Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Это было несправедливо и жестоко, ведь именно отец обеспечивал семье высокий уровень жизни. Айяр был довольно высоким, красивым, крепкого телосложения человеком с проницательным взглядом и авторитарным характером. Предпочитая дома южноиндийский стиль, он носил рубашку и вешти (кусок ткани, обернутый вокруг бедер). Надевая на работу европейский костюм, он оставлял на голове тюрбан, как большинство индийцев на государственной службе, подчеркивая свое нежелание расставаться с традициями. Айяр был блестящим исполнителем музыки стиля карнатик, разрабатывал для него систему нотной записи и виртуозно играл на скрипке.

Несмотря на все свои достижения, уже с детства он оказался в тени своего младшего брата Чандрасекара Венката Рамана. На семейной фотографии, где у отца Чандры вполне добродушное выражение лица, брат его выглядит как суровый воин. Раман учился поразительно быстро: в 17 лет закончил Президентский колледж Мадрасского университета, заслужив золотую медаль за успехи в физике, степень магистра получил в 19 лет. Но из-за слабого здоровья ему пришлось оставить свои занятия наукой и, как брату, поступить на государственную службу в министерство финансов Индии.

Братья жили в Калькутте в одной квартире вместе со своими женами. Рамана все-таки тянуло к физике, и он проводил много времени в лаборатории калькуттского филиала Индийской ассоциации по распространению науки и культуры. В 1917 году его пригласили стать профессором физического факультета Калькуттского университета, и он, бросив госслужбу, с головой ушел в науку. В 1930 году Раман был удостоен Нобелевской премии по физике. По словам кузена Чандры Рамасешана, братья Айяр и Раман постоянно соперничали. Казалось, Раман во всем превосходил Айяра, а бросив стабильную госслужбу, он приобрел всемирную славу. Когда братья жили вместе в Калькутте, отношения между ними были очень напряженными. «Очевидно, что Айяр не любил Рамана», — отмечал Рамасешан, изучив их переписку.

Айяр мало отличался от большинства индийских отцов того времени. Особой любви к детям он не проявлял, зато определял жизненный путь сыновей и выбирал мужей для дочерей. Несмотря на внешнюю сухость, он относился с большим вниманием к Чандре. Отношения их были не слишком гладкими, и Лалита вспоминает, что «дети были разочарованы Айяром и не скрывали этого чувства. Они больше тянулись к матери».

Мать Чандры Ситалакшми Балакришна была необыкновенной женщиной. Родом она была из обычной индийской семьи, с властной бабушкой и неудачливой теткой. Ситалакшми вышла замуж за Айяра в 14 лет, родила 10 детей, но никогда не прекращала учиться. С помощью мужа она выучила английский язык и перевела пьесу Ибсена «Кукольный дом» на тамильский язык. Эта книга впоследствии была включена в программу средней школы.

Поначалу Чандра учился дома, как это и было принято в семьях среднего класса в Индии. Уходя на работу рано утром, Айяр давал сыну задания по нескольким предметам, а мать обучала его тамильскому языку. Для Айяра было важно, чтобы Чандра свободно разговаривал по-английски. Знание языка давало множество возможностей — от престижной государственной службы до обучения в Англии. Родители Чандры понимали, что их сын невероятно одаренный мальчик, особенно их радовали его блестящие успехи в математике. Чандра часто сидел в библиотеке, жадно поглощая математические книги деда, — к своим 15 годам он их полностью проштудировал. Позднее все десять детей Айяра с признательностью вспоминали домашнее обучение, при котором они могли изучать предметы по своему выбору. Брат Чандры Балакришнан, отмечая их своеобразную подготовку к школе, говорил: «Наши головы не забивали образовательным мусором».

Когда Чандре исполнилось 13 лет, семья переехала в Мадрас. В декабре 1923 года Айяр заложил первый камень в фундамент «виллы Чандры» — большого семейного дома. Место для него было выбрано в богатом пригороде Мадраса на Эдвард-Эллиотс-роуд вдали от нищих кварталов Трипликейна, где вырос и жил Рамануджан. Дом был очень красив: белый двухэтажный особняк, построенный в неоколониальном стиле, модном тогда в Мадрасе, с длинными верандами, с балконами под деревянными крышами и красивыми оконными карнизами. В саду росли манговые деревья с огромными листьями и кокосовые пальмы, и было много уютных мест, защищенных от яркого света и жары, для чтения и неторопливых бесед.

