Античный герой космологии: Сергей Шандарин

Шестой этаж, комната 6070 в здании Мэлотт-холл на территории Канзасского университета в Лоуренсе, в 20 милях от Канзас-Сити. Здесь профессор факультета физики Сергей Шандарин принимает студентов уже 27 лет. Такое бывает очень редко: получить первую работу за границей и ни разу не поменять адрес. Если пользоваться старыми советскими понятиями, можно сказать, что в новой американской жизни у Шандарина всего одна запись в трудовой книжке. Только нет таких книжек у профессуры Университета штата Канзас. Но есть форумы студентов, где они пишут, что профессор Шандарин слишком строг, не любит разжевывать материал, что им мешает его русский акцент, который никуда за эти годы не делся, но им нравится, когда он рассказывает об опыте жизни в СССР. Им это кажется забавным, а иногда и непостижимым…

Действительно, как передать современному молодому американцу опыт советского ребенка, выросшего в общежитии семейного типа на окраине Москвы, в проезде Соломенной Сторожки, сына маляра и работницы фабрики учебных пособий, собиравшей гербарии, который попал сначала в одну из самых известных школ столицы, потом в самый лучший физический институт страны и, наконец, в теоретическую группу к одному из самых выдающихся физиков своего времени?

Как рассказать им о нищете, тотальном контроле партийных органов и служб госбезопасности и о самых быстрых социальных и интеллектуальных лифтах для талантливого молодого ученого в СССР? Разве что метафорами. Сам Сергей Фёдорович Шандарин говорит, что его жизнь напоминает похождения героя античной мифологии, который периодически попадает в схватку между богами и которому в критических ситуациях приходят на помощь «волшебные помощники» (волшебный помощник — термин, введенный В. Я. Проппом в работе «Морфология волшебной сказки». — О. О.).

Первым таким «помощником» стал школьный друг Андрей Илларионов (будущий научный сотрудник ИКИ и Астрокосмического центра ФИАН), который позвал его с собой на приемное собеседование в знаменитую «Вторую школу».

О драматических событиях, развернувшихся во «Второй школе» в 1971 году, когда большое количество прекрасных педагогов было по идеологическим причинам отстранено от преподавания, написано множество воспоминаний и даже снят фильм. Ее выпускники стали знаменитыми учеными, бизнесменами, артистами. И все они вспоминают «Вторую школу» как лучшую и единственную. Ученикам девятого класса «З» Шандарину и Илларионову повезло застать ее расцвет.

«В десятом классе мы с Серёжей как-то немного отшатнулись от математики, — вспоминает Илларионов, — потому что отправились в МГУ на кружок по физике. Там возникло ощущение, что физика шире и разнообразнее, чем разгадывание математических загадок без понимания их природы. И тогда мы вместе с целой командой из нашей школы решили поступать в Физтех».

Чуть позже уже студентами Шандарин с Илларионовым стали ходить на общемосковский семинар Шкловского, Зельдовича и Гинзбурга в ГАИШе. Увидев там блестящего академика Зельдовича, студенты решили попасть к нему на базовую кафедру. Но Я. Б. Зельдович тогда работал в Институте прикладной математики (ИПМ), и у него не было своей базовой кафедры в Физтехе. А заведующий теоротделом ФИАНа академик Гинзбург также возглавлял кафедру проблем физики и астрофизики в МФТИ. И Шандарин с Илларионовым пришли сдавать Гинзбургу экзамен. Гинзбург спросил, чем они хотят заниматься и у кого. Оба ответили, что хотят быть в группе Зельдовича в Институте прикладной математики. И оба после этого экзамен не сдали. Но после вмешательства Зельдовича были зачислены на кафедру проблем физики и астрофизики.

