Геннадий Горелик - Матвей Петрович Бронштейн
Не так давно стали говорить о том, чтобы в качестве физической лаборатории использовать Вселенную (из-за физических и экономических ограничений на создание все более мощных ускорителей) [242]. Мы видим, что эта идея была хорошо знакома Бронштейну в 1937 г. Вернемся, однако, к его статье.
«Гальперн высказал гипотезу, согласно которой "космическое красное смещение", исследованное Хабблом и Хьюмасоном, объясняется постепенным отщеплением небольших инфракрасных фотонов от фотона видимого света, идущего к земному наблюдателю от отдаленных небесных объектов. Эта точка зрения кажется весьма привлекательной, так как все существующие теории красного смещения (релятивистские модели "расширяющейся вселенной", диффузия системы галактик по Милну) оказались бессильными объяснить наблюдаемое количественное значение "коэффициента экспансии". Гипотеза Гальперна дает, на первый взгляд, надежду на вычисление коэффициента экспансии системы галактик из констант атомной физики. Я думаю, однако, что гипотеза Гальперна неверна».
Это мнение Бронштейн обосновывает очень красивым рассуждением, обнаружив, что «с помощью специального принципа относительности можно вывести некоторые общие свойства интересующего нас явления, не делая никаких специальных предположений о природе механизма, приводящего к спонтанному расщеплению фотона».
Мировая линия фотона
Пусть фотон летит в пустоте вдоль оси х относительно некоторой системы отсчета (х, t), на диаграмме Минковского (х, ct) мировая линия фотона — АВ. И пусть другая система отсчета (х', t') движется относительно исходной со скоростью v тоже вдоль оси х. Если w — вероятность расщепления фотона в единицу времени, то вероятность того, что расщепление фотона произойдет между мировыми точками A и В, должна быть одинакова в обеих системах отсчета и равна
А поскольку по формуле эффекта Доплера
то
т. е. произведение wv — лоренц-инвариантная величина. Считать wv просто постоянной величиной, как показывает Бронштейн, нельзя в силу принципа неопределенности. Если же учитывать, что «"фотон", с которым имеет дело экспериментатор, является квантовым обобщением не классической неограниченной плоской волны, а волнового пакета, составленного из таких плоских волн и обладающего, следовательно, не вполне определенным значением количества движения», и ввести параметры реального «фотона» — спектральную ширину и неопределенность направления — с помощью неопределенности волнового вектора Avx, Avy, Avz, то получим, что
где f — некоторая функция, т. е. сильную зависимость вероятности расщепления фотона от частоты. В случае, если бы красное смещение объяснялось этим механизмом, величина смещения была бы существенно разной в разных частях спектра. А по астрономическим наблюдениям смещение одинаково для всех спектральных линий одного и того же объекта, что вполне соответствует доплеровской интерпретации, согласно которой смещение зависит только от скорости объекта:
Тем самым космологическая компонента гипотезы Гальперна была «убита».
Оставалась физическая компонента. И эту компоненту можно было проверить только прямым расчетом. Таких расчетов Бронштейн выполнил, собственно, два; это было связано с тем, что, как он отмечает, «несовершенство существующей теории позитрона делает исчерпывающее теоретическое решение вопроса крайне затруднительным». Первый расчет, в рамках «элементарной теории, не учитывающей взаимодействия электронов отрицательной энергии друг с другом», привел к возможности спонтанного распада фотона на три части. Однако помимо физически неполной формулировки задачи получившееся в результате выражение вероятности нелегко осмыслить физически. Второй расчет проведен уже с учетом поляризации вакуума и дал нулевую вероятность спонтанного расщепления фотона (при тогдашнем состоянии квантовой электродинамики такой расчет был трудной задачей). Так что предположение Гальперна и Гайтлера было опровергнуто окончательно.
Результат, полученный на основе общего физического принципа — специального принципа относительности,— согласовывался с прямым квантово-электро-динамическим расчетом. Это согласие было существенно и для самой физической теории, потому что, как писал Бронштейн: «В настоящее время еще не существует вполне законченной теории поляризации вакуума».
Последняя работа Бронштейна — это теоретическая физика высшего класса: мастерское владение фундаментальными физическими принципами, умение с их помощью извлекать новые физически содержательные утверждения для сложных ситуаций, внимание к эксперименту и, конечно, владение техническим ремеслом теоретика.
Результат Бронштейна был замечен и оценен. Его красивое рассуждение, использующее принцип относительности, приводится, например, в известной монографии по космологии Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова [183, с. 124]. Вошло оно и в арсенал фундаментальной микрофизики. В этой области время от времени появляются предположения о необычном поведении физических объектов на очень малых расстояниях (соответственно при больших импульсах), достаточно малых (больших), чтобы эта необычность не была заметна до сих пор в экспериментах. Бронштейновское рассуждение указывает существенные ограничения для гипотез такого рода. Ведь если предположить, что с фотоном, например, может «что-то» происходить при очень коротких длинах волн, когда, скажем, может чувствоваться дискретность пространства, то согласно Бронштейну это «что-то» должно помнить о своем низкочастотном (длинноволновом) хвосте, гораздо более доступном эксперименту, так как
Но и Бронштейн в 1937 г. не замыкался в рамках космологии и теории вакуума (эти рамки, как ни странно это звучит сейчас, были тогда весьма узкими):
«Заметим, что общие свойства вероятности расщепления в единицу времени, выведенные выше с помощью принципа относительности, остаются справедливыми и в том случае, если в числе частей, на которые распадается фотон, имеются не только кванты света, но и гравитационные кванты. (Такие расщепления, разумеется, нисколько не противоречат законам сохранения.) В настоящее время не существует удовлетворительной теории взаимодействия между светом и тяготением. Возможно, что будущая квантовая «единая теория поля» должна будет рассмотреть и такие превращения (полные или частичные) квантов электромагнитного поля в гравитационные кванты. «Nature seems to be delighted with transmutations» (Исаак Ньютон. «Оптика», вопрос 30)» [35, с. 290].
