0857
.pdfнеравновесны, то есть взаимосвязи между элементами системы со временем разрушаются и создаются заново.
Теория электромагнетизма
Электрические и магнитные явления были известны давно, но они изучались отдельно друг от друга. Датский ученый Ганс Христиан Эрстед (1777 - 1851) поместив над проводником электрического тока магнитную стрелку, обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Из этого он сделал вывод, что электрический ток создает магнитное поле. Чуть позднее английский физик М. Фарадей (1791 - 1867), вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток. На основе этих и других опытов Джеймс Максвелл (1831 - 1879) создал теорию электромагнитного поля. Таким образом было доказано, что в мире существует не только вещество, но и физические поля.
Включение поля существенно осложняло научную картину мира, поэтому долгое время ученые пытались объяснять электромагнитные процессы при помощи механических моделей и понятий. Так появилась теория «электрических и магнитных жидкостей».
Теория электрической жидкости базировалась на следующих положениях:
1.Электричество есть жидкая субстанция, подобная веществу.
2.В каждом незаряженном теле находится одинаковое количество положительного и отрицательного электричества, поэтому они взаимно нейтрализуют друг друга.
3.В результате трения один вид электричества можно отделить от другого.
4.Есть два вида тел: в одних электрические жидкости могут двигаться свободно, поэтому их называют проводниками, в других же (фарфор, стекло, резина и пр.) не
могут, поэтому их называют изоляторами.
Однако опыты показывали, что вес заряженного тела ничем не отличается от веса электрически нейтрального тела. Чтобы увязать этот факт с теорией электрической жидкости, последняя была объявлена невесомой. Но само существование «невесомых субстанций» уже представляет собой отход от механистической концепции. При дальнейшем развертывании исследований ученые натолкнулись на еще большие трудности, что привело к ее замене теорией электромагнитного поля.
Опыты Эстерда и Фарадея показали, что электрические и магнитные поля не являются изолированными объектами. Там, где есть электричество, возникает магнитное поле и наоборот. Примечательно, что Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции, был самоучкой. Он работал переплетчиком в типографии и физику изучил собственными усилиями. Фарадей был верующим человеком и считал, что «природа едина от Бога». Поэтому-то он и был убежден во взаимосвязи электрических и магнитных сил. В те времена на университетских кафедрах господствовала ньютоновская идея дальнодействия, но на сознание Фарадея она не оказала сильного влияния как раз в силу дилетантского образования последнего. Новаторское мышление Фарадея позволило выйти за рамки Ньютоновской механики и предвосхитило идейные сдвиги в физической картине природы. Если теория дальнодействия сыграла положительную роль при формировании закона всемирного тяготения, то в 19 веке в физике стала все более востребованной декартовская идея близкодействия.
Если Фарадей предоставил эмпирический материал для теории электромагнитного поля, то Максвелл переводит ее на язык математики. Уравнения Максвелла предсказывали возможность волнообразных возмущений электромагнитного поля. Понятие «поля», как и принцип близкодействия Максвелл берет из фарадеевского наследия. Эти две идеи тесно связаны, так как для близкодействия необходима сплошная среда. Но тут возникла проблема: как понимать поле? У Фарадея на этот счет нет конкретных указаний. Максвелл закрепил в качестве среды эфир – «пятый элемент», выдуманный в свое время Платоном. Эфир как бы заполняет все пространство и пронизывает все тела. Позже «эфир» был устранен, так его существование экспериментально не подтвердилось. Более того, концепция
31
эфира стала самопротиворечивой. С одной стороны, эфир должен быть очень разряженной средой, чтобы пронизывать все и чтобы планеты двигались сквозь него без трения. С другой стороны, скорость распространения электромагнитных волн чрезвычайно велика, что свидетельствовало о твердости эфира – чем тверже, плотнее тело, тем быстрее движутся в нем волны.