Как шутит сам Шандарин, Зельдович всегда играл в его судьбе роль бога. Иначе как объяснить, что он отправился к ректору МФТИ просить выделить две позиции в аспирантуре Физтеха для двоих выпускников, с тем чтобы они писали диссертации в Институте прикладной математики? А когда судьба студентов была решена, и они стали участниками группы Зельдовича, пришло понимание того, что такое настоящая физика. Состав этой теоргруппы через некоторое время станет звездным в буквальном смысле — их имена узнает весь астрофизический мир. Помимо Шандарина туда вошли Геннадий Бисноватый-Коган, Андрей Дорошкевич, Андрей Илларионов, Анатолий Клыпин, Игорь Новиков, Александр Полнарёв, Алексей Старобинский, Рашид Сюняев, Николай Шакура…

«У Шандарина была прямая счастливая научная дорога», — замечает Алексей Старобинский. Это подтверждает и сам Шандарин:

«Моя научная работа в Институте прикладной математики началась со статьи Зельдовича, которая дала начало теории образования крупномасштабных структур Вселенной, так называемой „теории блинов“, чем я и занимался всю жизнь. Зельдович поставил мне задачу: „Вы должны доказать всему миру, что это правильная теория“».

Важное развитие эта теория получила как раз в начале 1980-х, с новыми наблюдательными данными от американских астрономов, на основе которых Зельдович, Шандарин и эстонский астроном Яан Эйнасто опубликовали статью в Nature. Дело в том, что из Эстонии было значительно легче ездить за границу, чем из Москвы, и Эйнасто, съездив на зарубежную конференцию, получил разрешение от американских коллег на использование данных каталога из приблизительно 600 галактик и расстояний до них. Зельдович с Шандариным предложили статистически-перколяционный метод анализа этих данных, с помощью которого стало понятно, что эти галактики образуют сети. Об этом упоминает Чернин в своем очерке об Яане Эйнасто:

«Яан Эйнасто первым среди астрономов обратил внимание на войды как на базовый элемент крупномасштабного устройства Вселенной. Яков Борисович Зельдович заметил важную роль сверхскоплений и войдов в физическом процессе формирования космических структур самого большого масштаба. Зельдович, ЯЭ и Сергей Федорович Шандарин (сотрудник Якова Борисовича) опубликовали в Nature в 1982 году статью под названием „Гигантские войды во Вселенной“, которая вызвала необычайно большое число откликов. Но это был только первый шаг к главной цели исследования, достижение которой потребовало еще 15 лет упорного труда. В итоге тщательного анализа наблюдательного материала, многочисленных дискуссий (временами весьма острых) с коллегами в разных странах, где активно работали группы энергичных космологов (космология стала к тому времени уже почти что массовой профессией), в том же журнале в 1997 году появилась статья ЯЭ и еще девяти авторов, которая называлась „Периодичность масштаба 120 мегапарсек в трехмерном распределении сверхскоплений галактик“».

Войдам была посвящена первая совместная статья Шандарина и Зельдовича. В русскоязычной традиции войды принято называть «гигантскими черными областями». Эти образования загадочны как с физической, так и с математической точки зрения. Их размеры превышают среднее расстояние между галактиками в десятки раз, достигая сотен мегапарсек. Было ясно, что их образование связано с какой-то особой причиной. Такая причина легко нашлась в популярной в начале 1980-х космологической модели, предполагавшей, что темное вещество состоит из нейтрино с массой около 30 электрон-вольт. В этой модели, известной под названием «модель горячего темного вещества», практически отсутствуют начальные возмущения в масштабах менее нескольких десятков мегапарсек. Это сразу объясняет отсутствие галактик в войдах.

«Теория блинов» очень хорошо описывала крупномасштабную структуру в нейтринной Вселенной, включая образование войдов с нужными размерами. Однако к концу 1980-х годов стало ясно, что масса нейтрино значительно меньше, чем нужно, и нейтринная модель Вселенной была отвергнута. Большинство западных космологов, отказавшись от нейтринной Вселенной, в очередной раз отвергло и «теорию блинов», тем самым выплеснув с водой и ребенка. Модель, пришедшая на смену горячему темному веществу, получила название «модель холодного темного вещества». В ней начальные неоднородности присутствовали в галактических и более мелких масштабах. Последнее обстоятельство и послужило главным аргументом против «теории блинов».

