православном кладбище.

        В некрологе, написанном вдовой Фридмана, было сказано: «Excelsior (выше) – было девизом его жизни. Избрав механику, этот рай математических наук (по словам Леонардо да Винчи), он не смог ограничиться ею и искал и находил новые отрасли, изучал глубоко, детально и вечно мучился от недостаточности своих знаний. «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». Он мучил себя сознательно, так как видел, что ему не хватает времени обнять взором те широкие горизонты, которые открывались ему при изучении новой науки. Всегда готовый скромно учиться у всякого, кто знал больше него, он сознавал, что в своем творчестве идет новыми путями, трудными, никем ещё не исследованными, и любил приводить слова Данте: «Вод, в которые я вступаю, не пересекал ещё никто».

         Работу Фридмана все-таки оценили, хотя многие в СССР и называли космологию "прислужницей мракобесия". По некоторым источникам в 1931 году Фридману была посмертно присуждена премия имени В. И. Ленина, но достоверность этого оспаривается.

         Под влиянием Фридмана сформировались как учёные Н.Е.Кочин, Г.А.Гринберг, Л.Г.Лойцянский, П.Я.Полубаринова-Кочина и др. Президиумом АН СССР была учреждена премия им. А.А.Фридмана.

31 мая 1923 года Альберт Эйнштейн писал: "В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу, однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет. Оказывается, что уравнения поля допускают наряду со статическими, также и динамические (т.е. переменные относительно времени) решения для структуры пространства".

«Иногда говорят, - писал академик П.Л.Капица, - что Фридман не очень-то верил в свою собственную теорию и относился к ней лишь как к математическому курьёзу. Он будто бы говорил, что его дело – решать уравнения, а разбираться в физическом смысле решений должны другие специалисты – физики. Это ироническое высказывание о своих трудах остроумного человека не может изменить нашу высокую оценку его открытия. Даже если Фридман не был уверен в том, что расширение Вселенной, вытекающее из его математических выкладок, существует в природе, это никоим образом не умаляет его научной заслуги. Вспомним, например, теоретическое предсказание Дираком позитрона. Дирак тоже не верил в реальное существование позитрона и относился к своим расчётам как к чисто математическому достижению, удобному для описания некоторых процессов. Но позитрон был открыт, и Дирак, сам того не предполагая, оказался пророком. Никто не пытается преуменьшить его вклад в науку из-за того, что он сам не верил в своё пророчество».

Имя А. Фридмана не было известно широкой публике, он не стал кумиром толпы, жаждущей немедленного «прыжка в космос». Однако с его именем неразрывно связаны такие фундаментальные понятия, как «красное смещение», «разбегание Галактик», «мировые уравнения», «модели Вселенной».

А. Фридман явился основоположником современной космологии – физического учения о Вселенной как едином целом. А. Фридмана нельзя отнести к категории «забытых ученых». Статьи о нем имеются во всех русских и большинстве зарубежных энциклопедий, в которых он характеризуется как выдающийся физик и математик.

В честь А.А.Фридмана названы: лаборатория теоретической физики имени А. А. Фридмана РГПУ имени А. И. Герцена, премия имени А. А. Фридмана (премия РАН), лунный кратер Фридман, гипотетическая частица фридмон, уравнения Фридмана (космология; геофизическая гидродинамика)

    В 1946–1956 гг. ученик Фридмана советский и американский физик-теоретик Г.А.Гамов уточнил концепцию «Большого взрыва и расширяющейся Вселенной»: предложил модель «горячей Вселенной» и разработал теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата – нуклеосинтеза. В рамках этой теории было предсказано существование фонового микроволнового (реликтового) излучения, открытого в 1965 г.

• 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.

• 12 августа 1923 г. Фридман возвращается из Гамбурга в Берлин и в тот же день пишет Малининой: «По дороге было страшно тоскливо. Особенно тоскливо было смотреть на немецкий лес: дерево к дереву, вытянуто в ниточку, все подметено, сучочка не найдешь, сучья по ранжиру в разные кучи уложены. Тьфу! Не лес, а архив какой-то. Божий лес во что бусурмане превратили... Откровенно сказать, наша жизнь со всею её некультурностью и со всеми её недостатками нравится мне больше буржуазной жизни Германии. Суть в том, что, несомненно, у нас капитализм лишь терпимое зло, тогда как на Западе — это Молох, это все, всеобщее божество, отсюда — бесчисленное множество предрассудков Запада».

• Выдающийся русский поэт Леонид Мартынов (1905-1980) в стихотворении «Если бы открыл звезду я...» написал:

     Поэтическое пожелание Леонида Мартынова сбылось лишь отчасти: если и не звезда, то один из объектов на Луне назван именем Александра Фридмана.