Но концепция эфира имела и свои положительные стороны. Эфир стал своеобразным «мировым пространством», абсолютной системой координат. Кроме того, она объясняла волновой характер электромагнитных явлений. Ученые того времени считали, что подобно морским волнам, требующим воды, или звуковым колебаниям, требующим воздуха, волнам э/м энергии тоже нужна особая среда. Но раз это волны, то они должны распространяться с постоянной скоростью, как рябь на воде. Максвелл вычислил эту скорость – и она оказалась равна 300 000 км / с.
Теперь стоит немного отвлечься и совершить небольшой экскурс в теорию света.
С давних пор конкурировали две гипотезы света – корпускулярная и волновая, но долгое время ни та, ни другая не были удовлетворительными. Ньютон придерживался корпускулярной теории. Сторонником волновой теории света в 17 веке был нидерландский ученый Христиан Гюйгенс (1629 - 1695), но авторитет Ньютона был весьма высок. Однако в начале 19 века Е. Юнг и О. Френель предоставили весьма убедительные аргументы в пользу волновой гипотезы. Впоследствии измерения установили, что скорость света конечна и равна 300 000 км/с. В действительности тот факт, что свет распространяется с некоторой конечной скоростью был выявлен еще в 17 веке, за 11 лет до публикации «Начал» Ньютона, датским астрономом Оле Христиансеном Рѐмером. Но он ошибся, высчитывая его скорость.
Итак, Максвелл доказал, что скорость электромагнитных волн та же, что и у световых. Совпадение скоростей подсказали Максвеллу, что речь идет о явлениях одного порядка, то есть свет можно также отнести к электромагнитным процессам. Сегодня известно, что человеческий глаз воспринимает как видимый свет волны длинной от 40 до 80 миллионных долей сантиметра (длинной волны называют расстояние между двумя ее гребнями или впадинами). Волны, длина которых короче, называют ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением. Волны, длина которых превышает указанные параметры, - это радиоволны, микроволны и инфракрасное излучение.
Волновая природа электромагнитных процессов получила эмпирическое подтверждение в 1887 голу, когда немецкий физик Генрих Герц создал генератор электромагнитных волн и осуществил их прием.
Вытекающие из теории Максвелла положения о том, что радио- и световые волны должны распространяться с постоянной скоростью, было трудно согласовать с механикой Ньютона. Ведь если отсутствует абсолютный стандарт покоя, мы не можем заключать универсального соглашения о скорости объекта (игра в пинг-понг в движущемся поезде (90 км/ч): какова скорость шарика – 10 или 100 км/ч?). Одному и тому же объекту можно приписывать любую скорость, в зависимости от системы отсчета. Согласно Ньютону, то же самое должно относиться и к свету. Концепция эфира позволяла кое-как примирить теорию Максвелла с законами Ньютона: эфир заменял «мировое пространство» и скорость света должна измеряться относительно эфира, только в этом случае она могла быть постоянной.
В 1887 году два американских ученых – Альберт Майкельсон и Эдвард Морли - решили экспериментально проверить гипотезу эфира. Результат оказался плачевный: никакого эфира как абсолютного пространства обнаружено не было. Между 1887 и 1905 годами было предпринято несколько попыток спасти концепцию эфира, пока никому доселе неизвестный сотрудник швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн (1879 - 1955) не показал, что можно прекрасно обойтись и без этой таинственной субстанции, если только отказаться от идеи абсолютного времени.
32
Теория относительности А. Эйнштейна
Nature, and Nature’s laws, lay hid in night:
God said, Let Newton be! and all was light.
(Alexander Pope)
It did not last: the Devil, howling Ho! Let Einstein be! restored the status quo.
(sir John Collings Squire)
(Был этот мир глубокой тьмой окутан. Да будет свет! И вот явился Ньютон.
Но сатана недолго ждал реванша. Пришел Эйнштейн – и стало все как раньше.
Пер. С.Я. Маршака)
В действительности речь идет о двух теориях относительности, последовательно сформулированных Эйнштейном: Специальной теории относительности (СТО) и Общей теории относительности (ОТО).