Работы Шандарина с соавторами в 1990-е годы показали безусловную применимость «теории блинов» и в модели холодного темного вещества. Но не будем забегать вперед: в начале 1980-х для молодого научного сотрудника Шандарина исключительно полезной оказалась совместная с математиком Владимиром Арнольдом работа над статьей, в которой Арнольд отвечал за математическое описание «теории блинов».

Шандарин вспоминает:

«Мне кажется, что на Зельдовича глубокое впечатление произвел рисунок, который я сделал в 1975 году на основе численного расчета предсказаний „теории блинов“ в более простом двумерном случае. О трехмерном расчете тогда можно было только мечтать».

Этот рисунок отчетливо и недвусмысленно показал, что кроме «блинов» в теории также возникают и другие, геометрически более сложные структуры. Эти структуры нетривиальным образом соединяются друг с другом в процессе эволюции, образуя единую конфигурацию, вызывающую ассоциацию с паутиной или сетью с неодинаковыми ячейками. Вероятно, Зельдович почувствовал, что за всем этим может стоять красивая математика, и поэтому обратился к Арнольду. Пообщавшись с Арнольдом, Зельдович отправил к нему Шандарина с теми самыми рисунками и инициировал оптический эксперимент («единственный эксперимент в моей жизни», как заметит потом Шандарин), моделирующий «теорию блинов» в двумерном случае. Итогом стала статья, опубликованная в журнале «Успехи физических наук» в разделе «Методические заметки».

Вот как Арнольд охарактеризовал «теорию блинов» в статье «ЯБ и математика» в сборнике «Знакомый незнакомый Зельдович»:

«Построенная Яковом Борисовичем „теория блинов“, в сущности, эквивалентна теории простейших, так называемых лагранжевых, особенностей в симплектической геометрии […] Ее математические трудности так велики, что многие вопросы остаются до сих пор нерешенными, а достигнутые (уже в последние годы) результаты были получены лишь вследствие осмысления ряда экспериментов лазерной оптики и компьютерного моделирования. Переход от локально-аналитического исследования к анализу глобально-топологических и статистически-перколяционных свойств возникающих структур в работах ЯБ не может не вызвать восхищения математиков. В этих работах, скорее, физика становится служанкой математики, чем наоборот».

К 1984 году у Шандарина накопилось достаточно результатов для защиты докторской диссертации. В начале 1980-х, через 11 лет после публикации «теории блинов», наконец удалось донести до молодых западных космологов по крайней мере одно ее полезное приложение, которое с тех пор неизменно используется во всех численных расчетах структуры Вселенной. По приглашению Джонса Сергей Шандарин выступил с докладом в Центре научной культуры имени Этторе Майорана в городе Эриче на Сицилии и рассказал о результатах первого трехмерного численного эксперимента по образованию структуры с полным расчетом гравитационного взаимодействия, проведенного им с Анатолием Клыпиным. Были и другие успехи.

История защиты Шандариным докторской диссертации тоже красочно иллюстрирует случайное влияние «добрых и злых сил», сталкивающихся в научной среде. Прежде всего, надо было выбрать подходящий докторский совет. Докторские защиты в те времена были куда более «политизированы» в научном смысле, чем кандидатские. Считалось, что новый доктор будет принадлежать к определенной научной группировке и тем самым несколько сдвинет существующий баланс сил. (Как потом скажет об этом периоде Алексей Старобинский, «считалось, что тогда в Москве боролись между собой разные школы. Но когда основатели умерли, выяснилось, что серьезных научных противоречий между их учениками нет, потому что это были в основном человеческие конфликты и межличностные противостояния».)