• Точную оценку Фридмана как ученого дала его жена Екатерина Фридман: «Умение всматриваться в глубину, широким взмахом, ясно, кратко изложить, применить к практике или оставить в виде новой теории, осветить со всех сторон и дать новый толчок мысли – таковы были характерные особенности его работы, а его творческая мысль проникала во все закоулки накопленных им знаний и освещала их ярким светом его дисциплинированного ума и творческой фантазии».

• П.Л.Капица вспоминал: «Александр Фридман — один из лучших наших учёных. Если бы не смерть от брюшного тифа в возрасте 37 лет, он и сейчас был бы с нами. Безусловно, он сделал бы ещё многое в физике и математике и достиг бы высших академических званий. В молодом возрасте он был уже профессором, обладал мировой известностью среди специалистов по теории относительности и метеорологии. В 20-х годах, находясь в Ленинграде, я нередко слышал отзывы о Фридмане, как о выдающемся учёном, от профессоров Круткова, Фредерикса, Бурсиана. Фридман сделал одно из самых значительных теоретических открытий в астрономии — он предсказал расширение Вселенной».

• Любимым изречением А. А. Фридмана, по словам Е.П.Фридман, были слова Данте Алигиере: «Вод, в которые я вступаю, не пересекал ещё никто»

• П.Я.Полубаринова-Кочина, ученица А.А.Фридмана, вспоминала: «Фридман относился к числу начальников, которые хвалят своих подчиненных в присутствии других людей. Если его сотруднику удавалось получить интересный результат, Фридман не скупился на похвалы. Так, он пришёл в полный восторг, когда Н. Е. Кочин нашёл случай адиабатического движения, в котором происходит образование вихрей, и, расточая похвалы Кочину, добавил: «А я-то чесал правое ухо левой рукой» (в поисках решения вопроса о том, возможно ли образование вихрей без притока энергии).

         Вообще самокритичность была свойственна Фридману, и он часто громко высказывал сожаление по поводу своих недостатков, действительных или мнимых. Со своими сотрудниками он установил такие отношения, при которых можно было делать замечания по его адресу, и он принимал их во внимание.

         Однажды женщины отдела выразили Александру Александровичу своё возмущение тем, что в книге «Мир как пространство и время» в примере на арифметизацию он сопоставил свойству человека быть женщиной число 0, а мужчиной - число 1. Он обещал сделать наоборот во втором издании. Нужно отметить, что в отделе у Фридмана работали и женщины, и держал он их не только на «черной» работе.

         Фридман заботился о своих сотрудниках. Так, когда была учреждена категория НУ — начинающих учёных,— он для получения дополнительного продовольственного пайка сразу же написал отзывы о работе каждого, кто только начал вести работу. А отзывы он умел писать очень быстро.

       Правила бранить сотрудника при отсутствии свидетелей Фридман не придерживался. Наоборот, он имел обыкновение по экспансивности своего характера нарочно громко бранить отсутствующего (обычно речь шла об опоздании на работу, небрежном оформлении работы и т. п.) так, чтобы все слышали и с расчетом на то, что все будет передано провинившемуся.

         Фридман обладал колоссальной трудоспособностью, был «ненасытен и жаден до работы» и умел передать энтузиазм другим. Он организовал семинар по динамической метеорологии, в котором принимали участие сотрудники и других отделов ГГО (Главной геофизической обсерватории); все вычерчивали карты изобар, наносили на них линии фронтов, т. е. поверхностей разрыва метеорологических элементов, следили за перемещением циклонов и т. п.

         Рабочих часов Фридману не хватало, и его ученики часто собирались у него на квартире для обсуждения различных вопросов. Все принимали участие в расчетах баллистических таблиц, к которым Фридман вернулся, чтобы внести в них различные уточнения. Все в той или иной мере были привлечены к изданию трудов А. М. Ляпунова, проверке и подготовке к печати оставшихся после его смерти обширных рукописей, а затем правке корректур».

• Друг Фридмана профессор Александр Феликсович Гаврилов вспоминал: «Две поговорки часто повторял тогда Александр Александрович: «И поелику ты ни холоден, ни тепл, ввергнут будешь в геенну огненную» (из Данте) и «Он талантливый человек - не учась, знает».

• Профессор Л.С.Полак вспоминал: «А. А. Фридман был исключительно трудоспособен и трудолюбив. «Я работолюбивый»,— говорил он о себе. Для всего он находил время и работал, буквально не отличая дня от ночи. С 1920 г. по 1925 г. он работал в Институте инженеров путей сообщения, в Университете, в Политехническом институте, в Морской академии и в Морском инженерном училище, совмещая всё это с работой в Главной геофизической обсерватории. Когда в 1922 г. он работал над своей диссертацией «Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости», то писал по шестнадцать страниц в день.

В этом человеке органически сочетался ученый-романтик, мечтавший о возможности сообщений в недалеком будущем с другими планетами и мирами, и ученый-практик, наделенный большим организаторским талантом».