Специальная теория относительности
СТО, идеи которой Эйнштейн выдвинул в 1905 году, позволяла объяснить постоянную скорость света, не прибегая к сомнительной «концепции эфира». Как уже говорилось, в электродинамике эфир приобрел взаимоисключающие свойства: поскольку он заполняет все пространство, он должен быть очень разряженным, но в то же время эфир должен быть очень плотным, чтобы объяснить быструю скорость распространения электромагнитных волн.
Следуя уроку Эрнста Маха о необходимости изгнания из физики абсолютов, пришедших туда извне, Эйнштейн показал, что надобность в эфире отпадает, если мы откажемся от «абсолютов» Ньютона: абсолютного пространства и, главное, абсолютного времени. Несколько неделей спустя ту же идею высказал ведущий французский математик Анри Пуанкаре, но она, разумеется, была изложена в математическом ключе. Так что аргументы Эйнштейна оказались более близкими физикам.
Еще в 18 веке было обнаружено, что свет движется с постоянной скоростью. Но возникал вполне законный вопрос: относительно чего эта скорость? Концепция эфира давала ответ, но из нее вытекало, что при определенных обстоятельствах измеряемая скорость света будет другой. Если наблюдатель неподвижен относительно эфира, то он зафиксирует скорость равную 300 000 км/с., но если наблюдатель движется в эфире, то он должен фиксировать большую или меньшую скорость.
Например, некто не очень хороший швыряет в вас ручной гранатой, и она летит со скоростью 6 м/с. Вы, разумеется, пытаетесь убежать, стартуя со скоростью 3,6 м/с. Злополучная граната все же будет к вам приближаться, но с меньшей скоростью, чем рассчитывал ваш неприятель, а именно: 6 м/с – 3,6 м/с = 2,4 м/с. Теперь предположим, что ваш неприятель неплохо вооружен, и вместо гранаты вытаскивает мощный лазер. Он стреляет, и луч лазера несется на вас со скоростью 300 000 км/с. Эйнштейн предложил описывать свет как поток микроскопических частиц, которые химик Гильберт Льюис окрестил фотонами. Вы, разумеется, не в восторге от предстоящей встречи с этими фотонами и пытаетесь удрать. И у вас есть звездный корабль вроде «Энтерпрайза», на котором вы улетаете от пучка фотонов со скоростью 50 000 км/с. Интуиция вам подсказывает, что вас все равно поджарят, но не так скоро, ибо теперь фотоны догоняют вас со скоростью всего 250 000 км/с. Но тут ваша интуиция, увы, не права: большое количество различных экспериментов, проведенных еще в конце 19 века, доказывают, что если вы
33
умудритесь в этой ситуации измерить скорость преследующего вас луча, то получите все те же злополучные 300 000 км/с. Можно даже двигаться навстречу фотонам, или преследовать удаляющиеся, но все равно результат будет неизменным.
Получается, что куда бы и с какой скоростью ни двигались наблюдатели, они должны будут замерять одну и ту же скорость света! Это невозможно, если представления Ньютона (да и наши обыденные представления) о пространстве и времени как универсальных величинах верны. Идею постоянства скорости света действительно трудно усвоить, и в начале 20 века физики потратили немало усилий, чтобы ее опровергнуть, но с нулевым результатом.
Фундаментальный постулат Эйнштейна, именуемый (почему-то) принципом относительности, гласит, что все законы физики должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Скорость света – это расстояние, которое проходит электромагнитный импульс между двумя событиями, деленное на временной интервал между этими событиями. Событие – это нечто, имеющее место в определенной точке пространства в определенное время. И единственный способ сойтись в оценке скорости света – это разойтись в оценке времени. Все мыслимые наблюдатели, с какой бы скорость они не двигались, могут замерять одну и ту же скорость света, только если предположить, что каждый из них движется в своем индивидуальном времени, замеряемом своими часами. Разница в таких индивидуальных замерах будет увеличиваться с возрастанием разницы скоростей наблюдателей. Такой эффект действительно был замечен путем сравнения часов, оставленных на земле и помещенных в авиалайнер. Но при обычных для нас скоростях передвижения, в том числе и на самолете, эта разница во времени столь мала, что ею можно спокойно пренебречь. Она становится существенной при околосветовых скоростях. В случае с лайнером, чтобы разница достигла одной секунды, лайнеру пришлось бы облететь вокруг земли 400 миллионов раз.