Но существовали и другие проблемы при выборе совета: в одном была очередь на пару лет, в другом — не очень дружелюбный председатель, третий не вполне подходил по профилю; четвертый не годился потому, что диссертации, защищенные в нем, направлялись на утверждение в ту секцию Высшей аттестационной комиссии при Совете министров СССР, которой правил враждебный председатель. При этом враждебность, нейтральность или дружественность рассматривалась, главным образом, по отношению не к диссертанту, а к его опекуну.

Зельдович предложил докторский совет физфака МГУ. Однако, когда там посмотрели автореферат докторской, стало ясно, что всё придется перепечатывать. Деканом физфака тогда был Василий Степанович Фурсов, который не переносил Зельдовича и о котором ходили слухи, что он связан с КГБ. Коллеги предупредили: если Фурсов увидит в реферате или диссертации имя Зельдовича, он может завалить защиту. Диссертанту пришлось сменить именные ссылки в тексте на безличные номера в надежде, что Фурсов не станет выяснять, кто за каким номером стоит, и таким образом замаскировать имя учителя в тексте. Главным оппонентом диссертации был Исаак Халатников, ученик и соавтор Льва Ландау. Однако по рассеянности Халатников забыл про защиту, и диссертанта чуть не провалили из-за нарушения процедуры. И тут роль «волшебного помощника» сыграл Рашид Сюняев, который немедленно был утвержден дополнительным оппонентом и тут же написал положительный отзыв. После удачной защиты Шандарина стали «выпускать» за границу всё чаще.

Спустя несколько лет он перешел из ИПМ в Институт физических проблем, знаменитый «Капичник». В конце 1982 года умер академик Илья Лифшиц, заведующий теоретическим отделом «Капичника», и директор института академик Капица пригласил на его место Зельдовича, но поставил условие, чтобы других астрофизиков или космологов в институте не было. В 1984 году Капица умер, и в Институт физических проблем пришел новый директор — Андрей Боровик-Романов.

И вот теперь Зельдович смог выбить для любимого ученика, новоиспеченного доктора, ставку старшего научного сотрудника. Но проработали они в Институте физпроблем вместе недолго — в декабре 1987 года Зельдовича не стало.

«В последние два года перед отъездом в Канзас я оказался словно в изоляции, разговаривать стало не с кем, — вспоминал то время Шандарин. — Раньше мы беседовали с Зельдовичем почти каждый день, а после его смерти наступила пустота. Я жил одновременно в тени и при свете Зельдовича. Никто из тех, с кем я потом близко столкнулся в своей жизни, не достигал его уровня. Я задавал себе вопрос: что я смогу дальше сделать сам?»

Шандарин был одним из первых советских ученых, кому разрешили выехать со всей семьей. То, что сегодня молодому человеку в России покажется невероятной экзотикой, тогда было обыденным: если один член семьи ехал на работу в капиталистическую страну, остальные оставались на родине почти в заложниках. Получить выездную визу всей семьей было непростой задачей. И Шандарин решил, что если семье не дадут выездную визу, то он просто откажется ехать. Однако в Управлении внешних связей вдруг согласились начать оформление документов для всей семьи.

«Мы думали, что едем на год, а оказалось, что навсегда. У меня всегда была мечта жить в башне из слоновой кости, но, когда я соглашался на постоянную позицию в Америке, решение давалось мне очень тяжело… Я ведь не хотел уезжать на всю жизнь, но я и не понимал, куда возвращаться».

Обстановка в научных институтах в начале 1990-х в Москве была тяжелой. Проблемы были не только с зарплатами и научной литературой, но и с оборудованием. Не хватало обычных компьютеров. На этом фоне условия в Университете штата Канзас выглядели если и не башней из слоновой кости, то по крайне мере очень привлекательными. Достойная жизнь, отличная научная библиотека, минимум бюрократии, возможность публиковаться в любых журналах без согласований и ездить на конференции без всяких разрешений Первого отдела. И лишь чуть позже стало понятно, что у этой жизни есть и обратная жесткая сторона. И дело было не только в новой среде. Наступала новая эпоха.

