/
Автор: Тростников В.Н.
Теги: биографии исторические личности биографии ученых советские ученые
Год: 1963
Текст
В. Н. ТРОСТНИКОВ
ВЫДАЮЩИЙСЯ
СОВЕТСКИЙ УЧЕНЫЙ
А. А. ФРИДМАН
IX СЕРИЯ- ФИЗИКДиХИМИЯ -1963
В. Н. ТРОСТНИКОВ
ВЫДАЮЩИЙСЯ
СОВЕТСКИЙ
УЧЕНЫЙ
А. А. ФРИДМАН
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«ЗНАНИЕ»
Москва
1963
523.1
Т75
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Академик П. Л. Капица. Александр Александрович
Фридман . 3
Введение . • 5
Дорога в науку . . * л . я 7
Первые крупные работы » 10
Бури не атмосферные, а житейские 21
Теория сжимаемой жидкости 26
Расширяющаяся Вселенная ....*• 37
Заключение * • 44
Автор
ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ ТРОСТНИКОВ
Редактор Я. Б. Файнбойм
Техн. редактор Л. С. Назарова Корректор Э. Л. Шехтман
Обложка Н. Д. Васильева
Сдано в набор 19.IX.-~63 г. Подписано к печати 2.XL—63 г. Изд. № 196.
Формат бум. 60x907ie. Бум. л. 1,5. Печ. л. 3.0. Уч.-изд. л. 3,02.
А 04471 Цена 9 коп. Тираж 37000 экз. Заказ 2655.
Издательство «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4
Типография издпва «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4,
Академик П. Л. КАПИЦА
АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ ФРИДМАН *
Александр Фридман—один из лучших наших ученых. Если
бы не смерть от брюшного тифа в возрасте 37 лет, он и сей-
час был бы с нами. Безусловно, он сделал бы еще многое в фи-
зике и математике и достиг бы высших академических званий.
В молодом возрасте он был уже профессором, обладал ми-
ровой известностью среди специалистов по теории
относительности и метеорологии. В 20-х годах, находясь в
Ленинграде, я нередко слышал отзывы о Фридмане, как о выдающем-
ся ученом, от профессоров Круткова, Фредерикса, Бруссияна.
Фридман сделал одно из самых значительных
теоретических открытий в астрономии—он предсказал расширение
Вселенной.
Из решения Фридмана космологических уравнений
Эйнштейна вытекала возможность изменения во времени радиуса
кривизны нашего мира. Через несколько лет после
опубликования работы Фридмана американский астроном Хаббл
обнаружил разбегание галактик—следствие расширения
Вселенной. Таким образом, Фридман «на кончике пера» открыл
поразительное явление космического масштаба.
По этому поводу иногда говорят, что Фридман не очень-то
верил в свою собственную теорию и относился к ней лишь как
к математическому курьезу. 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 от-
1 Из вступительной речи академика П. Л Капицы на сессии
Отделения физико-математических наук АН СССР, посвященной памяти
А. А. Фридмана.
3
крытия. Даже если Фридман не был уверен в том, что
расширение Вселенной, вытекающее из его математических
выкладок, существует в природе, это никаким образом не умаляет
его научной заслуги. Вспомним, например, теоретическое предг
сказание Дираком позитрона. Дирак тоже не верил в
реальное существование позитрона и относился к своим расчетам
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 серил в свое пророчество.
Позже Дирак предсказал существование индивидуальных
магнитных полюсов, которых не нашли, хотя одно время
Ферми думал, что они могут реально существовать, но это было
ошибкой. Неизвестно, верит ли он в то, что их найдут. Но
если это случится, ученые воздадут должное Дираку за силу
его теории.
Фридман не дожил до подтверждения своих расчетов
прямым наблюдением. Но мы теперь знаем, что он был прав. И
мы обязаны дать справедливую оценку замечательному
результату этого ученого.
Имя Фридмана до сих пор было в незаслуженном
забвении. Это несправедливо и это*необходимо исправить. Мы
должны увековечить это имя. Ведь Фридман—один из пионеров
советской физики, ученый, внесший большой вклад в
отечественную и мировую науку. Надо опубликовать собрание всех:
его трудов и издать его биографию.
4
ВВЕДЕНИЕ
Начало двадцатого века—яркий и драматический период
истории науки. Происходит болезненная ломка наиболее
общих физических представлений. В результате'наука
обогащается принципиально новыми идеями, значение которых трудно
оценить в полной мере даже сейчас. Одним из наиболее
замечательных достижений научной мысли этих лет по праву
считается общая теория относительности Эйнштейна. Она
объясняет сущность всемирного тяготения и связывает структуру
пространства с веществом.
Однако необходимо отдавать себе отчет в том, что ценность
современной общей теории относительности далеко не
исчерпывается теми результатами, которые были получены лично
Эйнштейном. Содержание науки о взаимосвязи времени,,
пространства и материи настолько обширно, что его не под силу
было бы создать одному ученому, хотя бы и наделенному
чертами гения.
Основополагающая статья Эйнштейна, опубликованная в
1916 году, была толчком, который вызвал целую лавину
.работ. Лучшие ученые многих стран с энтузиазмом включились
в длительный коллективный труд, постепенно обогативший
сокровищницу человеческих знаний логически замкнутой,
непротиворечивой теорией. Развитие идей общей теории
относительности было подготовлено всем ходом науки и являлось
закономерным и неизбежным этапом умственного прогресса.
Получилось так, что Эйнштейн своей гениальной догадкой
пробудил к жизни широкий научный процесс, над которым он
очень скоро потерял контроль. Это хорошо видно, например,
из того, что великий ученый не всегда делал правильные
выводы из собственной теории, а в некоторых случаях даже
недооценивал- ее силу.
Подтверждением постепенного формирования современной
5
теории гравитации в результате коллективных усилий может
служить краткая, но важная для дальнейшего развития науки
дискуссия между Эйнштейном и советским математиком
Фридманом, развернувшаяся в 1922 году на страницах
немецкого научного журнала «Zeitschrift fur Physik».
Полемика началась с небольшой статьи, помещенной в
десятом номере журнала. Автор ее, ленинградский профессор
А. А. Фридман, не соглашался с некоторыми кардинальными
выводами Эйнштейна, касающимися Вселенной в целом. В
противовес им Фридман предлагал свои собственные выводы,
каковые, по его утверждению, были более обоснованными и
являлись математически безукоризненным следствием теории
относительности.
Эйнштейн без промедления откликнулся на заметку. Уже
в следующем номере журнала появилось написанное им
опровержение результата Фридмана. Создатель теории
относительности отстаивал свою точку зрения на решения основных
уравнений космологии. Решения Эйнштейна приводили к
неизменной во времени кривизне пространства; решения
Фридмана—к меняющейся.
Фридман тщательно проверил свои выкладки—для него
было очень важно знать, действительно ли он ошибся.
Расчет показал, что прав он, а не Эйнштейн. Тогда Фридман
написал Эйнштейну письмо, в котором просил снова проследить
за выкладками, приводящими к нестационарной Вселенной.
Кроме того, Фридман написал аналогичное письмо
профессору Круткову, находящемуся в то время в Берлине. Крутков
посетил Эйнштейна и долго убеждал его в правоте Фридмана.
Наконец, великий ученый, признал, что.допустил промах. В
дальнейшем Эйнштейн неоднократно тепло отзывался о
Фридмане и в своих работах давал высокую оценку его основного
результата. Так спор угас, не успев разгореться, а в
результате его на свет появилась одна из самых замечательных
научных концепций — теория расширяющейся Вселенной.
Каждый, кто изучал общук) теорию относительности,
непременно обращал внимание на космологическую .работу
Фридмана. И, вероятно, трудно было не заинтересоваться
человеком, который был одним из создателей науки о
Вселенной. Конечно, особенно интересует личность Фридмана нас,
его соотечественников. Но желание сколько-нибудь подробно
ознакомиться с биографией ученого, поправившего
Эйнштейна, наталкивается на препятствие: количество печатных
материалов по этому вопросу оказывается чрезвычайно малым.
Если все же разыскивать в библиотеках соответствующую
литератору, то обнаруживается, что Фриддоал занимался
вопросами теории относительности в некотором смысле побочно;
главной темой его научных занятий была динамическая
метеорология.
6
Чем дальше углубляешься в чтение работ Фридмана и
воспоминаний об этом ученом, тем сильнее ощущаешь
разносторонность его дарования. Вот отзывы его бывших
сотрудников по Главной физической обсерватории. Из них явствует,
что Фридман был одним из создателей теоретической
метеорологии. А вот некролог, помещенный в 1925 году в журнале
«Вестник воздушного флота». В нем говорится, что Фридман
останется в истории авиации как один из активнейших
деятелей, способствовавших формированию русского воздушного
флота.
Удивление возрастает по мере знакомства с жизнью
Фридмана. Как было не удивиться, например, узнав, что Фридман
незадолго до своей смерти установил рекорд страны по
высотному подъему на аэростате, достигнув вдвоем с выдающимся
пилотом П. Ф. Федосеенко высоты в 7400 метров? Или, что
автор красивейшей космологической теории—по существу
основоположник всесоюзной службы погоды и современная
синоптика ведет свое происхождение именно от него?
Многогранная и кипучая деятельность Фридмана
интересна не только сама по себе. В ней ярко отражается важный
период становления советской науки. Какими бы
грандиозными ни были наши успехи сегодня, мы гордимся первыми
послереволюционными достижениями во всех областях
.культуры, без крторых был бы немыслим дальнейший прогресс.
Александр Александрович Фридман находился в числе тех
ученых, которые, не щадя сил, работали во имя будущего,
развивали замечательные традиции русской науки в первые
годы Советской власти. Он прожил всего тридцать семь лет,
но успел за это время сделать многое. Его имя останется в
истории науки навсегда.
В этом году исполняется семьдесят пять лет со дня
рождения Фридмана, Со дня его нелепой гибели прошел уже срок,
равный сроку в'сей его жизни. Тем не менее написано о нем
до сих пор еще слишком мало. Данная брошюра имеет целью
в какой-то мере восполнить этот пробел и кратко ознакомить
читателя с жизнью и трудом нашего выдающегося ученого.
ДОРОГА В НАУКУ
Александр Фридман родился 17 июня 1888 года в Петера
бурге В этом городе прошла почти вся его жизнь—за
вычетом военных лет и нескольких последующих разъездов по
служебным делам. Здесь он получил образование, прошел
серьезную научную подготовку. Здесь полностью развернулся
его научный и организационный талант. Поэтому формирова-
7
ние Фридмана как ученого нельзя понять, не приняв в расчет
историю развития ленинградской научной школы.
Родители Фридмана принадлежали к тому слою
петербургской интеллигенции, который занимал промежуточное
положение между аристократами и разночинцами. Отец его был
музыкантом. В книге Фокина, посвященной балету, имеется
упоминание о композиторе А. Фридмане. Мать
ученого—Людмила Игнатьевна Воячек была дочерью чешского музыканта и
композитора. Саша Фридман воспитывался у родственников
отца; одно время он даже жил в Зимнем Дворце.
Сохранились воспоминания о том, как в 1906 году юный Фридман,
живя во дворце, писал революционные листовки. Родственники,
у которых он жил, боялись, что его арестуют, и не выпускали
на улицу. Но к Фридману приходил В. И. Смирнов (ныне
академик), брал листовки и распространял их.
Для представителей той общественной категории, к
которой принадлежал Фридман, было характерным домашнее
воспитание с обучением иностранным языкам. Правда, по
свидетельству людей, близких к Фридману, его знание
немецкого и французского языкор в зрелом возрасте не было
совершенным.
В L897 году девятилетний Фридман был отдан в
приготовительный класс Второй петербургской гимназии. В этом
учебном за-ведении он пробыл до 1906 года и вышел из него с
золотой медалью и первым опытом самостоятельной научной
работы.
Занятия в гимназии всегда связываются в сознании с
гуманитарными предметами, с древними языками — латынью
и греческим. В общих чертах такое представление правильно,
ибо наряду с гимназиями в то время существовали реальные
училища, в которых основное внимание уделялось точным
наукам. Однако окончание гимназии не предопределяло еще
рода деятельности выпускника—примером тому может служить
и великий биолог Павлов, учившийся ib Рязанской гимназии, и
многие другие ученые, в том числе Фридман. Последний в
творческие годы никогда не проявлял особой симпатии к
латыни или даже просто отличного ее знания. Надо полагать,
что система во Второй гимназии была достаточно гибкой,
чтобы учащиеся, проявляющие явные способности к
математическим предметам, могли получить соответствующие знания.
Что касается Фридмана, то у него эти способности были
очень яркими. Екатерина Петровна Дорофеева, жена ученого,
писала в своих воспоминаниях: «Еще в детстве для него было
придумано самое строгое наказание: его оставляли без
уроков арифметики. Математика была как-то органически
связана с нии». Все говорит о том, что, учась в гимназии, Фридман
занимался математикой значительно активнее, чем другими
предметами.
8
Этой активности немало способствовал математический
кружок, организованный в гимназии. Фридман был одним из
главных членов кружка. Вместе с ним в кружке участвовал
его гимназический товарищ Я. Д. Тамаркин, впоследствии
также известный математик. Самодеятельные занятия
точными науками в школьные годы сыграли очень большую роль б
формировании научных интересов Фридмана и его стиля
работы. Доклады на заседаниях кружка убеждали в том, что «не
боги горшки обжигают», что при затрате достаточного
времени можно разобраться в совершенно новых для тебя
научных вопросах и растолковать эти вопросы другим. Смелость в
изучении незнакомых предметов осталась у Фридмана на всю
жизнь и составляла его характернейшую особенность. Он
выработал в себе отношение к званию математика,
соответствующее лучшим традициям: истинным математиком может быть
признан лишь тот, кто в случае необходимости разберется в
любой сложной и запутанной проблеме.