Айяру часто приходилось покидать этот райский уголок и расставаться с семьей, уезжая по служебным делам. «Я зарабатывал деньги для семьи и был ужасно одинок», — вспоминал он в автобиографии. «Вилла Чандры» была закончена в 1924 году, когда Чандра уже учился в индуистской высшей школе в Трипликейне. Это были беззаботные дни. Три старших брата — Чандра, Висванатан, на два года его моложе, и Балакришнан, на четыре, практически не разлучались. Сначала они вместе ездили в школу на трамвае, потом — на велосипедах. Сегодня Эдвард-Эллиотс-роуд называется улицей доктора Радхадкришнана Салая. Это шумный, оживленный проспект совсем не похож на тихую улочку, где прошло детство Чандры, а «вилла Чандры» все еще существует, хотя сейчас она выглядит небольшой и как бы вросшей в землю за прошедшие годы.

С 1925 по 1930 год Чандра ездил на велосипеде вдоль пляжа Марина в роскошные залы Президентского колледжа Мадрасского университета. «Чандра родился счастливчиком. С ранних лет его считали математическим чудом или даже гением», — вспоминает его брат Балакришнан. В колледже он прославился точными ответами абсолютно на все вопросы, даже когда это особенно и не требовалось. Все свое свободное время Чандра читал — жадно, легко, просто проглатывая тексты по математике или физике. Его литературные вкусы были весьма разнообразны: от Стивенсона до Гарди и Шекспира. А еще Чандра изучал немецкий язык. Его друг по колледжу С. Р. Кайвар говорил, что он «схватывал самое сложное на лету, легко прочитывал по сто страниц за час. Его интересовало все». Но ему не хватало времени на обычные юношеские забавы. «Мы смеялись и подшучивали над ним, — вспоминает Кайвар. — И он особенно не реагировал». Но иногда Чандра впадал в депрессию, уединялся в своей комнате и часами сидел там в темноте.

А на «Вилле Чандра» все способствовало интеллектуальному развитию. Чандра вспоминал: «Дома постоянно велись разговоры о науке». К этому времени его дядя Раман стал одним из самых известных индийских ученых. Однажды Чандра нечаянно услышал, как Раман рассказывал его отцу о Рамануджане. И с тех пор у Чандры появилась мечта — стать математиком.

После двух лет обучения в колледже Чандра должен был определить предмет для получения степени бакалавра. Не раздумывая он выбрал математику. Однако его отец считал, что математика не сможет обеспечить достойное будущее сыну. Айяр хотел, чтобы у Чандры была такая же надежная профессия, как у него. Впрочем, видя страстное желание сына стать ученым, Айяр настаивал на изучении физики, которая все-таки имела много практических применений. Неожиданно мать поддержала Чандру, что было весьма необычно для Индии того времени. Она сказала: «Поступай как считаешь нужным». Но Чандре нравилась и физика тоже, и он послушался отца. Позднее Чандра писал Балакришнану из Кембриджа: «Я так благодарен бабуджи[3] за то, что он помог мне выбрать правильный путь». Далее Чандра добавил, что в его работах по физике было так много математики, что «моя первая любовь не угасла».

Чандра часто ходил на пляж Марина подумать и помечтать. Его герой Рамануджан также часто гулял там, спасаясь от жарких и пыльных улиц Трипликейна. Чандра мечтал оставить свой след в мировой науке, сделать открытие, которое бы изменило взгляды людей на окружающий мир. «В пятом классе, да и позже я обычно бывал на пляже и, распростершись на земле, молил Бога (мне стыдно об этом говорить тебе) сделать из меня Эйнштейна или Римана», — признавался он впоследствии Балакришнану.

Как это часто бывало: Висванатан и Балакришнан, улегшись на песке, посмеиваясь, слушают Чандру, рассуждающего о науках или о литературе. В те годы Марина была чрезвычайно модным местом. Вечером автомобили чуть не сталкивались бок о бок со все более редкими закрытыми экипажами, в которых мусульманские леди могли подышать ночным воздухом, оставаясь незамеченными. Пляж — один из самых длинных и самых широких в мире — протянулся на юг на несколько миль от крепости Святого Георгия до португальского города шестнадцатого столетия Сан-Томе. Долгая прогулка по горячему песку начиналась от старой розовой башни Президентского колледжа к мерцающим водам Бенгальского залива.

Основанный в 1840 году, Президентский колледж, лучший колледж в Южной Индии, был ядром университета Мадраса, открытого семнадцать лет спустя. Преподаватели, в большинстве своем выходцы из Британии, не заставляли студентов что-либо заучивать наизусть, важнее было понимание предмета. В отличие от прочих колледжей, зубрежка здесь не приветствовалась. Однако Чандра жаловался, что система обучения была направлена на подготовку к сдаче экзаменов, а не на углубленное изучение предметов. Одним из учителей Чандры был Парамешваран, который получил докторскую степень в Кембридже. «Он был физик-экспериментатор, хорошо понимавший, что он изучает», — вспоминал Чандра. Он учился в Президентском колледже чрезвычайно успешно, его все знали. И сегодня фотография Чандры висит на стене физического факультета рядом с фотографиями Бора, Рамана и Парамешварана. В рабочем кабинете нынешнего главы физического факультета на столе стоят фотографии Рамана и Эйнштейна и целых две — Чандры.