В одном из своих интервью Шандарин замечает:

«Сейчас в научных подходах становится меньше романтики, а больше прагматики. Уже нет одиночек-исследователей, которые совершают прорывы, а основные достижения вырабатываются коллаборациями. Да и статьи подписываются порой сотнями авторов — проявляется в некотором смысле индустриальный подход. Мы начинали заниматься астрофизикой в романтическую эпоху, когда многое рождалось на бумаге и в обсуждении. Сейчас эксперименты планируются на много лет вперед».

В 2001 году Сергей Шандарин был избран почетным членом Американского физического общества — «За инициирующие работы в теории гравитационной неустойчивости, в особенности способствующие нашему пониманию образования сверхскоплений галактик во Вселенной».

В эту новую эпоху Шандарин сделал всё, чтобы «теория блинов» вошла в контекст мировой астрофизики и была признана западными космологами-астрофизиками.

«Когда я поехал в Америку, я поставил перед собой задачу популяризировать и развить „теорию блинов“, и думаю, что с этой задачей справился», — считает Шандарин, автор более 140 публикаций в ведущих журналах по астрофизике и космологии. Его научная жизнь в Америке оказалась не менее плодотворной, чем в Советском Союзе.

По мнению Шандарина, работая в США, он получил неизмеримо бóльшие возможности для развития теории. Если за первые 10 лет после опубликования на нее было сделано менее двух десятков ссылок, 12 из которых принадлежали советским авторам, то за последние 10 лет их более 600.

Но конечно, еще важнее было добиться более глубокого понимания ее следствий, а также дальнейшего развития. Расчет начальных условий для численного моделирования возникновения и эволюции крупномасштабной структуры Вселенной, то есть скоплений и сверхскоплений галактик, хотя и полезное, но самое тривиальное следствие «теории блинов». На качественно более высоком уровне, чем в начале 1970-х, была численно исследована точность математической формулы, лежащей в основании теории. С помощью высокоточных численных расчетов с полным учетом гравитационного взаимодействия удалось доказать, что первыми возникают именно «блины», как и предсказал Зельдович.

В обновленной теории эволюции Вселенной, учитывающей как темную материю, так и темную энергию, было показано, что «блины», или, как их часто называют, «стены», не разбивают пространство на изолированные индивидуальные войды. Вместо этого существует один гигантский войд, занимающий около 90% всего пространства Вселенной. В сотрудничестве с индийскими космологами Шандарин разработал новый метод расчета параметров «космической сети», основанный на использовании функционалов Минковского, — еще один пример очень красивой математики.

А из обстоятельств академической жизни, не связанных непосредственно с научными исследованиями, пожалуй, самым тяжелым испытанием, как и для большинства коллег, уехавших в 1990-е, для Шандарина стало преподавание в незнакомой образовательной системе и на чужом языке. Попытки транслировать опыт МФТИ в американский вуз выглядели иногда как «перенос чуждых нам явлений на непригодную для этого почву». Есть вещи, к которым выпускнику Физтеха привыкнуть невозможно. Если студент дает неверный ответ и при этом упорствует — мол, таково мое мнение, то в ответ от Шандарина слышит, что наука совсем не политкорректная штука. Вслед за Зельдовичем, который утверждал, что «правда всегда одна», его ученик и сегодня настаивает:

«Если я делаю одно научное утверждение, а вы — другое, то они не могут быть оба верными. Только один из нас прав. Чтобы выяснить, кто именно, нам могут потребоваться годы. Но это будет только один из нас».

К счастью, в науке, в отличие от античной мифологии, «последних героев» нет и торжествует не сила или успех, а истина, которая принадлежит всем.

Ольга Орлова,
научный журналист

См. также инфо о лекции С. Шандарина 11 ноября.