В 1905 году, еще будучи гимназистом, Фридман выполнил
свою первую научную работу. Вместе с Тамаркиным он
написал статью, касающуюся чисел Бернулли. Публикация
появилась IB 1906 году в солиднейшем научном журнале «Mathema-
tische Annalen», издававшемся Клейном и Гильбертом.
Когда думаешь о детстве и юности крупного ученого, не*
вольно размышляешь над тайной лабораторией, формирую-'
щей творческую мысль. Почему один человек становится
знаменитым физиком или математиком, а его сверстник, который
в школе успевал ничуть не хуже или даже лучше, ничего не
добивается в науке? Почему бывают периоды, когда ученых
и мыслителей рождается особенно много, а случаются
времена некоего упадка?
По всей вероятности, дело здесь в сочетании двух условий:
любви к исследовательской работе самого человека и той
научной и общественной атмосферы, в которой этот человек
живет.
Фридман, поставивший вместе с Федосеенко рекорд
высоты, ставил рекорды во всем, за что брался: в метеорологии, в
гидродинамике, в теоретической физике, в административной
и организаторской деятельности. Об этом качестве Фридмана
хорошо сказал известный ленинградский математик Гюнтер:
«Мы знаем, что Александр Александрович везде очень быстро
поднимался до высших постов управления. Мало кому
ведомый лаборант Магнитной обсерватории в начале войны, он
заведовал метеорологической съемкой целого фронта в ее
середине и основывал заводы для оборудования частей,
необходимых для воздухоплавания в конце ее.
Начав в 1920 году жизнь сначала, он в в 1925 году—уже
директор обсерватории и, мы знаем, директор, занявший свой
пост с готовым планом работы по полной реформе обсервато-
2655—2
9
рии и, может быть, единственный человек, способный
выполнить эту реформу».
Способность быстро схватывать научные идеи не всегда
ведет к настоящему успеху. Но у Фридмана эта способность
сочеталась с глубиной исследовательской мысли и с
необыкновенным трудолюбием.
Чувство долга, стремление работать каждый день без
малейших отступлений от намеченной программы—важнейшие
черты характера Фридмана, проявившиеся уже в юности. Не
учитывая их, нельзя понять, как этот ученый сумел столько
сделать за свою недолгую жизнь. Только сплав одаренности с
волей и целенаправленностью в труде формирует людей типа
Фридмана.
Один из учеников Фридмана, ныне известный ученый,
вспоминает, как он поступал в аспирантуру к Александру
Александровичу. Это было в 1925 году. «По объективным причинам,
связанным с переездом из одного города в
другой,—вспоминает ученый,—я не успел подготовиться к условленному
экзамену. Узнав об этом, Фридман крайне удивился. Для него
было непонятно—как же так, человек должен был выучить то-то
и то-то и не выучил. И только когда я объяснил, в чем дело,
Фридман согласился, что бывают случаи, когда не удается
выполнить намеченного».
Каждодневная работа была не только законом всей
жизни Фридмана, но необходимостью для него.
ПЕРВЫЕ КРУПНЫЕ РАБОТЫ
В 1906 году Фридман поступил на математическое
отделение физико-математического факультета знаменитого Санкт-
Петербургского университета. Он сразу же окунулся в
обстановку серьезной научной деятельности и своими
способностями обратил на себя внимание профессоров. Однако выбор
основного направления был сделан не сразу. Фридман-студент
пишет, например, статью «Исследование неопределенных
уравнений вюрой степени», которая, хотя и представляла собой
плод вдумчивого научного творчества (она была удостоена
факультетом золотой медали), но по своей теме не
относилась к областям, .в которых впоследствии Фридман сделал
главные свои работы.
Говорят, к Резерфорду пришел однажды выпускник
университета и попросил совета, чем ему заняться. «Бросить
науку,—ответил знаменитый физик,—ибо если за время учебы
вы <не определили интересующую вас область, толку из вас не
получится».
ю
Фридман держался другой точки зрения. Он считал, что
в первом периоде своей деятельности ученый и не должен
останавливаться на какой-то узкой теме. Задача этого периода—
оолучить как можно более обширное образование
(разумеется, IB определенной науке), заложить возможно более широкую
базу для осознанного выбора, который делается позже. Когда
уже упомянутый аспирант при поступлении в обсерваторию
-Фридмана сказал, что он не знает метеорологии—предмета,
которым собирался заниматься в аспирантуре,—Фридман
воскликнул: «Вот то-то и хорошо!» Этим он хотел, видимо,
сказать, что в университете или институте надо запасаться как
бы потенциальной энергией широкого знания, а применять эту
энергию к конкретному предмету нужно начинать лишь по
выходе из вуза.
С другой стороны, Фридман считал, что, начав применять
знания, т. е. избрав тему серьезной научной работы, уже
нельзя рассеиваться. В 1918 году он пишет академику В. А. Стек-
лову: «Для разбора случая получения тепла излучением,
случая очень важного при практическом применении движений
жидкости с меняющейся температурой, мне пришлось
прочесть Планка и для сего познакомиться с электродинамикой
и уравнениями Максвелла. Из боязни разбросаться я далеко
в этой области не забирался...» Как видно из этих строк,
ученый сознательно подавляет в себе желание изучить одну из
наиболее интересных и изящных математических теорий,
чтобы ни на шаг не отклоняться от своих непосредственных
задач. Еще ярче целеустремленность Фридмана и его
способность дисциплинировать свою мысль проявляется в другом
письме, также адресованном Стеклову: «Для меня самый
"больной вопрос—это магистерская диссертация. Я начну над
ней работать с середины зимы, так как чувствую, что в
противном случае в научном смысле разбросаюсь и значит
погибну».
К концу пребывания в университете Фридман
заинтересовался теорией движения атмосферы — динамической
метеорологией. Эта дисциплина представляла хорошее поле
деятельности для Фридмана, обладавшего любовью и способностями
к математическому анализу и прочным знаниям в области
дифференциальных уравнений. Кроме того, динамика
атмосферы составляла проблему, соответствующую направлению
Петербургской школы.
Фундаментальные открытия XVII века, завершившиеся
созданием механики Ньютона, подготовили почву для расцвета
общей механики, в частности теории движения сплошных сред.
Важнейший шаг в этой теории был сделан в результате рабог
двух академиков Российской Академии наук—Леонарда
Эйлера (1707—1783) и Даниила Бернулли (1700—1782). Их
И
труды оказали существенное влияние на нашу национальную
математическую школу, созданную впоследствии.
В своем трактате «Общие принципы движения жидкостей»
(1755) Эйлер впервые вывел основную систему уравнений
движения идеальной жидкости, т. е. жидкости, лишенной
внутреннего трения. Гидродинамика обязана Эйлеру обобщением
понятия давления на случай движущейся среды. Эйлер
впервые ввел понятие обтекания тела жидкостью. Он писал:
«Жидкость изменяет свое направление еще до достижения тела,
протекает мимо него вдоль поверхности и не прилагает к телу
никакой другой силы, кроме давления, соответствующего
отдельным точкам соприкосновения».
Эйлером было установлено важнейшее для теории
сплошных сред уравнение неразрывности. Этот ученый ввел также
понятие потенциала скорости, чем способствовал внедрению в
гидро- и аэродинамику аналитических методов. Велика
заслуга Эйлера также в исследовании вопроса о сопротивлении
жидкости движущимся в ней телам.
Другой петербургский академик, Даниил Бернулли,
написал важнейший труд, названный «Гидродинамика». Этот
термин был введен в науку именно Бернулли, до него он не
употреблялся. Основываясь на законе сохранения «живой силы»г
Бернулли сформулировал свой знаменитый закон,
связывающий скорость течения жидкости с давлением. Этот результат
казался в то время противоречащим здравому смыслу, ибо ов
утверждал, что чем скорость жидкости больше, тем ее
давление меньше.
В XIX веке начался новый этап развития динамики
сплошных сред. Из основ, заложенных Эйлером и Бернулли,
разрослось постепенно обширное здание той науки, которая
входит сейчас в математическую физику.
Подъем интереса к гидродинамике был связан с общим
промышленным прогрессом Европы и с разработкой мощных
аналитических методов. Наступление на проблему движения
жидкостей и газов быстро развертывалось. Исследованию
подверглись различные частные случаи—вихревое движение,
плоское движение и т. д. Появились новые разделы, а именно:
динамика вязкой жидкости и динамика сжимаемого газа.
Большое значение для науки о сплошных срелах имели
работы Стокса и нашего соотечественника Остроградского,
впервые установившего важнейшую теорему, связывающую
некоторые параметры движущейся жидкости.
В годы учения Фридмана Петербургский университет пред-
отяплял собой одно из самых прогрессивных учебных
заведений России. В университете действовала так называемая
«предметная система» — не было 'Никаких сессий, а экзамены
можно было сдавать в течение всего года и в любом порядке
(конечно, начало предмета сдавали раньше, чем его конец).
12
Студенты ходили сдавать экзамены по мере подготовки,
предварительно записавшись. Такая система имела недостатки и
свои преимущества. Для сильных студентов она, вероятно,
была полезной. Те, кто относился к занятиям серьезно,
приучались к самостоятельному планированию времени, к работе
над книгой.
В условиях предметной системы почти неизбежно было
возникновение студенческих кружков, ставящих целью
обмен научной информацией и взаимную помощь при
подготовке к экзаменам. Самодеятельные семинары привлекали
наиболее активных студентов и заставляли их серьезно
работать.
До самого окончания университета Фридман был одним из
главных членов математического кружка. Он делал доклады,
в которых проявлялось умение ясно и лаконично выражать
суть предмета. Уже в то время стиль изложения Фридмана
был таким, каким он оставался всегда: не сухим—остроумным,
изящным.
Хотя студенческие кружки сильно развивали
самостоятельность будущих ученых, они не были, разумеется, оторваны от
«большой науки». Студенты жили интересами науки и
прибегали к помощи профессоров при выборе направления
деятельности кружков и при возникновении трудностей.
Кружковская работа студентов в Петербургском
университете оказалась более важной, чем, возможна, думали ее
инициаторы. На ней пробовали свои силы многие впоследствии
крупные ученые, она способствовала их становлению. Кроме
Фридмана, из активных кружковцев можно назвать Я. В.
Успенскою, Я. Д. Тамаркина, В. В. Булыгина, Я. А. Шохата,
А. Ф. Гаврилова, А. С. Безиковича, Я. С. Безиковича, В. И.
Смирнова, Н. А. Агрономова.
Занятия в кружках создали у студентов такую сильную
потребность к творческой семинарской работе, что эту работу
бывшие кружковцы решили продолжить и после окончания
университета. По предложению Фридмана группа молодых
ученых решила зимой 1910/11 года регулярно собираться / и
делать доклады о своей текущей работе. Решено было
проводить доклады два раза в неделю. Каждый участник должен
был взять на себя чтение целого курса, рассчитанного на
лять-шесть выступлений. Фридман излагал на этом
самодеятельном семинаре теорию упругости. Выбор такой темы был
далеко не случайным. Он свидетельствует о том, что в момент
выхода из университета Фридман наметил уже для себя те
разделы науки, которым затем посвятил жизнь.
Официального руководства семинаром со стороны
университета не было. Но были тесная живая связь с научной жизнью
Петербурга, чтение научной периодики. Огромное влияние
оказывала личность и труды академика В. А. Стеклова. Само-
13
деятельный семинар, сплотивший выпускников и
сформировавший их математические интересы, "можно считать одной из
вех развития ленинградской научной школы.
Вскоре после окончания университета Фридман женился.
Это событие не имеет непосредственного отношения к науке;
но косвенное влияние его на успехи Фридмана как ученого,
несомненно, было. Жена Фридмана, Екатерина Петровна,
всегда помогала Александру Александровичу в его трудах, без
устали проверяла корректуры его бесчисленных работ и,
конечно, заботилась о быте ученого, готового не спать,
забывавшего о еде, не щадившего сил и здоровья в своей огромной по
объему и разносторонности деятельности.
Екатерина Петровна пережила мужа на двенадцать лет и
была автором интересных воспоминаний о нем.
В чем же сущность тех вопросов, которыми занимался
Фридман -после окончания университета?
В двух словах—это дифференциальные уравнения в
частных производных. Проблема, как мы говорили, характерная
для русской математической школы, имеющая значительный
выход в прикладные области и охватывающая огромное
количество практических задач.
Дифференциальным уравнением называется соотношение,
связывающее скорость изменения некоторой величины со
значением самой этой величины или с моментом времени. В
более сложных случаях в соотношение входит не только
скорость, но и ускорение, т. е. быстрота изменения скорости. Зная
закон зависимости между данной величиной, ее скоростью
изменения и ускорением, математик должен дать формулу, па
которой можно будет найти, значение исходной величины в
любой момент времени. Из сказанного видно, что постановка
задач в области дифференциальных уравнений отличается
большой общностью в смысле охвата конкретных явлений
природы.
Если перечислять все разделы естествознания и техники,
в которых самой существенной задачей является решение
дифференциальных уравнений, не хватило бы этой брошюры. Но
математик, как правило, не заботится о том, сколько
прикладных вопросов стоит за «чистой» проблемой, формулированной
в терминах научной абстракции.
Фридман уже в студенческие годы придерживался иного
подхода. Он проявлял живейший интерес к практическим
истокам математических обобщений. Он не признавал
теоретического знания, которое не может быть в любой момент
обращено на решение конкретной задачи. А. Ф. Гаврилов в своих
воспоминаниях пишет: «А. А. Фридман имел редкие
способности к математике, однако изучение одного только
математического мира чисел, пространства и функциональных в них
соотношений не удовлетворяло его. Ему было мало и того мира,
14
который изучается теоретической и математической физикой.
Его идеалом было наблюдать реальный мир и создавать
математический аппарат, который позволил бы формулировать
с должной общностью и глубиной законы физики и затем, уже
без наблюдения, предсказывать новые законы».