Обычно студенты с трудом продираются сквозь дебри теоретической физики. Чандра, легко схватывая суть и детали, читал учебники и монографии почти как романы. По словам Балакришнана, еще подростком Чандра прочел «Конические сечения» Сальмона, «Курс чистой математики» профессора Кембриджского университета Г. X. Харди, «Трактат о дифференциальных уравнениях» Буля, труды по теории уравнений Бернсайда и Патона.

Но интересы Чандры были гораздо шире. Как любой индийский студент в конце 1920-х годов, он не мог оставаться в стороне от борьбы за независимость своей страны, и хоть и не стал членом партии Индийский национальный конгресс, ходил на митинги. Однажды он слушал выступление Джавахарлала Неру, который произвел на Чандру огромное впечатление. Позже он писал, что «в Неру соединились интеллектуальная мощь, внутренняя энергия, чуткость и обаяние. И все это сделало его героем молодой Индии».

Тем летом Раман предложил Чандре поработать в своей лаборатории в Калькутте. Это было захватывающее время. В феврале того же года Раман открыл эффект, который давал возможность изучать структуру молекул по рассеянию света, — эффект Рамана. Революционное открытие дяди окрылило Чандру, он был полон надежд — когда-нибудь он тоже совершит нечто подобное! Но его собственные эксперименты заканчивались неудачно — все время что-то ломалось, и Чандра понял, что его настоящее призвание — теоретическая физика.

А весной Раман привез Чандре книгу с захватывающим названием «Внутреннее строение звезд» Артура Стэнли Эддингтона. В этой книге Эддингтон знакомил читателя с новейшими достижениями астрофизики и излагал основные результаты своих исследований. Заканчивалась книга одной из его самых незабываемых фраз: «Пройдет немного времени, и мы обязательно разберемся с таким простым объектом, как звезда». Чандра был потрясен. Научные статьи Эддингтона были шедеврами прозы. С минимумом математики — а здесь он был непревзойденным мастером Эддингтон получал результаты, используя основные законы физики и связывая их с экспериментальными данными, причем все это перемежалось остротами и великолепными метафорами. Он писал о науке так, что самые загадочные явления, казалось бы совершенно невозможные для понимания, становились простыми. Его объяснения запоминались надолго. Вот что он написал, например, о фотоне:

«Представьте себе квант света, который поглощается атомом, и затем испускается в некоем направлении, а потом движется, как человек в толпе, — то в одну, то в другую сторону. Так и фотон внутри солнца будет бесцельно блуждать в течение миллиона лет или больше, до тех пор пока случайно не найдет выход из этого лабиринта, покинет Солнце и попадет в телескоп обсерватории Оук-Ридж в Гарварде, где профессор Шепли его сфотографирует».

Американский астрофизик Генри Норрис Рассел написал в своей книге «Структура и эволюция звезд»: «Книга Эддингтона — произведение искусства <…>, созданное великим учителем и великим исследователем. Это увлекательное путешествие по миру звезд; здесь излагаются ключевые проблемы и ставятся новые вопросы». Книга Эддингтона была источником вдохновения не только для таких молодых честолюбивых идеалистов, как Чандра, но и для профессиональных ученых.

Прочитав её, Чандра пришел в восхищение, особенно ему понравилось, как Эддингтон с помощью квантовой механики объяснял поглощение и излучение света атомами. Новым для Чандры было и математическое описание состояния звезд как газообразных сфер. Квантовая механика в изложении Эддингтона помогла Чандре понять открытие Рамана. Затем он тщательно изучил классический учебник великого немецкого физика Арнольда Зоммерфельда «Строение атома и спектральные линии». По чистой случайности в том же сентябре Зоммерфельд читал лекцию в Мадрасе. Полный юношеской бравады и самоуверенности, Чандра пришел к нему в гостиницу. Произошедшее далее изменило всю жизнь Чандры.

Родившийся в 1868 году и умерший в 1951-м, Зоммерфельд за годы жизни успел изучить фактически все области теоретической физики. Его талант проявился и в исследовательской деятельности, и в преподавании. Гейзенберг часто говорил, что Зоммерфельд заслужил Нобелевскую премию более других, однако непостижимым образом он был проигнорирован Нобелевским комитетом, что стало одной из немногих ошибок комитета. В 1919 году он опубликовал книгу «Строение атома и спектральные линии». С тех пор она регулярно переиздавалась и стала настоящей Библией для ученых. Чандра прочитал английский перевод этой книги 1924 года издания.