В СТО Эйнштейн не только разделался с идеей абсолютного и одинакового для всех времени, но и показал, что время и пространство не полностью отделены друг от друга, а представляют собой некий единый комплекс, который теперь называют «пространствовремя». Направления во времени подобны направлениям пространства. Только во времени мы не можем шнырять туда-сюда, а можем двигаться только в направлении будущего. Но мы можем двигаться и под небольшим углом к этому направлению – вот почему время может проходить с разными коэффициентами. Это значит, что все движения, осуществляемые нами, происходят в четырехмерном пространстве-времени. Если вы не движетесь в пространстве, то все равно движетесь во времени. Но если вы к тому же начинаете движение в пространстве, то отвлекаете часть своего движения во времени. Аналогично выглядит движение по диагонали в трехмерном пространстве.
Движущийся автомобиль во времени движется медленнее, чем автомобили, стоящие на стоянке, так как часть его движения происходит в пространстве. Но чтобы все эти скорости можно было соотносить между собой, необходимо предположить, что суммарная скорость в пространстве и времени для всех объектов во вселенной одинакова. Эйнштейн выдвинул предположение, что эта суммарная скорость в пространстве-времени всегда равна скорости света. Наибольшая скорость движения в пространстве будет достигнута, когда вся скорость движения тела во времени перейдет в скорость движения в пространстве, что мы и наблюдаем в случае движения света. Поэтому фотоны никогда не стареют, и фотоны, возникшие во время Большого взрыва, имеют тот же возраст, что и тогда.
Положение точки в пространстве мы задаем при помощи трех координат. Но эти координаты должны быть с чем-то соотнесены. С чем именно – это зависит от удобства измерения в конкретной ситуации. Например, измерять положение Луны относительно «Высотки» города Архангельска не очень удобно. Гораздо лучше задать ее координаты относительно Земли или Солнца. Но где находится само Солнце? Раз во Вселенной нет единого центра, то выбор сетки координат всегда произволен (вернее, обусловлен удобством и положением наблюдателя). В СТО любое событие задается четырьмя координатами, выбор
34
которых также произволен. При этом между пространственными и временными координатами нет существенной разницы. Мы можем задать временную координату через пространство, т.е. в световых секундах.
Еще одним важным следствием теории относительности будет установление
эквивалентности массы и энергии, выражаемое известным уравнением
E = mc2
где Е – энергия, m – масса тела, с – скорость света.
Эта формула говорит нам о том, что энергия и масса подобны конвертируемым валютам, чей обменный курс зафиксирован раз и навсегда: квадрат скорости света. Квадрат скорости света – огромная величина, а это значит, что энергия, содержащаяся даже в небольшой массе, также огромна. Пример тому – бомбардировка Хиросимы, когда менее одного процента от 900 граммов урана было превращено в энергию.
Кроме того, эта формула еще раз объясняет, почему ничто не может двигаться быстрее скорости света. Чем быстрее движется тело, тем выше его энергия, а чем выше энергия, тем больше масса. А чем больше масса, тем больше энергии нам нужно затратить, чтобы увеличить его скорость. При приближении к скорости света масса возрастает неограниченно, а это значит, что нам придется затратить бесконечно большое количество энергии, чтобы объект достиг и преодолел световой барьер.