Несомненно, что как раз это свойство Фридмана
позволило ему добиться в науке выдающихся результатов:
Подлинный ученый понимает, что всякая наука является
лишь приближением к истине. Действительный мир
бесконечно сложен, и полностью отразить его уравнениями
невозможно. Поэтому при исследовании необходимо учесть лишь самое
главное, а второстепенное отбросить, по крайней мере на
первой стадии анализа. Задачей теоретика, таким образом,
оказывается разумное упрощение и всесторонний разбор
решения идеализированной задачи.
Но что можно не принимать в расчет, а что нельзя? Что
является существенным и чем можно пренебречь? Ответить на
эти вопросы не всегда бывает легко. Для этого нужно хорошо
знать и понимать сущность явления, наблюдать его много раз,
как говорят ученые, «чувствовать>х.его.
Итак, правильная, наиболее целесообразная идеализация—
первый этап научного анализа. Когда он пройден, на стол
ученого ложатся листы бумаги, исписанные формулами,
уравнениями, неравенствами. Теперь начинается второй этап—чистая
математика. Совокупность соотношений все еще чрезвычайно
сложна, несмотря на пренебрежение рядом несущественных
свойств явления. Нужно сделать дальнейшие упрощения,
математические. Нужно оценить порядок величин, исследовать
возможность отбросить «хвосты» бесконечных рядов,
постараться заменить сложные функции близкими к ним более
простыми и т. д. Когда математик занимается этой работой, он
уже не видит за ней физического явления, которое привело к
данным уравнениям.
Но вот окончательные формулы выведены. Насколько они
ценны? Не были ли упрощения чересчур сильными? Можно ли
считать, что сделан шаг вперед в науке?
Ответ на эти вопросы в большинстве случаев может дать
лишь эксперимент. Если важные детали природного или
лабораторного процесса описываются выведенной формулой
хорошо, если, согласно этой формуле, предсказаны
неоткрытые явления, которые затем обнаружены с помощью опыта, то
теория получает право на существование.
Фридман- умел -охватить реальное явление в целом и
проводил его исследование во всех трех стадиях. В этом—одна из
причин научного успеха Фридмана. Он сам проводил
идеализацию явления, так как никому не хотел доверить эту важную
стадию работы. Он стремился вникнуть в сущность процесса
и отделить главное от второстепенного. Он мастерски готовил
15
уравнения, описывающие явление, а затем сам же их решал.
И даже проверку решения он всегда стремился проделать
с^м, проделать на практике. Для этого приходилось порой
подниматься на воздушном шаре и своими руками бросать с
самолета бомбы,—это не смущало ученого.
Друг юности Фридмана Я. Д. Тамаркин говорил, что
Фридман был постоянно озабочен тем, «как бы что-нибудь
откинуть». Разве эта фраза не великолепно характеризует
основную черту всякого настоящего ученого—стремление к
подчинению сложного? Его мысль все время пытается найти
главное и откинуть второстепенное, найти существенное и
откинуть побочное, найти закономерное и откинуть случайное.
Что больше привлекало Фридмана—отыскание
правильных упрощений при идеализации явления или преодоление с
помощью упрощений чисто математических трудностей,—
сказать трудно. Скорее всего для Фридмана эти задачи были
неразрывно связаны в одну Наблюдая природные процессы,
например движение атмосферных течений, он видел в них
математические закономерности; решая уравнения, он видел за
ними реальный мир физических объектов.
Если учесть все сказанное об особенностях Фридмана как
ученого, то не будет удивительным, что к 1913 году он
сконцентрировал свой интерес на аэро- и гидродинамике.
Движение воздушных и водных масс представляет собой
легко наблюдаемое явление. Это означает, что здесь сразу же
возникает задача сообразить, «что нужно откинуть»,
результаты можно проверять на практике.
Кроме того, теоретический аппарат динамики сплошных
сред соответствовал специфике математического образования
Фридмана. Гидродинамика связана с дифференциальными
уравнениями в частных производных. Эту область Фридман
хорошо знал и любил. В этой области была очень сильна
тогдашняя русская математическая школа.
В начале 1913 года Фридман поступил на работу в
Аэрологическую обсерваторию, находившуюся в Павловске, под
Петербургом. Сразу же он столкнулся с новыми для него
научными проблемами и обнаружил,, что может в них
разобраться не менее успешно, чем в темах университетского кружка.
Только объем работы на этот раз был огромным. Кто хотя бы
раз видел специальные издания синоптиков и метеорологов,
тот помнит обилие непонятых терминов, которые
употребляются в этих науках. Но дело не только в
терминах—наблюдательная и теоретическая метеорология являются
дисциплинами очень своеобразными по существу. В течение столетий они
были почти исключительно эмпирическими отраслями знания,
неким «колдовством». Естественно, что в них накопилось
множество рецептов и «законов», имеющих частное,
специализированное значение. Фридману необходимо было быстро войти
16
в курс дела, перевести язык новой для него науки на родной
язык математики.
Он переехал в Павловск и весь погрузился в изучение
способов наблюдения атмосферы. Кроме синоптики и
динамической метеорологии, пришлось ознакомиться с теорией земного
магнетизма. Гот комплекс знаний, который приобретается
рядовым ученым за много лет, Фридман освоил за несколько
месяцев. Скоро он стал выдающимся специалистом в
метеорологии и смежных областях.
Не довольствуясь одной математической стороной, дела,
Фридман все время мечтал проверить свои выводы на опыте—
с помощью запуска аэростатов с людьми или наблюдения с
самолетов. Этот человек всегда хотел испытать силу своего
разума на чем-то живом, реальном, а значит—сложном.
Атмосферу он рассматривал как грандиозную лабораторию,
теоретический анализ которой подготовлен математической
физикой.
1913 год—последний год «мирного времени»—был
ознаменован для Фридмана двумя важными событиями. Он сдал в
Петербургском университете экзамены на степень магистра
чистой и прикладной математики и напечатал в
«Геофизическом сборнике» важную работу: «О распределении
температуры воздуха с высотою». Вчерашний новичок в метеорологии,
он начал уже вносить в эту науку новые идеи.
В 1914 году Фридмана командировали в Лейпциг, и
несколько месяцев он работал у известного профессора Бьерк-
несса. Последнему принадлежит теорема, названная его
именем, о количестве вихревых трубок, возникающих внутри
жидкого потека. Совместно с учеником Бьеркнесса—Хессельбер-
гом—Фридман написал в Лейпциге работу по метеорологии.
Вклад Фридмана в науку о климате и погоде огромен.
Вряд ли кто-либо другой сделал в метеорологии так много и
так заслужил право называться создателем этой науки. В
настоящее время имеются два направления-
метеорологии—теоретическое, рассматривающее задачи об общих движениях
атмосферного газа в различных условиях, и конкретное про-
гнозирование, основанное на численных методах расчета. Вся
та часть прогнозирования погоды, которая связана с общей
теорией, основана фактически на идеях Фридмана и трудах,
вдохновленных этими идеями. Когда Фридман скончался,
директор Прусского метеорологического института профессор
Фикер сказал: «Надежда теоретической метеорологии отошла
с ним».
Не удивительно, что в столь сложной среде, которой
является атмосфера, возникают явления, непонятные математикам.
На перемещения возд>шных масс влияет и вращение Земли,
и неоднородность нагрева, и рельеф земной поверхности, и
многое другое. Любая идеализация получается в каком-то
2655—3
17
смысле грубой и несовершенной. Оказывается, что каждый из
бесчисленного количества факторов играет существенную, не-
пренебрежймую роль.
В 1905 году Тейсеран де-Бором была открыта верхняя
инверсия температуры атмосферы. Оказалось, что температура
воздуха понижается лишь до определенной высоты, а затем
начинает возрастать. Инверсия происходит в стратосфере—
на высотах больше десяти километров. Некоторое время
теоретическая метеорология вообще не могла дать объяснения
этому явлению.
Только в 1909 году были сделаны первые шаги к решению
загадки. Выяснилось, что необходимо ввести в рассмотрение
баланс лучистой энергии, получаемой и излучаемой
элементом атмосферы". Так как, кроме уравнения сохранения
энергии, имеются еще основные уравнения гидродинамики, задача
в общей постановке получается чрезвычайно громоздкой.
До Фридмана были сделаны некоторые упрощающие
предположения. Первое из них состояло в том, что коэффициент
поглощения атмосферы является постоянным, не зависящим
от длины волны. Решение уравнений, основанное «а этом
упрощении, приводит к результатам, резко несогласующимся с
действительностью—получается, что вся атмосфера должна
иметь одинаковую температуру, не изменяющуюся с высотой.
Другое предположение выдвинул Эдмен. Он решил считать,
что атмосфера имеет два коэффициента поглощения—один
для коротких волн, другой—для длинных. Иными словами,
непрерывную на самом деле функцию он представил
ступенчатым графиком. В этом случае вывод получился ближе
отвечающий истинному положению вещей и объяснилось
существование верхней инверсии температур. Но вблизи земной
поверхности теория Эдмена давала не такое распределение
температуры, какое наблюдается. Фридман сделал
качественно новый шаг: он ввел в рассмотрение слабые
вертикальные перемещения воздушных масс. Разумеется, система
уравнений сразу же резко при этом усложнилась. Но
предположение о вертикальных течениях приближало идеализированную
модель атмосферы к реальности. Что же касается трудности
решения усложненной системы, то Фридман сумел ее
преодолеть, хотя и не сразу.
В первой работе на эту тему он искал решение с помощью
метода приближенных вычислений. В таких случаях задача
осложняется не только громоздкостью расчета,, но и более
принципиальной трудностью: необходимо доказать, что
проведенные упрощения не были слишком грубыми. Заранее это
обычно неизвестно и нужно заниматься довольно тонким
анализом решения, иначе может получиться бессмысленный или
никак не связанный с истиной результат.
Фридману не удалось сразу доказать правильность своих
18
выкладок. Работу пришлось продолжить только в 1920 году—
ее прервала война. На этот раз он употребил несколько
другой метод и доказал строгость своих выводов.
За короткий срок Фридман исследовал ряд
кардинальнейших для метеорологии проблем. Простое их перечисление ясно
показывает объем и значение труда, проделанного ученым в
этой области. Он занимался теорией атмосферных вихрей,
вопросами порывистости ветра, моделью циклона, разрывами
непрерывности в атмосфере, теорией турбулентности воздушных
масс.
Когда вы слушаете по радио прогноз погоды, вы не всегда
задумываетесь над тем, что лежит за лаконичным сообщением
диктора. Часто вам хочется подшутить над теорией, дающей
не всегда правильные предсказания. Однако дело совсем не
в теории, она абсолютно верна. Отклонение прогноза от
истины связано не с отсутствием понимания процессов атмосферы,
а с чисто техническими трудностями получения огромной
информации о температуре, давлении и влажности со всего
мира (да еще так, чтобы точки, откуда идут сведения, лежали
как можно гуще) и быстрой обработки этой информации.
Если бы удалось собирать отовсюду лравильные сведения о
погоде и имелись бы достаточно быстрые электронные
машины, вовремя производящие вычисления согласно
метеорологическим уравнениям, то прогнозы были бы всегда точными и
безошибочными. Но это означает, что наука в конце концов
победила такое невообразимо сложное комплексное явление,
каким является жизнь атмосферы. Фридман для этой победы
сделал, вероятно, больше других ученых.
Фридман одним из первых в нашей стране понял, что
служба погоды нуждается в коренных преобразованиях, и дал
программу этих преобразований. В основу им были положены
следующие соображения.
Первой задачей метеорологии—науки об атмосферных
явлениях—нужно считать своевременный и подробный диагноз
погоды. Для его получения необходимо создать равномерно
распределенную сеть метеостанций, охватывающую по
возможности всю территорию страны. При этих условиях,
конечно, возникают трудности в передаче и сборе информации со
всех пунктов. Поэтому нужно организовать областное
подчинение станций—каждый наблюдательный пункт должен
передавать сведения в тот областной центр, к которому он
тяготеет по географическому местонахождению. Затем сведения
поступают (после предварительной обработки) на центральную
станнию.
Второй функцией метеослужбы является прогнозирование.
Прогноз нужно делать двух типов: краткосрочный и
долгосрочный. Для разных прогнозов следует использовать разный
.научный аппарат. Всю работу по предсказаниям погоды необ-
19
ходимо возложить на единую организацию — центральное
бюро прогнозирования (сейчас это учреждение называется
Центральным институтом прогнозов).
Третья задача метеорологии—активное влияние на погоду,
«делание погоды». Однако это—дело будущего, хотя уже
сейчас нужно закладывать теоретические основы, которые
впоследствии смогут помочь осуществлению грандиозного плана
изменения климата.
Кроме обычных, наземных измерений температуры,
давления, силы ветра, влажности и т. д., необходимы наблюдения
аэрологические, осуществляемые с помощью аэростатов и
самолетов. Метеостанции нужно снабдить новым совершенным
оборудованием и самописцами и фиксировать как можно
больше параметров атмосферы, например измерять турбулентность
ветра, его порывистость. Приборы должны быть точными и
чувствительными.
Как видно из приведенного краткого изложения плана
организации службы погоды в России, его автор, А. А. Фридман,
предусмотрел в общих чертах многое из того, что
осуществлено сейчас, спустя почти сорок лет. Фридману не довелось
самому провести реформу до конца, но он сделал основное. Вскоре
после его смерти, выступая на заседании Ленинградского
физико-математического общества, Н. М. Гюнтер сказал:
«Осуществление этой реформы взяло все время в последние
месяцы А. А., она не доведена до конца..., но им сделано уже
столько, что реформа остановиться не может».
Фридман предугадал направление развития метеослужбы
на много лет вперед. Его постоянное подчеркивание важности
высотных наблюдений мы можем лишь теперь оценить в
полной мере. Метеорологические искусственные спутники Земли
выполняют в наши дни такой комплекс наблюдательной
работы, о котором Фридман мог только мечтать.