Он ничего не знал об открытиях в атомной физике двух предыдущих лет, которые совершенно изменили взгляды ученых на микромир. Ученые обнаружили новый удивительный мир квантов, в котором электроны и свет вели себя совершенно необычным образом. Традиционные представления о том, что электроны — это частицы, а свет — это волны, были отброшены. Возникло странное и даже немыслимое представление о так называемом корпускулярно-волновом дуализме, согласно которому электроны являются и волнами, и частицами одновременно[4]. Развивая этот принцип, ученые пришли к выводу, что электроны, перемещаясь в пространстве и времени, могут находиться одновременно в разных точках пространства. Еще более странным оказалось то, что электроны могут «чувствовать» и реагировать на эксперименты с другими очень отдаленными электронами. Старые принципы классической физики — возможность точно определить положение и скорость электрона и рассчитать его траекторию — были признаны неверными. Зоммерфельд передал Чандре копии двух своих статей, в которых он продемонстрировал результаты применения квантовой теории к электронному газу в металле. Оказалось, что квантовая природа электронов неожиданно привела к появлению сил давления, направленных наружу, которые уравновешивают силы гравитации, направленные внутрь, а потому металл не разрушается.

Чандра изучил все работы, рекомендованные Зоммерфельдом, который был руководителем блестящих молодых физиков Вольфганга Паули из Гамбургского университета и Вернера Гейзенберга из Лейпцигского. Они внесли огромный вклад в создание квантовой механики. Оба молодых ученых были не более чем на десять лет старше Чандры, но уже вошли в историю физики. Огромное впечатление на Чандру произвели исследования, которые легли в основу теорий Зоммерфельда. Чандра детально изучил статьи Поля Дирака, работавшего тогда в Кембридже, и итальянского ученого Энрико Ферми, которые на основе принципов квантовой механики объяснили удивительные свойства электронного газа.

Для решения какой-нибудь проблемы физики сначала выстраивают подходящую концепцию. Так поступил и Чандра. В 17 лет он занялся изучением квантовой механики для исследования свойств электронного газа, что и привело его к принципиально новым представлениям. Читая книгу Эддингтона, он начал понимать, как свет, электроны и атомы взаимодействуют в звездах, объединил это с теориями Зоммерфельда, и через неделю или две была готова его первая статья.

Не по годам развитой молодой человек был убежден, что его работа достойна публикации в «Proceedings of the Royal Society» («Трудах Королевского общества»), самом престижном научном журнале Великобритании. Он понимал, что статья для этого издания должна быть представлена редакции одним из членов Королевского общества. Чандра недавно прочитал только что изданную «Статистическую механику» Ральфа Фаулера и знал, что Фаулер — член Королевского общества. И Чандра решил рискнуть — он послал ему копию недавно написанной работы. Это случилось в январе 1929 года.

В том же январе в Мадрасе проходило собрание Индийского научного конгресса (созданного по типу британской ассоциации для развития науки). Раман, уже хорошо известный в научном мире, был председателем этого собрания.

Зал был переполнен, когда 18-летний Чандра впервые выступил на Научном конгрессе с докладом о своей работе. Профессор Парамешваран сообщил присутствующим, что Чандра еще только второй год учится в колледже, и добавил гордо, что «статья написана совершенно самостоятельно». Слова Парамешварана были встречены громом аплодисментов.

Шурин Чандры, физик А. С. Ганесан, оставлял ему копии ежемесячных обзоров Королевского астрономического общества за период с 1925 по 1929 год в большой научной библиотеке «виллы Чандры». Просматривая эти обзоры ранней весной 1929 года, Чандра наткнулся на статью Фаулера, где автор предположил, что с помощью квантовой физики можно разрешить парадокс Эддингтона — о том, что белый карлик способен полностью сколлапсировать, а не превратиться в кусок камня. Чандра применил методику расчетов Зоммерфельда для описания электронного газа, которые уже использовал в двух своих первых статьях. «Это я уже умел, и это было только началом», — вспоминал Чандра. И тогда же он решил, что его место в Кембридже.

В июне Чандра послал отцу письмо с описанием своих работ — в 18 лет он одновременно работал над пятью статьями! Одну из них он отправил Фаулеру, а вторую в «Indian Journal of Physics» и стал с нетерпением ждать ответа.

[3] Бабу — на тамильском языке «отец» (ласково), джи — «уважаемый». (Примеч. редактора.)

[4] В 1905 году Эйнштейн предположил, что свет представляет собой поток частиц (фотонов). Отец и сын Томсоны сделали открытия, стоящие в ряду самых поразительных в истории физики. Дж. Дж. Томсон открыл электрон и получил за это Нобелевскую премию в 1906 году: Джордж, сын Дж. Дж. Томсона, продемонстрировал, что электрон обладает волновыми свойствами, и в 1937 году тоже получил Нобелевскую премию.