Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры - Артур Миллер

Чандра был буквально ошеломлен, хотя хорошо понимал возможность неожиданных последствий учета релятивистских эффектов в теориях строения звезд. Удивительно, что эти эффекты не учел Фаулер, который лишь допускал — как выяснилось, ошибочно, — что плотность внутри белого карлика не больше ста тысяч граммов на квадратный сантиметр. Поэтому-то и предполагалось, что электроны в белом карлике движутся достаточно медленно, а потому их движение описывалось уравнениями ньютоновской физики. Становилось совершенно ясно: расчеты Фаулера справедливы лишь для малых скоростей электронов. Озарение Чандры оказалось не просто счастливой случайностью. Уравнения заговорили с ним, и он уже не мог остановиться, не доведя каждую деталь до совершенства. Чандра сумел понять огромную важность своих результатов и всю картину в целом. В этом-то и заключалась его гениальность.

Прежде чем проводить дальнейшие расчеты и убедиться в правоте своих вычислений, молодому ученому предстояло объяснить столь высокие скорости частиц. Ключ к разгадке заключался в поразительном следствии из уравнений квантовой механики, которое Гейзенберг открыл три года назад. Для Чандры Гейзенберг был гораздо больше, чем автор научной статьи: он помнил лицо, рукопожатие, чувствовал поддержку Гейзенберга.

Принцип неопределенности Гейзенберга состоит в том, что существует обратная связь между координатами частицы в пространстве и ее скоростью: мы можем очень точно определить местоположение частицы, но не можем одновременно измерить с той же точностью ее скорость. И наоборот. Любая попытка точно определить положение электрона приводит к внешнему воздействию на него и соответствующему изменению скорости. Фаулер должен был с самого начала воспользоваться выводами специальной теории относительности, но он рассматривал случай нерелятивистского вырождения и не принял во внимание релятивистские эффекты. А Чандра учел выводы специальной теории относительности и намеревался изучить то, что он назвал релятивистским вырожденным электронным газом.

Чандра понимал, что расчеты с использованием всего аппарата специальной теории относительности чрезвычайно сложны, а потому использовал приближение, согласно которому скорость электронов внутри белого карлика очень близка к скорости света. Чандра рассчитал связь между давлением и плотностью релятивистского вырожденного электронного газа, считая его идеальным квантовым газом и игнорируя электромагнитное взаимодействие частиц. Как и Фаулер, Чандра сосредоточился на изучении полностью остывших белых карликов. И применение теории относительности привело к поразительному результату: существовал верхний предел массы белого карлика. По расчетам Чандры, этот верхний предел массы лишь немного больше, чем масса Солнца[31]. Но что произойдет с белым карликом, когда он выжжет все свое топливо, если его масса превышает предел Чандры? Поскольку ничто не мешает сжатию звезды, может ли она сжиматься бесконечно? Чандре показалось, что он опроверг теорию Фаулера и нашел новое решение проблемы Эддингтона — то самое, которое Эддингтон назвал абсурдным.

И вот наконец корабль достиг порта Генуи и направился к Ла-Маншу. Чандра прибыл в Лондон 19 августа. Вскоре он уже был в Кембридже — в приподнятом настроении и с большими надеждами. В Индии все считали его гением, но здесь была абсолютно иная ситуация: в Кембридже его окружали самые блестящие физики мира — «Не только Эддингтон и Харди, но также множество людей, чьи имена я не упоминал. Я получил сильнейший опыт отрезвления», — позже вспоминал он.

Уверенность в себе постепенно испарялась. Он даже начал думать, что единственной причиной приглашения в Кембридж была его давняя переписка с Фаулером.

2 октября Чандра принес две новые работы Фаулеру, который стал его руководителем. Первая была посвящена вычислению плотности белых карликов и представляла собой применение уравнений Фаулера к задаче Эддингтона. Другая была более оригинальной и касалась предела массы белых карликов, который Чандра вычислил. Фаулер прочитал обе статьи, сделал некоторые замечания ко второй и предложил обе послать Милну для дальнейшей публикации.

Фаулер не проявил особого восторга по поводу содержания второй статьи и очень разочаровал этим Чандру, который был убежден, что она гораздо важнее первой. Фаулер предложил, чтобы эту статью прочел его коллега и бывший студент, блестящий и эксцентричный 28-летний Поль Дирак. А еще Фаулер напомнил Чандре, что в 1930 году Эдмунд Стонер также получил ограничения для массы белых карликов с учетом релятивистских эффектов. Чандра послушно процитировал работу Стонера, но указал, что его собственные результаты основаны на более реалистичной модели строения звезд и имеют более широкое применение[32].

Результаты Стонера применяются только к звездам с постоянной плотностью, тогда как Чандра считал, что плотность звезды возрастает при приближении к ее центру. Кроме того, Стонер был обеспокоен только одним вопросом: станут ли температура и давление в белом карлике невероятно высокими, когда масса звезды достигнет определенного критического значения? А Чандра был готов пойти намного дальше; он считал, что белый карлик с массой больше некоего предела может сжиматься до бесконечности. Впоследствии Чандра вспоминал: «Фаулер и его коллеги не хотели обращать внимания на мою сентябрьскую статью». Ему надоело слушать, что его статья всего лишь «очень интересна». Впрочем, сэр Джеймс Джинс оценил эту работу, и Чандра написал отцу: «Я доказал, что максимальная масса звезд-карликов примерно такая же, как у нашего Солнца, и сообщил об этом Джинсу. Он вежливо ответил мне, что этот результат „очень важен“». Ободренный этой оценкой, в середине ноября Чандра послал свою статью о максимальной массе в «American Astrophysical Journal». Сначала ее не приняли, но в марте 1931 года все-таки опубликовали.