Погода... Самое привычное, обыденное понятие. Мы
соприкасаемся с ней каждый день, просыпаясь, встречаем ее,
ложась спать, думаем: «А какая она будет завтра?» Разговоры о
погоде считаются самыми пустыми. И в то же время погода—
одно из самых сложных и запутанных явлений природы.
Огромная загадка, которую задает нам зыбкий и непостоянный
воздушный океан. Погода—вызов, брошенный науке
атмосферой. Старики по боли в костях иногда угадывают
приближение дождя, ласточки своим полетом предсказывают погоду.
Неужели же наука не может сделать того, что доступно
ласточкам?
Фридман принял вызов. Он был убежден, что в
грандиозно сложных метеорологических процессах имеются строгие
закономерности, которые можно обнаружить с помощью
математики. Он сам нашел многие из таких закономерностей и
показал путь, по которому надо идти, чтобы решить задачу
20
до конца. Однако он отдавал себе ясный отчет в том, что
если дожидаться создания безукоризненно изящной теории, то
практические нужды метеорологии понесут ущерб. Поэтому
Фридман разработал численные методы прогнозирования и
вместе со своими учениками В'вел их в практику службы
погоды.
БУРИ НЕ АТМОСФЕРНЫЕ, А ЖИТЕЙСКИЕ
Описывая деятельность Фридмана в области метеорологии,
мы вынуждены были забежать несколько вперед. Вспомним,
что изложение биографии ученого мы прервали на том
периоде, когда он работал в Лейцпиге у Бьеркнесса.
Незадолго до начала первой мировой войны Фридман
вернулся на родину. Когда была объявлена мобилизация, он
поступил добровольцем в авиационный отряд. Он был зачислен
«нижним чином» — аэронавигатором. Началась военная
жизнь Фридмана, продолжавшаяся около трех лет.
Казалось бы, в рассказе о его научных занятиях должен
наступить естественный перерыв—«на войне, как на войне».
Но никакие внешние события не могли заставить мысль
Фридмана остановиться. На фронте он продолжает и учиться, и
творить. Необычные же условия он старается максимально
использовать для научной работы. Ведь он в авиаотряде — как
же не заниматься наблюдениями над атмосферой!
Вот письмо Фридмана Б. Б. Голицыну, написанное с
фронта. Вначале идет краткое описание солдатской жизни:
«Причины наших неудач двоякого сорта: с одной стороны,
наличность тяжелой артиллерии у немцев «и отсутствие ее у нас, с
другой стороны, великолепная организация и техника у
немцев и отсутствие того и другого у нас. Тяжелая артиллерия
производит огромное моральное действие—фактически вред
от нее невелик...»
Эти же или похожие слова были в тысячах других писем,
идущих с фронта в тыл. Возмущение царской армией и ее
порядками...
Но несколькими строчками ниже написано нечто совсем
другое, необычное для письма, идущего с театра военных
действий в тыл:
«В настоящее время я занимаюсь вопросом об определении
температуры и давления, когда заданы скорости..., условия,
кои получаются при этом, дают некоторые указания на
величину вертикальной скорости... в атмосфере в зависимости от
горизонтальных скоростей и свойств воздуха; это, мне
кажется, имеет практический интерес.
Затем собираюсь написать, если Вы найдете это удобным,
для Географического сборника небольшую заметку о причи-
21
нах возникновения и исчезновения вихрей в атмосфере, хотя
бы в общей математической форме,—было бы очень
интересно».
Из последних слов видно, что Фридман продолжал и на
фронте думать о проблемах метеорологии. Но ум ученого
обращался и к другим интересным математическим проблемам,
которые сами собой возникали в условиях войны. Одной из
таких проблем было движение самолета в потоке воздуха с
произвольным законом. Другой—траектория падающей
бомбы.
Есть шуточное правило, сформулированное польским
профессором Штейнгаузом, которое называется «математик
сделает это лучше». Под ним имеется -в виду следующее: если
двум людям, из которых один математик, а другой—нет,
поручить одинаково незнакомую для них работу, то математик
справится с ней всегда успешнее. Трудно утверждать, что
«закон Штейнгауза» универсален, но Фридман, во всяком случае,
подтвердил его своим примером. Он недолго просто
присматривался к авиации и вскоре начал активно участвовать в ее
организации.
Теории бомбометания тогда фактически не было.
Фридмана зто не смутило—он сам ее создал, по крайней мере в
первом приближении. После этого необходимо было
проверить расчеты на практике. Фридман не хотел поручать это
кому-то другому, он сам просился в боевые вылеты, бросал
бомбы. В начале 1915 года он писал Стеклову: «Мне самому
довелось недавно проверить свои соображения во время
одного из полетов под Перемышлем; оказалось, что бомбы
падают почти так, как и следует по теории. Чтобы 'Окончательно
подтвердить теорию, я в один из ближайших дней полечу
снова».
Выдающиеся научные и организаторские способности
Фридмана пробили себе дорогу даже в условиях косной
царской армии. Вскоре он получил повышение по службе—стал
летчиком-наблюдателем 26-го отряда. Теперь летать
пришлось очень часто. Полеты были разные—и спокойные, и
опасные. В один из вечеров случилось, например, такое:
«Подходя к земле и делая вираж у земли, мы ее уже за темнотой
не .видели; на одном из виражей сдал мотор, и если бы не
чудесная случайность, мы врезались бы на всей скорости в
овраг...».
Не только несовершенные конструкции самолетов грозили
гибелью—Фридман сражался в воздухе с самолетами
противника.
«Особенно интересны были два полета, в которых мне
довелось участвовать в воздушных боях; первый полет был на
«Фар.мане-15», летчик передал мне управление, и я несколько
минут вел аппарат в воздухе, а летчик стрелял в немца из
22
карабина; второй бой был грандиознее: мы вступили в бой -с
двумя неприятельскими аэропланами, из которых один был
вооружен пулеметом; самое ужасное было слышать дробь
•пулемета, целящегося в нас;' расстояние между аэропланами
было ничтожное, и я считаю чудом, что спасся от смерти. Бой
происходил над нашими войсками, на глазах у тысяч
свидетелей; немцы ушли, завидев возвращающийся с разведки
©торой наш аэроплан «Вуазен».
Через некоторое время Фридман получил новое
повышение. Ему поручили организовать центральную аэрологическую
станцию при шестой авиационной роте, где обучались
наблюдатели-аэрологи и откуда шло руководство созданием
других аэрологических станций по всему фронту.
В конце 1915 и в начале 1916 года Фридман фактически
возглавил аэронавигационную службу на всех фронтах
русской армии. Он руководил центральным управлением этой
службы, а в марте 1916 года был назначен официальным
заведующим управления. Параллельно с организационной
работой он читал лекции в киевской школе
летчиков-наблюдателей. Для развивающейся военной авиации были
необходимы, таблицы по бомбометанию. С осени 1916 года Фридман
занялся их составлением.
Ему помогал в организации работы математик А. Ф. Гав-
рилов. Описывая этот период деятельности Фридмана,, он
вспоминает: «Вот что было сделано менее чем за год:
1) Вычислены ('впоследствии напечатанные) таблицы
прицельного бомбометания с самолетов (при употреблявшихся
тогда параметрах);
2) Отремонтирован в специально организованных
мастерских -весь парк приборов, имевшихся в армии, q
модернизацией высотометров;
3) Составлен вчерне проект производства всех приборов;
4) Таблицы бомбометания проверены опытным
бомбометанием на аэродроме в Севастополе; отчет впоследствии
напечатан;
5) Спроектированы и построены прицельный прибор и
бомбосбрасыватель, испытанные в Севастополе;
6) Составлен проект завода в Москве для производства
аэронавигационных приборов с собственной
аэродинамической трубой, лабораториями, литейной и механической
мастерскими;
7) Подготовлено около ста аэронавигаторов для строевой
авиации и сделаны некоторые исследования по
аэрофотосъемке».
Летом 1.917 года завод в Москве, упомянутый в шестом
пункте (на его базе возник завод «Авиаприбор»), уже
существовал не в проекте, а реально. Фридман заведовал сначала
первым отделением завода, а затем стал его директором.
23
После Октябрьской революций завод был
законсервирован, а персонал распущен. Советское правительство
провозгласило выход из империалистической войны. Военные
предприятия частично были закрыты или переведены на другую
продукцию. Фридман снял свою армейскую форму и
вернулся к науке. Нужно сказать, что это он сделал с
удовольствием, ибо с начала войны мечтал о том дне, когда можно будет
снова засесть за серьезную научную работу.
События 1914—1917 годов потрясли Россию до основания.
Затяжная война с Германией, затем буржуазная революция,
наконец Великий Октябрь, интервенция, гражданская война,
разруха. Многие судьбы резко изменили свое течение. Люди
теряли близких, оказывались в непривычных и сложных
условиях. Советская власть вначале контролировала лишь часть
территории страны. На периферии подвизались «местные
правительства», всяческие ставленники буржуазии и помещиков.
И все же был простой и ясный каждому вопрос,
требующий уверенного и четкого ответа: ты с родиной или против
нее? Ты со своим народом или против него?
Когда произошла Октябрьская революция, отзвук от нее
прокатился по всему миру. Одни люди воспылали надеждой,
другие захлебнулись ненавистью. Сколько иностранных
газет обливали тогда грязью взявших в руки власть
большевиков! Какие только аргументы не приводили в доказательство
обреченности нового строя! И одним из главных аргументов
был такой: большевики уничтожают культуру, они вандалы,
они ввергают Россию в тьму средневековья...
Эта пропаганда была не столько смешной и наивной,
сколько хитрой и расчетливой. Опытные буржуазные
газетчики играли на невежестве средних классов, на недостатке
объективной информации, на неустойчивости интеллигенции,
чтобы привить боязнь к революции. Но самой вожделенной
их темой была оппозиция по отношению к революции деятелей
культуры. Не поняв социальных изменений, не приняв
народною власть, уехал такой-то ученый—в Америке и в Европе
кричат: «Крах социалистической культуры!» Кто из читателей
сосчитает, сколько ученых не уехало из России?
Эмигрировало, конечно, меньшинство. Но и из тех, кто
остался, далеко не все сразу взялись за дело. Были трудные
времена. Родина была зажата железным кольцом блокады.
Вопрос стоял о жизни и смерти социалистической Отчизны.
Людей мобилизовали на фронт и на работу. Продовольствия
не хватало. И не все ученые понимали необходимость крайних
мер в этих условиях. Кое-кто был недоволен, брюзжал,
вспоминал «мирное время». Были -и такие, кто сознательно
саботировал, не хотел «служить большевикам». Формально они
ничего антисоветского не делали, а по существу наносили
значительный вред формирующемуся государству.
24
Вот поэтому-то и важны, неоценимо важны были усилия
ученых-патриотов, закладывавших основы новой советской
науки. Эти специалисты выполняли не только научную, но и
не менее существенную политическую миссию. Клеветников
они должны были опровергнуть не словами, а делом. В числе
тех ученых, которые активно способствовали расцзету
советской науки в первые послереволюционные годы, был Фридман.
Однако полностью включиться в научную деятельность
после демобилизации ему пришлось не сразу. Военная судьба
сорвала его с прежнего места—с Павловской обсерватории.
В связи с разными преобразованиями царских учреждений и с
изменением штатов возможность вернуться в обсерваторию
была для Фридмана, находившегося в то время в Москве,
неясна. Кроме того, было голодное время, переезды
сопровождались трудностям-и. Как на грех, у него случились зимой
1917—1918 года приступы сердечного заболевания, не
позволявшие много двигаться. Однако сидеть без дела Фридман не
мог. Он решил заняться преподавательской работой. С этой
мыслью он послал документы в недавно созданный
Пермский университет.
Результат оказался положительным. Фридман был
избран «экстраординарным» профессором Пермского
университета по кафедре теоретической механики.
Два года, проведенные в Перми, Фридман посвятил
отчасти своей излюбленной теме — движениям атмосферы,
отчасти организационной деятельности, столь необходимой для
становления молодого университета. Им была написана статья
«О вертикальных течениях в атмосфере». В ней развиваются
идеи, выдвинутые ученым еще в 1913 году. На этот раз
рассматриваются перемещения воздушных масс в вертикальном
направлении, происходящие при условии притока тепла в
атмосферу. Разумеется, для решения задачи нужно было что-то
отбросить. Упрощающие предположения, сделанные
Фридманом, заключались в том, что давление, удельный объем,
температура и величина притока энергии зависят только от
высоты Эта частная задача была решена, и результат получился
весьма интересным: например, из него следовал вывод о
возможности равновесия атмосферы в том случае, когда
вышележащие слои плотнее нижележащих.
В Пермском университете Фридман не только читал
лекции и занимался научной работой, но и был одним из самых
деятельных участников работы по расширению этого
учебного заведения. Треволнения, связанные с административной
деятельностью, хорошо выражены в строках письма Фридмана
Стеклову, датированного двадцатым декабря 1918 года:
«Мы организовали Физико-математическое общество,
получили субсидию в 15 000 рублей и приступили уже к
'изданию журнала. Описывать трудности, кои пришлось преодо-
25
леть, не буду. Теперь мы имеем математический шрифт, й
часть статей пошла уже в набор. Мы нарочно пустили сначала
статьи местные, наши, чтобы наборщики на них выучились
бы. Однако без помощи лучших сил журнал не проживет
дольше года. Совершенно поэтому необходима Ваша помощь,
Владимир Андреевич».
Но на долю Фридмана в Перми выпали не только
организационные заботы. В 1919 году этот город заняли войска
Колчака. Патриотизм ученого проверялся испытаниями.
Насколько Фридман их выдержал, ясно из его собственных
слов:
«...по мере того, как Колчаковия делалась все более и
более черносотенной, что обусловливалось временными
походами белых, стало замечаться резкое расслоение в рядах
пермской интеллигенции, часть которой окончательно окрасилась
в черный цвет, а другая часть стала все более и более
подозрительно смотреть на «-махры» расцветающей власти. Это
разделение было источником большого количества столкновений
в Совете Университета...