Общая теория относительности
Итак, СТО объединила время и пространство, но они все еще оставались фоном, на котором происходят события. Все изменилось в 1915 году, когда Эйнштейн предложил Общую теорию относительности. Он выдвинул революционную идею о том, что гравитация
– это не просто сила, действующая в фиксированном пространстве-времени, а искривление пространства-времени, вызванное массой и заключенной в ней энергией. Все объекты пытаются двигаться в пространстве-времени по прямой, но оно искривлено, поэтому их траектории тоже искривляются. Так, Земля двигалась бы по прямой, если бы Солнце со своей огромной массой не искривляло бы пространство, изменяя траекторию движения Земли и остальных планет нашей солнечной системы. Свет звезд тоже должен отклоняется вблизи Солнца на определенную величину. Эйнштейн создал ОТО во время Первой мировой войны, т.е. в не самое удачное время для наблюдений. Но в 1919 году британская экспедиция, наблюдавшая солнечное затмение, подтвердила предположения Эйнштейна. Но ОТО возникла не в один момент, ее основы были заложены почти сразу после формулирования СТО, в 1907 году.
Но зачем Эйнштейну понадобилось создавать «вторую редакцию» собственной теории, так прекрасно решившей «проблему эфира» и объяснившую постоянство скорости света?
Важным следствием СТО является то, что здесь ставится абсолютный предел возможных скоростей: ничто, будь то тело, сигнал или воздействие любого рода, не может обогнать фотоны. Этот вывод входит в противоречие с законом всемирного тяготения Ньютона, согласно которому сила тяготения зависит только от массы тяготеющих тел и расстояния между ними. Следовательно, если один из этих параметров изменится, тела должны немедленно «почувствовать» изменение гравитационного притяжения. То есть, если Солнце по каким-то трагическим причинам взорвется, наша планета в тот же миг сойдет с орбиты, хотя вспышка света от взрыва дойдет до нас только через 8 минут. Иными словами, согласно принципу дальнодействия, информация о взрыве Солнца дойдет до нас быстрее, чем способны двигаться фотоны. Но это невозможно. Таким образом, Эйнштейн осознал, что невероятно успешная теория тяготения Ньютона находится в противоречии со СТО. Уверенный в истинности своей теории, Эйнштейн, невзирая на многочисленные экспериментальные подтверждения теории Ньютона, стал работать над новой теорией тяготения, известной теперь как ОТО, в которой понимание пространства и времени опять претерпело серьезные изменения.
35
Один существенный недостаток теории тяготения Ньютона был известен и до появления СТО: эта теория прекрасно предсказывала поведение тел, но ничего не говорила о том, что представляет собой это тяготение. Таким образом, гравитация у Ньютона представляла собой нечто вроде «черного ящика».
Важнейшей догадкой Эйнштейна было то, что мы можем имитировать гравитацию при помощи ускорения. Эта догадка посетила Эйнштейна в 1907 году. Проиллюстрируем ее на следующем примере. Предположим, что в одном правительственном здании злоумышленник заложил бомбу и вас вызывают, умоляя ее обезвредить. Вы изучаете зловредный механизм, и понимаете, что дела плохи: обезвредить бомбу не удастся. Одно утешает: до катастрофы осталось 7 дней, но это слабое утешение, так как катастрофа будет планетарного масштаба. Кроме того, бомба смонтирована на весах, и взрыв произойдет, если показания весов изменятся более чем на 50% от имеющегося сейчас значения. Один ваш ассистент предлагает вывести бомбу в космос и взорвать ее на безопасном от Земли расстоянии. Но вы хорошо знаете физику Ньютона и указываете, что при удалении от Земли вес бомбы будет уменьшаться и она взорвется раньше, чем достигнет безопасного расстояния. Вы в отчаянии, но тут к вам подходит некто по имени Альберт и замечает, что ракета, несущая бомбу, будет ускоряться, и вес бомбы будет наоборот, увеличиваться. Но из этого следует, что два эффекта могут уравновесить друг друга, и тогда вы спасете планету.
Другой пример, иллюстрирующий идею Эйнштейна. Если вы находитесь в закрытом вагоне (без окон), который движется абсолютно равномерно и прямолинейно, то вы не можете определить, движется вагон или стоит на месте. Но если вагон ускоряется, или взмывает ввысь также с ускорением, вы начинаете испытывать ощущения, схожие с ощущением действия силы тяжести. (Следует вспомнить, что объект считается ускоренно движущимся, если он изменяет скорость или направление своего движения.) Более того, находясь в закрытом помещении, вы не сможете определить, когда на вас действует сила тяготения, а когда ускорение. Если их величины и направление совпадают, то они становятся неразличимыми. Эту неразличимость ускоренного движения и гравитации Эйнштейн назвал принципом эквивалентности инерциальной и гравитационной масс. Этот принцип и составляет основу ОТО.
Этот принцип эквивалентности дополнил принцип относительности. Если раньше речь шла о единстве законов физики для наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью или покоящихся, то теперь можно было включить в этот принцип все точки зрения, в том числе и тех, кто движется с ускорением. Вывод таков: все наблюдатели, независимо от состояния движения, могут утверждать, что они неподвижны, а остальная часть мира движется рядом с ними, если они подходящим образом введут гравитационное поле в описание своего окружения. Это значит, что все возможные точки зрения действительно являются равноправными.
Следующий прорыв в создании новой теории произошел примерно в 1912 году. Эта идея касается связи между ускоренным движением и искривлением пространства-времени. Мы привыкли думать, что евклидова геометрия является истинной моделью реального пространства. Один из законов этой геометрии гласит: отношение длинны окружности к ее радиусу равно 2π. Но если мы войдем во внутрь вращающегося круга, ограниченного стенкой (есть такие аттракционы) и измерим одной и той же линейкой длину окружности и радиус, то получится, что их отношение не равно 2π. Дело в том, что длинна тела уменьшается в направлении его движения, и линейка, которой меряют окружность будет меньше, чем та, которой измеряют радиус. Такое сокращение тел называют «лоренцовым сокращением», по имени голландского физика Г. А. Лоренца (1853 - 1928). Для того чтобы объяснить это явление, следует отказаться от идеи плоского пространства, ведь для окружности, нарисованной на деформированной бумаге, законы евклидовой геометрии также не выполняются. Возьмем неискривленное пространство и два искривленных: выпуклое наподобие мяча и вогнутое наподобие седловины. Отношение длинны окружности к радиусу в седловидной поверхности будет больше, чем 2π. А на шарообразной
36
поверхности, напротив, меньше 2π. В случае с вращающимся аттракционом мы имеем такое же отклонение, как в случае с седловидной поверхностью. Эйнштейн доказал, что аналогичный результат мы получим для всех типов ускоренного движения. Кроме того, аналогичному искривлению подвергается и время.
Следствием этих расчетов и стала ОТО с ее новым пониманием гравитации. Согласно ОТО, гравитация – это не какая-то сила, таинственным образом удерживающая планеты на своих орбитах, а эффект, возникающий вследствие искривления пространства-времени вблизи массивных тел. Все тела движутся по геодезическим линиям, если им не мешать. Геодезическая линия – это кратчайший путь между двумя точками. На плоскости геодезические линии являются прямыми, а в искривленном пространстве, разумеется, нет. Так что Земля движется по своей эллиптической орбите вокруг Солнца не потому, что последнее удерживает ее неведомыми силами, а потому, что такова ее геодезическая линия в пространстве, искривленном гигантской массой Солнца.
Орбиты планет, предсказанные ОТО, почти в точности такие же, как и в классической механике Ньютона. Самое большое расхождение касается орбиты Меркурия, который имеет самую вытянутую орбиту. Согласно ОТО большая ось орбиты Меркурия должна поворачиваться вокруг Солнца примерно на 1 градус за 10 тысяч лет. Этот эффект был действительно зафиксирован, что опять же подтверждало справедливость теории Эйнштейна. В последние годы, в полном согласии с ОТО, обнаружены еще менее заметные отклонения орбит других планет от предсказаний Ньютона. Привлекательность ОТО состоит не только в том, что ее предсказания лучше согласуются с наблюдениями, чем предсказания Ньютона, но и в том, что Эйнштейн объясняет сам механизм действия гравитации. Кстати, Эйнштейн был абсолютно согласен с Ньютоном в том, что гравитация должна передаваться каким-то посредником, и у Эйнштейна таким посредником выступает структура пространства.