Завершительным актом многих нелепых поступков
пермской профессуры была эвакуация Пермского университета
при отступлении белых. К счастью, она не удалась, и только
личному составу и ничтожной части груза удалось проехать
в Томск».
После освобождения Перми советскими войсками
Фридман участвовал в восстановлении университета. Но масштаб
работы в Перми все же не мог удовлетворить ученого.
Фридмана властно влекло его любимое дело—метеорология. При
первой возможности, в 1920 году, он вернулся в Петроград,
ТЕОРИЯ СЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ
«(Последние пять лет жизни этого удивительного человека
были полны буквально самозабвенного труда в новых
областях и с новыми головокружительными успехами».
Эти слова А. Ф. Гаврилова прекрасно характеризуют тот
период жизни Фридмана, который мож'но назвать полной
творческой зрелостью.
Снова возникает вопрос: откуда бралось у Фридмана
время? Ведь, кроме научной, была напряженная
организационная и административная деятельность. Были командировки
на заграничные конференции, выступления. Были неотложные
обязанности директора обсерватории, большая
педагогическая работа.
Ответ на этот вопрос, может быть, содержится в
лаконичной и эмоциональной фразе Фридмана, которую нельзя
читать без волнения:
26
«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».
Говоря о таких ученых, как Фридман, часто употребляют
выражение «он совершил научный подвиг». «Подвиг»—это
почти «подвижничество», а последнее содержит в себе что-то
жертвенное. Невольно рисуется взору уединившийся в
кабинет ученый, старательно избегающий всех соблазнов и
отвлекающих занятий и, побеждая самого себя, двигающий науку
во имя блага людей. Фридман был вовсе не таким. Он любил
жизнь во всех проявлениях и не ограничивал своих интересов
одной лишь наукой. Как иногда говорят, он был жадным к
жизни. И именно поэтому он был жадным к научному труду,
который дает ученому несравненную радость творчества.
Жаль, что наши популяризаторы и авторы биографий
ученых.мало рассказывают о том, что для настоящих людей
науки творчество было совершенно естественным состоянием,
величайшей и непреоборимой потребностью натуры. Помните,
как Фридману в школьные годы запрещали заниматься
математикой в тех случаях, когда нужно было наказать его?
Врожденную тягу к научным занятиям Фридман развил до такой
степени, что она стала определяющей чертой его характера.
Работая, он испытывал счастье.
Мы уже знаем, что Фридман сделал большой вклад в
научную метеорологию. Для этого ему понадобилось приложить
огромный труд, включавший в себя организацию наблюдений
и их обработки и создание теоретических основ
прогнозирования. Однако, мысль ученого пошла дальше практических
задач. За сложными уравнениями, определяющими
«передвижение воздушных масс, он увидел черты универсальности и
общности и, выделив их в чистом виде, создал строгую и
замкнутую в конечном числе непротиворечивых теорем
науку—теорию движения сжимаемой жидкости произвольного
типа. Этот важнейший труд он начал еще в то время, когда
работал в авиации. Вот что говорит в этой связи о Фридмане
Н. М. Гюнтер:
«Во время войны им выпущено несколько заметок и
начата диссертация, за которую потомство справедливо причислит
его к числу создателей теории сжимаемых жидкостей.
Эта работа вышла в свет только в 1922 году, но она
посвящена вопросу, соприкасающемуся с динамической
метеорологией и при непрерывном стремлении А. А. разобраться в-
каждом вопросе до полного его выяснения эта работа
началась с поступления его в Павловскую обсерваторию...
По существу эта вся его работа чисто математическая.
Многое практически важное получено потому, что, начав с
самого начала учиться отбрасывать, он этому действительно
научился и делал с толком».
27
В чем же состояла теоретическая проблема, за решение
которой взялся Фридман?
Еще в семнадцатом веке Роберт Бойль заложил основы
теории идеального газа. Он установил, что такой газ
обладает свойством увеличивать свою плотность прямо
пропорционально оказываемому на него давлению. Впоследствии было
обнаружено, что при неизменном объеме давление в газе
пропорционально температуре. Разумеется, эксперимент
давал лишь приблизительное совпадение с этими законами и
ученым пришлось сформулировать упомянутые четкие
правила, пользуясь искусством отбрасывать небольшие искажающие
факторы.
Через двести лет после Бойля великий Больцман дал
теоретическое объяснение газовых законов, исходя из
кинетической модели веществ. Идеальный газ, по Больцману,—это
совокупность абсолютно упругих точечных молекул,
взаимодействующих между собой по правилам «столкновения
биллиардных шаров». Статистическая теория Больцмана,
разрабатывавшаяся также Гиббсом и Максвеллом, оказала огромное
влияние на развитие всей физики. Пользуясь методами
кинетической теории газов, удалось улучшить законы Бойля и
Гей-Люссака и найти уравнение так называемого «реального
газа»—уравнение Ван дер-Ваальса.
Но «реальный» газ оставался по существу весьма
рафинированной идеализацией, лишь чуть приближенной к
фактически существующему в природе газу по сравнению с
«идеальным» газом Бойля.
Усиленно развивалась и теория идеальной жидкости. В
применении к жидкости термин «идеальная» означает
несжимаемая и лишенная внутреннего трения, невязкая. Уравнения
математической физики позволяли описать основные
свойства такой жидкости. Еще в XIX веке возник вопрос о
разработке теории сжимаемой жидкости и были исследованы
некоторые частные случаи.
Фридман поставил наиболее широкую проблему: он стал
исследовать движения сжимаемой жидкости общего типа. В
такой постановке задача охватывала, конечно, и любой газ.
Более того, если говорить о практических истоках теории
Фридмана, то они были связаны в основном именно с
передвижением атмосферных масс. Поэтому под условным
наименованием «жидкость» нужно понимать в первую очередь
газ. Такое кажущееся недоразумение легко объясняется тем,
что Фридман исследовал движение среды, а весь
математический аппарат соответствующего назначения был развит до
Фридмана почти исключительно для жидкостей. Этот аппарат
составлял основу науки, которую Фридман называл
«классической гидромеханикой». Основополагающую роль в
гидромеханике вихревого движения сыграли работы Гельмгольца,
28
В классической гидромеханике рассматривалась сначала
жидкость несжимаемая. Позднее было сделано важное
обобщение и теория распространилась на такую жидкость, которая
способна сжиматься, но плотность которой зависит только от
давления. Например, такой «жидкостью» является газ,
подчиняющийся закону Бойля—Мариотта: «произведение
объема, занимаемого газом, на давление есть величина
постоянная». Как известно, этот закон предстазляет собой частное
следствие уравнения Клапейрона—Менделеева:
«произведение объема на давление пропорционально температуре».
Другими словами, закон Бойля—Мариотта относится к газу,
находящемуся при постоянной температуре. Такой газ входил в
предмет классической гидродинамики.
Теорией рассматривался также и другой частный вариант:
газ, подчиненный законам адиабатического процесса. В этом
случае принимается, что тепло не подводится к газу иззне и
не уводится из газа никаким способом. Приближенно
адиабатическими можно считать все быстрые процессы—теплообмен
в них не успевает сказаться существенным образом.
При адиабатическом сжатии газ 'нагревается. Это
происходит, скажем, в цилиндрах дизельного мотора. При
адиабатическом расширении газ охлаждается. На таком принципе
была построена машина Линде для сжижения газов Но
насколько газ, лишенный теплообмена, меняет свою
температуру при изменении давления, настолько он отклоняется от
закона Бойля—Мариотта. Ведь в этих случаях начинает
сказываться правая часть уравнения Клапейрона—Менделеева, в
которой стоит температура.
Адиабатический процесс сложнее изотермического
(протекающего при постоянной температуре). Однако в нем дав-
ление есть функция одной лишь плотности. Это значит, что»
плотность, в свою очередь, есть функция одного лишь
давления. Такой парадоксальный на первый взгляд факт
объясняется тем, что температура, влияющая на давление, меняется,
в адиабате с плотностью по известному и раз навсегда
заданному закону Таким образом, из уравнения адиабаты можно*
исключить температуру как зависимую величину и оставить,
чистую связь между плотностью и давлением, которая уже,
разумеется, будет не такой, как при изотерме.
Охватывают ли изотермический и адиабатический
процессы все или хотя бы главные явления, происходящие с газами
в природе? Далеко не охватывают. Фридман как метеоролог
понимал это особенно ясно. Он писал:
«Стремление применить к атмосферным движениям
представление об адиабатических движениях опровергается
фактом ежедневного притока тепла от Солнца в атмосферу и
еженощной потерей тепла лучеиспусканием в мировое
пространство».
29*
Это сказано лаконично, но убедительно. Сотни лет ученые
изучали газ в баллоне, а жидкость—в трубке. Лабораторным
условиям были подчинены небольшие порции вещества,
составлявшие миллиардную рт миллиардной части всего газа и
всей жидкости, разлитых по Земле. Эти порции были
подвержены действию тщательно выделенных факторов.
Экспериментаторы скрупулезно следили за чистотой опыта, понимая под
чистотой наибольшее удаление от природных условий.
Весь же остальной газ и вся остальная
жидкость—девяносто девять процентов и еще пятнадцать девяток после
запятой — испытывали совсем другие воздействия и вели себя
совсем >по-другому. И хоть «чистые» опыты были необходимым
первым шагом, настало, наконец, время сделать второй шаг,
изучить поведение сплошных сред в обстановке, близкой к
естественной. Фридман хорошо обосновал необходимость
такого обобщения своей фразой об очевидном теплообмене в
атмосфере.
Теория универсальной жидкости сразу же натолкнулась
на огромные математические трудности. Внешний приток
тепла в элемент жидкости резко осложнил дело. Появился
новый параметр, независимый от остальных. Увеличилось
количество неизвестных и, соответственно, количество уравнений
в -без того громоздкой системе дифференциальных уравнений
в частных производных.
После напряженных раздумий Фридман нащупал путь к
решению проблемы. Идея пришла почти внезапно. Во веяком
случае, когда писалась диссертация (летом 1920 года), все
уже в голове Фридмана стояло на своих местах. Иначе он не
мог бы писать шестнадцать страниц в день. Такой темп
понятен только при одном предположении: написание
диссертации было фактически лишь оформлением «готовых мыслей».
Сам Фридман говорил, что его теория родилась из
внимательного изучения классических работ Гельмгольца.
Последние, в свою очередь, являлись применением методов
математической физики, в частности теоремы Остроградского, к
задаче о движении идеализированной жидкости. Таким образом,
Фридман взял на себя труд продвинуть вперед одно из
основных направлений науки, лежащей на границе между
математикой и физикой, ближе к математике.
Работы Гельмгольца, с математической точки зрения,
основаны на следующем. Жидкость характеризуется только
лишь давлением (не забудьте, что плотность есть
однозначная функция давления) и скоростью каждого своего
элемента. Если принять во внимание, что скорость есть вектор, т. е.
имеет три составляющих по осям координат, то можно
сказать так: состояние элемента жидкости описывается четырьмя
переменными — тремя компонентами скорости и давлением.
Гельмгольц нашел способы разрешить математические
30
трудности в своей упрощенной постановке вопроса.
Внимательное изучение этих способов натолкнуло Фридмана на
плодотворную мысль.
В том случае, когда жидкость является произвольной, т. е.
когда плотность уже не есть функция одного давления, а
присутствует теплообмен с внешней средой, к четырем
упомянутым уравнениям нужно добавить пятое—уравнение притока
энергии. Соответственно, количество неизвестных возрастает
до пяти, так как плотность становится независимой от
давления самостоятельной переменной.
Фридман разбил пять независимых параметров жидкости
на две группы: кинематические, к которым он отнес
составляющие скоростей; и динамические—давление и плотность.
Используя четыре уравнения гидромеханики, он исключил из
системы динамические переменные и получил некоторые
соотношения между компонентами скоростей. Этим соотношениям
он дал красивую физическую трактовку, назвав их
«условиями динамической возможности данного движения сжимаемой
жидкости».
На самом деле, хотя давление и плотность выпали из
наполовину решенной системы, они как бы продолжают незримо
присутствовать в получающихся после исключения
уравнениях. Связь между компонентами скоростей не получилась
бы именно такой, если бы не было именно таких меняющихся
во времени давления и плотности. И, несмотря на то, что в
результате исключения динамические переменные выпали из
формул, мы можем сказать, что соотношения между
кинематическими элементами получились такими-то лишь благодаря
возможности подобрать (восстановить) соответствующие
давление и плотность. Важно, что между компонентами скорости
могут возникать после исключения других переменных далеко
не всякие соотношения: если, например, написать
соотношения такого типа наобум, то наверняка нельзя будет подобрать
никакого давления и никакой плотности с тем, чтобы
первоначальная система пяти уравнений удовлетворялась. Как раз
поэтому Фридман и назвал связь между кинематическими
элементами, получившуюся в результате реального процесса
исключения, «условиями возможности движения». Следующим
шагом было чисто математическое исследование таких
условий, после чего уже можно было говорить о данном
соотношении между компонентами скоростей—может оно описывать
реальный поток жидкости или нет.
Правда, «условия возможности движения» Фридмана н,е
охватывают абсолютно всех случаев и в этом смысле
содержат в себе некоторое ограничение общности. Оцнако
большинство практически интересных движений описывается
«условиями». Урезывать общность Фридману пришлось из-за
необычайной трудности задачи, но выполнил Он это урезыва-
31
ние ico своим обычным чувством реализма. Разумное
упрощение задачи—вот как можно перевести на нематематический
язык любимую поговорку Фридмана «нельзя ли что-нибудь
откинуть?». После получения решения упрощенной задачи он
приступал ко второй ^адии исследования — к всестороннему
анализу частных случаев.
Применив свой метод к проблеме самой общей сжижаемой
жидкости, Фридман показал, что здесь теоремы Гельмгольца
уже неприменимы. Это как раз и является существеннейшим
признаком жидкости, у которой плотност» не есть функция
только давления. Поэтому жидкость, удовлетворяющую
предположениям классической гидродинамики, можно назвать
«гельмгольцевой» (ибо для нее, и только для нее, справедливы
теоремы Гельмгольца). Работа Фридмана состояла в
исследовании негельмгольцевой жидкости и представляла собой
важнейший шаг вперед на пути к созданию теории сплошных
сред любого типа.
Является ли фридмановская жидкость реальной?
Разумеется, нет. Идеализация присутствует и в теории Фридмана,
распространяясь на вязкие свойства, молекулярную структуру и
т. д. Но заслуга Фридмана состоит именно в том, что он
рассмотрел наиболее определяющие параметры и создал
«математическую» жидкость, максимально приближающуюся по
свойствам к той, которая существует в природе.
Метод «условий динамической возможности движения»
привел к интересным и практически важ-ным результатам.
Оказалось, что в сжимаемой жидкости общего типа вихревые
трубки не остаются физически одними и теми же, т. е. вместо
одних частиц жидкости в них вливаются другие. Кроме того,
напряжение трубок меняется во времени, а это значит, что
трубки непрерывно разрушаются, а вместо них образуются
новые.
Нетрудно догадаться, что все сказанное имеет
непосредственное отношение к теории циклонов. Таким образом, круг
замыкается—теория, начавшая свое развитие от практических
задач и затем ушедшая в область математической абстракции,
вновь вернулась к практике. Набрав силы в результате чисто
логического усовершенствования, теория стала достаточно
широкой, чтобы снова обратиться на решение множества
конкретных проблем. А такая конкретная и важная для погоды
вещь, как циклон, будто бы специально предназначена для
применения теории фридмановской жидкости. Ведь циклон—
вихревое движение сжимаемой «жидкости» при наличии
теплообмена.
Фридман рассмотрел перемещение циклона с учетом
действия силы тяжести и отклоняющей силы вращения Земли.
Упрощения, которые ученый вынужден был принять,
заключались в следующем: угловая скорость вращения не меняется с
32
высотой, .и вертикальная скорость равна нулю. Условия
динамической возможности движения показали, что при этом
могут возникать либо весьма низкие циклоны, либо же
стационарные циклоны с неподвижным динамическим центром,
обегаемым центром вращения с постоянной скоростью.
Ценность общей теории Фридмана заключалась не только
в ее практических приложениях, но и в том, что в ней
содержались ключи к дальнейшему совершенствованию
метеорологии, к созданию теории с меньшим количеством упрощений.
Для молодой советской науки важно было быстро получить
квалифицированные кадры ученых. Фридман создавал эти
кадры чрезвычайно умело.
Ученик Фридмана И. А. Кибель, ныне член-корреспондент
Академии наук СССР, считает, что большое счастье советской
метеорологии в том, что во главе школы стоял такой
выдающийся ученый. Это сразу же определило высокий уровень всех
работ. Стремление к общности и математической
безукоризненности Фридман передал своим коллегам и ученикам.
Продолжая лучшие традиции русской математической мысли,
Фридман искал наиболее точное и, вместе с тем,
универсальное решение проблем. До трудов Фридмана и его школы
метеорологи делали упрощения, слишком далеко отходящие от
реальности. Рассматривалась либо адиабатическая жидкость
(или даже изотермическая), либо жидкость с притоком тепла,
но неподвижная. Из таких частных решений, конечно,
получали иногда практически ценные результаты, но науки о
движущейся жидкости общего типа, по сути, не было.
Не удивительно поэтому, что когда весной 1924 года
Фридман был командирован в Голландию на Первый
международный конгресс по прикладной механике, он встретился там с
исключительным интересом западных ученых к работам
советской школы метеорологии. Вот что он писал Стеклову из
Берлина вскоре после^окончания конгресса:
«..к русским было прекрасное отношение; в частности,
меня включили в число членов комитета по созыву следующего
конгресса. Особым успехом отличался доклад А'. Ф. Иоффе.
Работа Н. М. Гюнтера очень заинтересовала Лихтенштейна...
Работами моими и моих сотрудников заинтересовались Блю-
менталь, Карман и Леви-Чивита».
Под непосредственным влиянием Фридмана
сформировались такие замечательные наши ученые, как Н. Е. Кочин,
Г. А. Гринберг, И. А. Кибель, Б. И. Извеков, Л. Г. Лойцян-
ский, А. И. Лурье, П. Я. Полубаринова-Кочина и многие
другие. Если учесть, что почти все из них сами стали
впоследствии заниматься большой педагогической деятельностью, то
становится особенно ясной исключительная роль Фридмана
в становлении советской науки.
Одним из главных продолжателей исследований Фридма-
33
на был Н. Е. Кочин. Развивая фридмановские работы о
разрывах непрерывности в атмосфере, он получил ряд ценных
для практической метеорологии результатов.
Фридман обладал всеми качествами, которые нужны
основателю научной николы. Он умел видеть специфику
способностей людей. Когда, например, он занялся теорией
усредненных данных наблюдений, ему показалось ценным участие в
этой работе статистика-Келлера, хотя последний -не знал
метеорологии и не испытывал особого желания ею заниматься.
Фридман уговорил Келлера перейти к новой тематике, и
вскоре они совместно получили замечательные результаты,
которые по своему научному уровню «были непревзойденными до
работы А. Я. Хинчина и А. Н. Колмогорова, удостоенной
Государственной премии.
Фридман умел не только привлекать нужных людей, но и
спрашивать с людей, быть требовательным к подчиненным !и
сотрудникам. Он имел право на такую требовательность, ибо
значительно строже относился к самому себе. Этот энтузиаст
науки готов был в случае надобности рисковать своей жизнью
ради проведения исследования. Об этом лучше всего
свидетельствует рекордный полет на аэростате, который Фридман
предпринял с научной целью незадолго до своей смерти.
Рано утром 17 июля 1926 года небольшая группа людей
направилась к эллингу Ленинградской
военно-воздухоплавательной школы. Пока красноармейцы вытаскивали пыльную
резиновую оболочку аэростата и заполняли ее сначала йозду-
хом—для проверки, а затем газом, ясная утренняя погода
успела заметно испортиться.
Наконец, корзина подвешена. В нее забираются два
человека — пилот и наблюдатель — А. А. Фридман. Начальник
школы Кориллов дает им последние напутствия и инструкции,
затем желает успешного полета.
В 7 часов 10 минут шар устремился ввысь, в совсем уже
пасмурное небо.
Шару не угрожало столкновение с самолетами— они
летали тогда очень редко. В те времена еще не было диспетчеров
Аэрофлота с их бесчисленными телефонами, разрешенными
воздушными коридорами.
Высоко над людьми простирался пустынный океан
атмосферы. Лишь редкие смельчаки поднимались туда. Эпоха
массового покорения воздуха 'была еще впереди...
На высоте 230 метров шар вошел ъ облака, а когда
альтиметр показал 450 метров, земля совершенно скрылась из
виду. В течение всего остального полета она уже не
открывалась взору аэронавтов.
Вот что писал потом наблюдатель:
«Любопытны ощущения и переживания в облаках. Полная
изолированность. Сначала, правда, доносятся с земли звуки
34
«быта»: гудки паровозов, звонки, пение петухов, лай собак w
т. п. Когда эти звуки слышишь, чувствуешь себя уютнее, но
вскоре и эти звуки пропадают. Наступает мертвая тишина...»
В наши дни, спустя почти сорок лет после того, как были
написаны эти строки, легко позавидовать первым
покорителям воздуха. Ведь путешествуя на ТУ-104, мы пересекаем
воздушное пространство, а они плавали в воздухе. Им была
знакома величественная тишина неба, они в полной мере
ощущали восторг и возбуждение, внушаемые опасностью и
неизведанностью.
Впрочем, и пилот, и его спутник были весьма
сдержанными людьми и упоминали о своих эмоциях, возникавших при
высотном полете, лишь настолько, насколько это могло
пригодиться другим аэронавтам. И все же бесстрастные и скупые -
слова отчетов говорят о том, что путешественникам не раз
пришлось глядеть в глаза смерти.
Из отчета пилота:
«На высоте 2000 метров решили первые серии задач:
измерили аккомодацию глаз... После одного часа двадцати минут
полета в тумане на высоте 2350 метров начался дождь, резко -
ударявший в лицо и отяжелявший аппарат.
Начинаем снижаться, но, не пожалев балласта,
вырываемся из дождевых туч и идем выше. Находясь над дождевыми
облаками и входя в снеговые на высоте 2650 метров, берем
первую пробу воздуха для определения содержащихся в нем
микробов в -склянку, наполненную бульоном из желатина...
Высота 4000 метров —-принялись за медицинские
исследования (проверка внимания, измерение пульса и аккомодации
и т. д.). На высоте 4100 метров решаем третью серию задач.
Все время идем в облаках. Положение не улучшается...
10 часов 19 минут—высота 5200 метров. Начинаем
понемногу выходить из третьего слоя облаков; шар то выйдет, то
опять скроется в верхних гребнях облаков. Слышен какой-то
странный звук, напоминающий удар в барабан,
повторившийся с перерывами три раза. Ну, думаю, не рвется ли сеть или
же расправляется оболочка... Плохо дело, если мое первое
предположение оправдается, и сеть, не вынеся натяжения,
выпустит освободившийся шар вверх, а мы камнем пойдем на
землю...
Не говоря о возможности опасности своему спутнику,
дабы не беспокоить его преждевременно, привязываю на всякий-
случай клапанную веревку к обручу».
Однако наблюдатель и сам понял, чем грозят внезапные
удары: «...тишина прерывалась у нас иногда странными
звуками—будто бы кто-то по аэростату, как бы барабану, палкой
бил,—сначала думалось, что это сетка рвется, но потом
оказалось, что это расправлялась материя».
Снова предоставим слово пилоту:
35 >
«10 часов 30 минут. Высота 5500 метров. Идем на границе
верхнего слоя облаков. Решаем еще одну серию задач... Не
успели произвести указанную операцию, как колоссальный
взрыв потряс воздух. Взглянув вверх, мы увидели, как
большие клубы дыма окружили оболочку, которую стало
совершенно не видно. В одно мгновение мелькнула мысль: «горим»,
но тут же подсознание подсказало, что и в этом случае
надежда на спасение есть: отрезать уздечку аппендикса, выбросить
весь балласт и с грехом пополам, а все же добраться до земли
живыми.
Прошло еще мгновенье... Вниз не падаем... дым рассеялся
и мы устанавливаем, что от чрезмерного давления разорвался
самый большой мешок с кислородом, но это казалось
пустяком в сравнении с представлявшейся опасностью, и нас в
первый момент не очень огорчила потеря изрядного количества
кислорода.
Только что пережитый ужас инстинктивно подсказывал
Желание идти выше и выше, подальше от облаков, туда, где
менее возможны грозы».
А. А. Фридман описал этот страшный эпизод еще
лаконичнее:
«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 приняли за дым. Установив, в чем дело, мы
облегченно вздохнули, хотя запас кислорода значительно
уменьшился и долго держаться на высоте было очень трудно».
Аэронавты использовали подъемную силу шара до самогб
конца, постепенно выбросив весь балласт. На высоте 7000
метров и выше они пробыли больше двух часов. «Горная болезнь»
причиняла им большие страдания. Наблюдатель требовал,
чтобы имеющимся в распоряжении остатком кислорода
дышал пилот, так как последний «был сильнее, мог лучше
вынести недостаток воздуха и именно ему, умеющему управлять
шаром, нада было сохранить максимальную свежесть».
После 10 часов 20 минут трудного и опасного путешествия
аэростат опустился в одной из глухих деревень Новгородской
губерний, в 100 километрах от ближайшей железнодорожной
станции. Несмотря на исключительно тяжелое физическое
состояние во время полета—его участники на большой высоте
время от времени погружались в глубокие обхмороки,—пилот
и его спутник собрали большой материал. Кроме того, ими
-36
был установлен всесоюзный и всероссийский рекорд высоты
подъема — 7400 метров. Предыдущий рекорд равнялся
6400 метров и был установлен в 1910 году.
Пилот, управлявший шаром, стал впоследствии Героем
Советского Союза. Его звали Павел Федорович Федосеенко. В
1934 году вместе с Васенко и Усыскиным он совершил
беспримерный подъем на 22 километра. На этот раз подвиг
окончился трагически — гондола стратостата «Осоавиахим-1» стала
железным гробом для трех отважных.
Ровно через два месяца после рекордного полета на
аэростате А. А. Фридман умер от брюшного тифа в ленинградской
больнице в возрасте 37 лет.
РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
Но нам нужно вернуться назад. За три года до
описанного только что полета Фридман взялся за решение
космологических уравнений Эйнштейна и провел это решение
математически более строго и правильно, чем создатель теории
относительности. Именно работа по космологии чаще всего
упоминается в литературе в связи с именем Фридмана.
На первый взгляд до странности широкий диапазон — от
синоптики до общей теории относительности. При
размышлении, однако, становится ясной связь этих занятий Фридмана.
И там и там математическую основу составляют
дифференциальные уравнения. А Фридман был прежде всего
математиком и мог свободно отвлекаться от; физической сущности
явлений, уходя в абстракцию расчетов.
Кроме того, Фридману очень нравилась теория
относительности. «Слабость» к теории Эйнштейна была у Фридмана
развита настолько, что он излагал частный принцип
относительности даже на своих лекциях в техническом вузе, хотя эта
тема не содержалась в официаль-ной программе. А
заинтересовавшись чем-либо, Фридман стремился проверить все
выкладки сам. Один из его бывших соратников назвал этого ученого
«дотошным». Это качество бывает ценным и в жизни, а в
науке оно просто незаменимо.
Величественное здание общей теории относительности
воздвигалось постепенно. Закладка фундамента относится еще к,
прошлому веку и связана с именем нашего великого
соотечественника Николая Ивановича Лобачевского.
Исходным пунктом теории Лобачевского явился отказ от
пятого постулата «Начал» Эвклида, утверждавшего, что через
данную точку всегда можно провести прямую, не
пересекающуюся с данной прямой (параллельную ей) и притом только
одну. Это положение, которое в течение двух с лишним тысяч
лет тщетно пытались доказать, Лобачевский заменил другим:
37
«Через данную точку можно провести по крайней мере
две прямые, которые не пересекутся с данной прямой».
Утверждение Лобачевского так же недоказуемо, как и эв-
клидовский постулат. Но, как это окончательно выяснилось
после разработки Гильбертом оснований геометрии,
высказывания Лобачевского и Эвклида абсолютно равноправны и
нельзя отдать предпочтения ни одному из них по сравнению с
другим. Более того, можно развить и третью геометрию, в
котором постулатом будет служить следующее утверждение:
«Через данную точку нельзя провести ни одной прямой,
которая не пересеклась бы с данной прямой».
«Протест чувств», возникающий при ознакомлении с
идеями новой геометрии, не смутил Лобачевского. Нам
интуитивно кажется, что только одна прямая не пересечется с данной.
Если же эту прямую чуть-чуть наклонить, то где-то возникнет^
пересечение, хотя бы и очень далеко. Но откуда у нас такое
убеждение? Ведь это «далеко» нам недоступно. Имеем ли мы
право обобщать те свойства линий, которые нам известны по
опыту общения со сравнительно небольшими фигурами, на
такие расстояния, как, например, межзвездные?
Три постулата—три геометрии. Различных, но одинаково
имеющих право на существование. Бессмертная заслуга
Лобачевского состоит в том, что он первым понял допустимость
построения неэвклидовой геометрии и конкретно развил один
из ее возможных вариантов (кстати сказать, наиболее
сложный и интересный с точки зрения математических расчетов).
Часто Лобачевского сравнивают с Коперником. Это
сравнение действительно очень удачно: гений обоих заключался в
том, что они освобождали научную мысль от господства
установившихся мнений. Гаусс сказал однажды: «Мы не можем
смешивать того, что нам кажется -неестественным, с
абсолютно невозможным». Лобачевский не смешивал эти две вещи и
сделал переворот в науке и мировоззрении.
Представим себе некую прямую а, лежащую в плоскости Q.
На расстоянии х от нее лежит точка Р. Согласно
Лобачевскому, через Р можно провести но крайней мере две прямые, не
встречающиеся с а. Если мы спустим из Р перпендикуляр на
Л, го эти прямые будут образовывать с ним неко-горые углы—
уже не обязательно прямые углы, как в эвклидовой
геометрии. Прямых, не встречающихся с а, будет даже не две, а
бесконечно много—все прямые, лежащие между этими двумя,
тоже не встретятся с а. Но среди этого множества прямых
имеется предельная, все еще не пересекающаяся с а. Она Ъб-
разует с перпендикуляром, опущенным из Р на а, некоторый
острый угол. Предельная прямая несколько наклонена к
прямой, параллельной а в эвклидовском смысле. Эта предельная
прямая называется паралельной а в смысле Лобачевского.
Иначе можно сказать так: прямую, перпендикулярную к
.38
перпендикуляру Ра, можно слегка поворачивать вокруг
точки Р (так, чтобы она оставалась лежащей в плоскости Q) и
при этом она все еще не будет встречаться с а. Однако есть
предельный угол поворота, и ему соответствует такая прямая,
которая в геометрии Лобачевского называется параллельной
а. Точнее говоря, параллельных прямых будет две—ведь
вращать прямую можно симметрично в обе стороны.
Угол ф между параллельной к а прямой и
перпендикуляром Ра меняется с изменением х, т. е., как говорят
математики, является функцией от х. Лобачевский нашел вид этой
функции, исходя из требования, чтобы его геометрия была
'непротиворечивой и стройной—такой же стройной, как эвклидова
геометрия. Как и следовало ожидать, при уменьшении х угол
Ф оказался стремящимся к прямому углу. Это значит, чтома-
лые участки плоскости Лобачевского почти не отличаются от
плоскости Эвклида. Однако при рассмотрении больших по
размеру фигур различие между геометриями Лобачевского и
Эвклида становится существенным. В частности, изменяется
формула измерения расстояния между двумя точками. Что
это так, видно хотя бы из следующих -соображений: для
определения длины отрезка прямой, заключенного между двумя
параллельными прямыми, нельзя в новой геометрии
пользоваться теоремой Пифагора, ибо образующийся треугольник не
будет прямоугольным.
Та часть геометрии, которая имеет дело с измерением
расстояний, называется метрикой. В геометрии Лобачевского
метрика не такая, как в геометрии Эвклида.
Вслед за Лобачевским идеи неэвклидовой геометрии
высказал венгерский ученый Янош Больяи.
В 1854 году немецкий ученый Риман сделал дальнейшее
обобщение, касающееся геометрии. Он предположил, что
метрика не обязательно должна быть только эвклидовой или
только метрикой Лобачевского, но может изменяться от
точки к точке.
Геометрия Римана, в которой были развиты идеи
Лобачевского, может быть названа геометрией искривленной
поверхности. В самом деле, на такой поверхности (например,
на седлообразной или параболической) координатные линии
будут то сходиться, то расходиться. Поэтому некий
физический предмет, скажем железный квадрат, в одном месте
будет точно вписываться в координатную клетку единичногб
размера, в другом—«вылезать» из нее.
Таким образом, гениальное произведение Лобачевского
открыло широкий простор для творческой мысли ученых.
Работа закипела. После довольно длительного периода
тщательной математической обработки и философского осознания
теория Лобачевского привела к коренному изменению взглядов
на пространство.
39
Однако понадобилось несколько десятков' лет, чтобы
сделать дальнейший шаг.
В 1917 году была опубликована работа Эйнштейна,
названная им «Космологические соображения к общему
принципу относительности». С этого времени возникла фактически
новая наука — о метрике Вселенной.
Общая теория относительности давала поразительное
подтверждение смелой гипотезе Лобачевского о возможности
существования неэвклидовой метрики. В геометрии
Лобачевского и в более общей геометрии Римана компоненты так
называемого метрического тензора, определяющего расстояние
между двумя точками, не являются постоянными. Но
создатели неэБклидовой геометрии, хотя и призывали проводить
эксперименты по исследованию метрики пространства, не
догадались, что эта метрика может быть связанной с внесенной в
пространство материей. На эту возможность впервые обратил
внимание Эйнштейн.
Он сумел удивиться факту, который считался банальным,—
все тела, независимо от массы, движутся в поле тяготения
одинаково. По этому поводу можно сказать: так происходит
потому, что вес тела пропорционален его инертной массе и из-за
этого ускорение одно и то же для всех тел, находящихся в
данном гравитационном поле.
Эйнштейн, однако, вдумался в проблему глубже. Его мысль
обратилась к первому закону Ньютона—«любое тело, на
которое не действуют силы, движется равномерно и
прямолинейно». Любое!..
Но что понимать под словом «прямолинейно», если учесть
достижения неэвклидо^ой геометрии? Оказывается, что в
«искривленном» пространстве роль прямых играют так
называемые геодезические линии. Именно по таким линиям должны
двигаться в неэвклидовом мире тела, летящие по инерции. В
этом случае движение всех неподвержеиных силам тел будет
происходить по одинаковым траекториям.
Вот здесь-то и возникла у Эйнштейна гениальная догадка:
а что если тяжелые тела искривляют пространство, а другие
тела перемещаются в таком неэвклидовом пространстве по
геодезическим линиям (все по одинаковым!), что
воспринимается нами как искривление траектории под действием сил
тяготения?
Великое открытие изменило наши взгляды на связь
материи и пространства.
Оказалось, что компоненты метрического тензора связаны
определенными соотношениями с плотностью материи,
находящейся в данном участке пространства. Эйнштейн написал эти
соотношения, исходя из весьма общих соображений. Путь к
отысканию уравнение указала ему специальная теория
относительности, созданная в 1905 году.
40
Однако Эйнштейн не удовлетворился одной лишь
математической законченностью и строгостью, ему хотелось
проверить правильность своих выводов экспериментально. К
счастью, такая возможность имелась. Одним из следствий общей
теории относительности было утверждение, что планеты
движутся не по эллипсам, а по. неким незамкнутым траекториям,
т. е. положение большой полуоси орбиты медленно меняется.
Астрономические наблюдения за Меркурием подтвердили
справедливость теории Эйнштейна. Была одержана одна из
величайших побед человеческого разума, способного
предвидеть и раскрывать таинственные закономерности природы.
Естественно было применить только что построенную
теорию ко всей Вселенной, точнее к огромной группе звездных
скоплений, к которой принадлежит наш Млечный Путь,—к
Метагалгктике. Поскольку пока нет никаких способов узнать,
существуют ли другие такие группы за пределами нацией,
слова «Метагалактика» и «Вселенная» можно условиться
считать равнозначными. Рассматривая Метагалактику как
совокупность материальных тел, вложенных в способное
искажаться пространство, Эйнштейн получил так называемые
«мировые уравнения».
В пределах небольших участков пространства теория
тяготения Эйнштейна практически приводит к известному с XVII
века закону всемирного тяготения Ньютона (сила тяготения
слабеет пропорционально квадрату расстояния). Но при
рассмотрении больших масштабов то новое, что вносит общая
теория относительности, в корне меняет описание мира.
Если бы Вселенная была небольшим островом в пустом
пространстве, практически было бы несущественно, прав
Ньютон или Эйнштейн. Но Вселенная достаточно велика, чтобы
по некоторым ее наблюдаемым характеристикам можно было
бы установить объективную истину. Ньютоновский закон
тяготения, например, приводит к появлению бесконечно
больших сил тяготения, действующих на всякую материальную
точку (при гипотезе об однородной бесконечной Вселенной).
Этот парадокс неразрешим без ломки взглядов на природу
гравитации, которая бВ1ла осуществлена Эйнштейном.
Если пересказать суть мировых уравнений не
математическим, а обыч-ным языком (и, следовательно, неизбежно вуль-
гаризовать предмет), то получится примерно следующее:
распределение в пространстве массы влияет на кривизну этого
пространства', т. е. создает ту или иную метрику; в свою
очередь, метрика определяет движение вещества, т. е. развитие
материи. Таким образом, получается гигантский клубок
взаимного действия друг на друга вещества и пространства.
Чтобы распутать этот клубок, нужно решить систему из
десяти дифференциальных уравнений в частных производных.
В общем виде система не поддается решению из-за колоссаль-
41
ных математических трудностей, поэтому приходится делать
различные упрощающие предположения и находить
соответствующие им решения с ограниченной ценностью.
Как видно из сказанного, проблема строения
Метагалактики очень напоминает по своему логическому скелету
проблему атмосферных движений. И тут и там сложность и
взаимное переплетение всех факторов. И тут и там системы
дифференциальных уравнений
Однако имеется и существенная разница. Удачность
идеализации, положенной в основу теории, в случае метеорологии
легко проверить сопоставлением теоретических выводов с
синоптическими наблюдениями. А как быть в случае
Вселенной? Какие здесь выбрать критерии?
Эйнштейн принял ъ качестве основного критерия
следующую аксиому: структура Вселенной должна быть одной и той
же вечно. Это значит, что решения мировых уравнений не
могут зависеть от времени. Используя математические
термины, можно сказать так: Эйнштейн искал только стационарные
решения системы мировых уравнений.
У нас нет возможности воспроизводить здесь все
математические выкладки, проделанные Эйнштейном и продолженные
Фридманом. Существо же дела можно пояснить примерно так:
в конечном счете уравнение сводилось к тому, что определен-
ноевыражение должно было равняться нулю. Это выражение
состояло из двух сомножителей, одним из которых была
производная по времени (скорость изменения) от радиуса
кривизны Метагалактики. Поскольку Эйнштейн заранее принял
гипотезу о стационарности кривизны, он, естественно, считал,,
что произведение обращается в нуль именно за счет нулевой
скорости изменения кривизны.
Фридман рассудил иначе. Если не накладывать требования
стационарности, то производная кривизны по времени может
быть и не нулем. Но в этом случае выражение обращается в
нуль за счет другого множителя. Возникает принципиально
новое уравнение, приводящее к целому классу новых решений.
Этот класс был не замечен Эйнштейном.
В своей оплошности Эйнштейн очень скоро признался и
целиком согласился с выводом Фридмана о наличии
нестационарных решений.
Так безукоризненная математическая точность и дерзость
научной мысли привели Фридмана к замечательному
открытию.
Придя к выводу о непостоянстве кривизны Вселенной,
1 Сперва Эйнштейн решил уравнение без космологического члена, но
затем специально для получения стационарных решений его добавил. Об
этом он рассказывает в книге «Сущность теории относительности».
42
Фридман стал исследовать, в каком направлении шел процесс
эволюции геометрии.
Анализ привел к следующему: кривизна мира на данном
этапе должна изменяться, т. е. Вселенная должна
расширяться либо сжиматься. Это означает, что галактики удаляются
друг от друга или, наоборот, сближаются. До каких же пор-
будет продолжаться этот процесс?
Из решения Фридмана следовало, что расстояния между
любыми двумя галактиками меняются так, что относительное
ускорение получается отрицательным. Но это может означать,
что происходит расширение мира в убывающем темпе, либо
сжатие мира с увеличением скорости этого сжатия. Через
несколько лет после работы Фридмана американский астроном
Хаббл установил, что расстояния между галактиками
увеличиваются.
В этом случае возникает очень важный, принципиальный
вопрос: если расширение происходит, все уменьшая свою
скорость, дойдет ли эта скорость когда-нибудь до нуля, т. е.
прекратится ли расширение (и сменится на сжатие—теория
пульсирующей Вселенной)?
Для ответа на этот вопрос необходимо знать точные
значения параметра Т входящего в правую часть написанного-
выше уравнения. Но этот параметр описывает плотность
материи во Вселенной. Плотность необходимо найти из
эксперимента, ибо никакие косвенные соображения здесь помочь не
могут. Решение Фридмана показывает, что будущее
Вселенной кардинально зависит от того, больше или
меньше некоторой критической плотности (равной 2-10-29 г/см3)
имеющаяся в настоящий момент средняя плотность
Вселенной.
1) Если современная плотность больше критической, то
процесс расширения мира через какое-то время прекратится
и начнется его сжатие. Этот вариант называется закрытой
моделью и описывает пульсирующую Вселенную.
2) Если современная плотность не достигает критической,
то расширение мира будет происходить бесконечно и материя
все больше будет рассеиваться в пространстве. Это так
называемая открытая модель. В этом случае протяженность мира
бесконечна (отсюда название «открытая» модель).
Все свои замечательные идеи по теории относительности
Фридман развил в двух работах 1922 и 1924 годов.
В настоящее время эксперименты и астрономические
наблюдения не дают возможности определить тип модели,
реализующийся в нашей Вселенной. По всем данным плотность,
материи в Метагалактике оказывается очень близкой к
критической, и неизвестно, с какой стороны от критического
значения расположено точное значение фактической плотности.
Поэтому вопрос о типе модели остается пока открытым.
43
Революционная идея Фридмана о нестационарности
Метагалактики не сразу получила признание. Тем более
триумфальным было ее подтверждение открытием так называемого
«красного смещения».
Выдающийся американский астроном Хаббл вскоре после
опубликования космогонической теории Фридмана установил
с помощью спектроскопических наблюдений, что удаленные
от нас спиральные системы характеризуются смещением всех
линий спектра в красную сторону. Естественно было
предположить, что это явление—следствие эффекта Допплера,
приводящего к уменьшению длины волны при движении
наблюдателя к источнику света (волны как бы набегают друг на
друга) и к увеличению длины волны при взаимном убегании
источника и наблюдателя. Поскольку во всех спиральных
галактиках зафиксировали только красное смещение, был
сделан вывод, что все спиральные системы убегают от нас в
радиальных направлениях. Но как раз это и должно быть по
одной из схем Фридмана! Более тогот когда Хаббл установил
закон возрастания скорости убегания галактики
пропорционально расстоянию до этой галактики, то оказалось, что и это
полностью соответствует выводам Фридмана.
В своей книге «Сущность теории относительности»
Эйнштейн писал о Фридмане: «Его результат затем получил
неожиданное подтверждение в открытом Хабблом расширении
звездной системы (красное смещение спектральных линий,
которое растет линейно с расстоянием)... Не вызывает поэтому
никаких сомнений, что ... схема Фридмана...—это наиболее
общая схема, дающая решение космологической проблемы».
Занятия Фридмана в области теории относительности
отнюдь не носили характера неких спорадических увлечений.
Ученый в последние годы жизни начал интереснейший труд—
вместе с профессором Фредериксом стал писать (многотомный
учебник по современной физике, который открывался книгой
«Мир как пространство ri время», посвященной как раз
теории относительности, знание которой Фридман считал одним
из краеугольных камней физического образования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В современной науке имеется возможность ставить
вопрос не только о происхождении звезд и планет, как это
делали Лаплас, Джине и т. д., но и о происхождении всей
Метагалактики н целом. Вернее, не о происхождении, а о развитии
нашей Вселенной из некоторой стадии, называемой дозвезд-
ной. Такая широкая постановка проблемы подготовлена
работами А. А. Фридмана. Его космологическая работа привела
к возникновению космогонии—науки о прошлом и будущем
Метагалактики.
44
Поскольку трудно сейчас сомневаться в расширении
Вселенной, ибо в его пользу говорит наблюдение, всякий ученый,
выдвигающий какую-либо теорию об эволюции
Метагалактики, обязан считаться с тем очень вероятным предположением,
что когда-то Метагалактика находилась в состоянии
колоссальной плотности.
Найти, какие процессы должны происходить з
сверхплотной Вселенной, и затем доказать, что эти процессы приводят
именно к такой структуре мира, которую мы наблюдаем
сейчас,— идеал всякого физика и астронома: Разумеется, одной
теорией относительности здесь ограничиться
нельзя—необходим учет законов взаимодействия элементарных частиц.
Можно сказать, что современная космогония покоится на двух
китах—на теории расширяющегося мира Фридмана и па
ядерной физике. Пробным камнем для космогонии служит
существующее сейчас распределение во Вселенной атомов. Почему
среди них преобладают водородные атомы? Откуда в земной
коре такое огромное количество химических
элементов—практически вся менделеевская таблица? На эти вопросы может
дать ответ именно теоретическое рассмотрение сверхплотной
фазы Метагалактики, периода, когда ядерные реакции шли
гораздо активнее, чем сейчас, из-за близости частиц друг к
ДРУГУ-
Если подходить к проблеме строго, то никакая теория
эволюции мира не оставит полного удовлетворения. Ведь
объяснить какой-то этап развития мира—значит описать точными
методами науки, каким образом этот этап возник рз
предыдущего. Но из чего развился предыдущий? Такой вопрос можно
ставить последовательно сколько угодно раз. Однако наука
не сдвинулась бы с места, если бы она занималась лишь
такими проблемами, которые допускают окончательное и
всеохватывающее решение.
«Детские» вопросы—головокружительные каскады
«откуда» и «почему», идущие бесконечной чередой, не должны
смущать ученого, который отчетливо понимает, что всякое
научное достижение есть лишь шаг в направлении истины.
Поэтому любая космогоническая гипотеза наших дней вынуждена
останавливаться на определенной (более или менее ранней)
стадии развития Метагалактики, принимать существование
этой стадии как постулат, как нечто, данное извне, и говорить:
«Дальше в прошлое моя компетенция не распространяется»,
и конечно, чем более удаленной от нас во времени окажется
эта постулированная стадия, тем теория лучше.
В XIX и в начале XX века ученые много времени
уделяли проблемам происхождения планетных систем. При этом
существование звезд предполагалось вечным и не
нуждающимся в объяснении. Дальше, с развитием астрономии,
появились работы, в которых содержались попытки описать гранди-
4S
озные процессы формирования звезд из водородных
протяженности ничтожной плотности. И, наконец, сравнительно
недавно постулированная фаза Вселенной была отодвинута на
несколько миллиардов лет назад—в тот период, когда- не
было еще ни звезд, ни спиральных систем, а вся материя
Метагалактики была сжата в плотный, почти однородный клубок.
Космогонические теории, касающиеся дозвездной стадии,
мира, были выдвинуты физиками-теоретиками СССР и США.
Хотя подсчеты во всех случаях проводились лишь
приблизительно, общее объяснение многих структурных особенностей
нашего мира было дано. Эти работы открыли нам основные
черты эволюции Вселенной, нарисовали величественную и
впечатляющую картину формирования той Метагалактики,
которую мы видим сейчас, глядя на небо.
Интересно, что ценность этих теорий только наполовину
зависит от типа модели—ведь будь она закрытой или
открытой, все равно в прошлом имелся период огромной плотности
материи. Различие в поведении двух фридмановских миров
относится лишь к будущему, а не к прошлому.
Физики начинают свое объяснение эволюции мира
закрытого типа с того момента, когда Метагалактика занимала
ничтожный объем—буквально несколько кубических
сантиметров. Таким образом, делается попытка проследить за
развитием Вселенной как бы с момента ее рождения.
Как давно началось развитие нашей Матагалактики из
сверхплотной фазы? Об этом кое-что может сказать
эксперимент. Астрономы измерили так называемую постоянную Хаб-
бла, характеризующую современный темп расширения
Вселенной. Постоянная эта равна 75 км/сек на миллион
парсеков, т. е. на три миллиона световых лет. Это значит, что
галактика, находящаяся сейчас от нас на расстоянии в три
миллиона световых лет (вдвое дальше спиральной туманности
Андромеды), убегает от Млечного Пути со скоростью в 75 км/сек.
Нетрудно вычислить, что если пренебречь в первом
приближении изменением темпа расширения, эта галактика была рядом
с нами сорок миллиардов лет назад. Поправка на то, что
раньше разбегаиие было более быстрым, снижает полученную
цифру возраста Метагалактики.
Космогонические гипотезы пытаются с помощью расчета
проследить за возможным ходом расширения Вселенной на
первом этапе и объяснить, исходя из особенностей этого
расширения, известные сейчас свойства мира.
Первым автором такого рода гипотезы был американский
ученый Джордж Гамов. Он предложил следующую картину:
в начальной стадии, когда радиус кривизны Вселенной
составлял несколько сантиметров, существовали только нейтроны.
Температура мира была сравнительно низкой, т. е. лучистой
энергии в нем практически не было.
46
Гипотеза «нейтронного начала мира» возникла,
по-видимому, из желания сохранить только одну частицу в качестве
основной, первозданной. Такой частицей может быть лишь
нейтральная—ведь Вселенная в целом не имеет
электрического заряда. Тот же факт, что современная Вселенная состоит в
основном из водорода, не смущал на первых порах—ведь
свободные нейтроны распадаются со временем жизни около
тысячи секунд на протоны, электроны и антинейтрино. Протон же
с электроном может образовать атом водорода—когда
Вселенная достаточно расширится и частицам «станет
посвободнее».
Но более подробный расчет показал, что раньше чем все
нейтроны распадутся, неизбежно возникнет путающая все
карты реакция между уже родившимися протонами и еще не-
распавшимися нейтронами. Последовательность ядерных
превращений, охватывающих все вещество Вселенной за какие-то
считанные минуты, приведет к возникновению большого
процента гелия и других элементов тяжелее водорода. Эти
элементы будут стабильными и потом, когда мир расширится,
уже не смогут превратиться снова в водород. Гаким образом,
здесь возникает грубое несоответствие с данными
наблюдений о составе звезд и галактик.
Красивая, на первый взгляд, теория о возникновении
Вселенной из сверхплотной нейтронной жидкости оказалась
несостоятельной.
Дальнейший шаг сделал академик Я. Б. Зельдович.
Размышляя над противоречиями космогонических теорий, он
пришел к идее, что многие из этих противоречий снимаются, если
допустить существование в начальной стадии мира частиц
трех сортов: протонов, электронов и нейтрино.
Нейтрино является фермионом—такой частицей, которая
подчиняется запрету Паули: не может существовать двух
частиц с одинаковыми параметрами, определяющими положение
частиц, ее скорость и энергию. Фермионы можно мыслить
себе расположенными в некотором фазовом пространстве (от
обычного пространства оно отличается тем, что в нем, помимо
трех координатных осей, описывающих местонахождение,
имеются еще оси, на которых откладываются импульсы),
состоящем из отдельных ячеек, клеточек. В каждой ячейке, согласно,
принципу Паули, может находиться только одна частица.
Когда Вселенная занимала ничтожный объем и состояла
из равных между собой количеств первочастиц—электронов,
протонов и нейтрино, последним частицам уйти было некуда.
Ведь вся Вселенная в целом, является замкнутой, из нее
ничего не уходит и в ^нее ничего не входит извне. Количество
нейтрино на сверхплотной стадии было столь большим (на
единицу объема) и нейтрино имели такую высокую энергию,
что все ячейки фазового пространства вплоть до энергии в
47
400 миллионов электроновольт были заняты. Но для реакции
объединения протона и электрона в нейтрон необходимо
излучение нейтрино именно в этом диапазоне энергий. По
принципу Паули, такого излучения быть не могло, а
следовательно, не могла идти реакция образования нейтронов. Протоны и
электроны сохранились из-за мощного нейтринного фона,
подавляющего реакцию слияния между ними.
Итак, наличие энергичных нейтрино «сохранило жизнь*
электронам и протонам—тому, из чего состоит в основном наш
мир. Но что же произошло дальше, когда нейтрино из-за
расширения мира стали терять энергию и в фазовом пространстве
стали освобождаться ячейки? В этот момент было уже не
страшно—электроны и протоны разошлись достаточно
далеко, и их объединение в нейтроны стало маловероятным из-за
недостаточной, плотности вещества. Благодаря
экранирующему действию нейтрино мир остался водородным.
Сколько же времени длилось это экранирование? Как
долго нужно было «спасать» протоны и электроны?
Если считать, что справедливо точное решение Фридмана,
то изменение плотности Вселенной со временем шло такими
темпами: через одну десятитысячную долю секунды после
образования Метагалактики ее плотность была равна
плотности ядерного вещества, т. е. один кубик материи весил сто
миллионов тонн. Через три минуты плотность упала уже до
плотности платины, через пятнадцать минут—до плотности
воды. Прошло десять часов, и мир стал столь же
разреженным, как воздух в вашей комнате. И, наконец, сейчас, по
прошествии миллиарда лет, Вселенная имеет в среднем
несколько протонов на кубический сантиметр (это говорится в том
смысле, что если бы распределить все звездное вещество
равномерно по пространству, то в каждом кубическом сантиметре
мы нашли бы лишь несколько атомов—в мире был бы вакуум
намного более высокий, чем достижимый сейчас в лучших
лабораториях).
Так вот, нейтринный фон должен был заглушать реакцию
образования нейтронов лишь до тех пор, пока плотность
вещества Вселенной не стала меньше ста тонн на кубический
сантиметр—дальше слияние протонов и электронов уже не
могло иметь заметную вероятность, так как эги частицы
достаточно удалились друг от друга. В пересчете же на время
это составляет одну десятую секунды!
Описанная гипотеза Я. Б. Зельдовича помогла объяснить
некоторые наблюдаемые свойства нашей Метагалактики.
Однако, несмотря на достигнутые в космогонии успехи, можно
сказать, что громадная работа по проникновению в тайну
мироздания, основанная на идее Фридмана об
эволюционирующей Вселенной, фактически только начинается.
Индекс
70072