Важным свойством массы и энергии является то, что они всегда положительны. В рамках ОТО это означает, что пространство искривляется внутрь себя. Значит, гравитация всегда будет отрицательной силой. Но не следует полагать, что Солнце «тянет» пространство вниз, ибо искривление и есть само тяготение. Физик Джон Уиллер выразил это так: масса управляет пространством, сообщая ему, как искривляться, а пространство управляет массой, говоря ей, как двигаться. Но как быстро «передаются» такие сообщения, т. е. какова скорость действия гравитации? Согласно Ньютону, она должна быть бесконечно большой. Но это, как мы показали выше, не согласуется с СТО, ибо ничто не может обогнать свет. Если мы поместим на резиновую пленку шарик, то искривляющие пленку возмущения будут распространяться подобно волнам на воде. Через какое-то время переходные колебания затухнут, и пленка перейдет в стационарное искривленное состояние. Скорость распространения возмущений зависит от структуры материала. Эйнштейн сумел рассчитать скорость, с которой распространяются возмущения структуры Вселенной в реальных условиях, и оказалось (что уже не должно удивлять), что эта скорость равна скорости света. Так что если Солнце вдруг исчезнет, на судьбу Земли и других планет это повлияет не сразу, а спустя примерно 8 минут.
Стоит сделать еще одно замечание. Объясняя действие гравитации, мы говорили об искривлении пространства. Но подобное искривление происходит и со временем: вблизи массивных объектов время замедляет свой ход. Это означает, что у поверхности Земли время должно течь медленнее, чем в некотором отдалении от нее. И этот эффект, хоть он и был чрезвычайно мал, действительно был обнаружен в 1962 году, когда сверхточные часы установили на вершине и у подножия водонапорной башни.
И, наконец, мы должны обсудить еще одно следствие, вытекающее из обеих редакций теории относительности: динамический характер Вселенной. Специальная теория относительности превратила пространство и время в динамические величины, а общая теория относительности установила их связь с материей. Но, тем не менее, Эйнштейн, как и его современники, был абсолютно убежден, что Вселенная в целом статична. Это убеждение
37
чем-то напоминает иррациональную веру Ньютона в универсальных характер пространства. «Иррациональную», поскольку это противоречило его собственным законам движения. Итак, Эйнштейн был убежден, что Вселенная статична. Более того, он вообще не был сторонником философского релятивизма, и очень не любил, когда его теорию называли «теорией относительности». Первоначальная формула ОТО предсказывала, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Чтобы избежать этого вывода, Эйнштейн вводит в свою теорию дополнительное условие, которое получило название «космологического». Это космологическое условие должно было действовать наподобие антигравитации, чтобы уравновесить гравитационные воздействия и сохранить Вселенную в статичном состоянии. Но в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл открыл, что удаленные галактики убегают от нас, то есть Вселенная расширяется. Это положило конец иллюзиям по поводу статичного мироздания. Позднее Эйнштейн назвал космологическое условие «величайшей ошибкой в своей жизни».
Современные теории происхождения и строения вселенной
Современная картина Вселенной начала прорисовываться в 1924 году, когда Хаббл доказал, что Туманность Андромеды – это не часть нашей галактики и, следовательно, наш Млечный путь – это не единственная галактика во Вселенной. Чтобы подтвердить это, он доложен был определить расстояние от Земли до других галактик. Параллакс, при помощи которого определяют расстояние до ближайших звезд здесь не годился, требовался новый метод оценки расстояний, например, по яркости звезды. Но для того, чтобы использовать видимую яркость в качестве меры расстояния, надо знать светимость звезды. Эту проблему можно решить, если распределить звезды по классам (у ближайших звезд мы можем измерить их светимость, так как в нашем распоряжении их видимый свет + расстояние до них, измеренное при помощи параллакса): звезды одного класса обладают одной и той же светимостью, так что если в далекой галактике обнаруживается звезда известного нам класса, мы можем приписать ей светимость. Так Хаббл вычислил расстояние до 9 галактик. Сегодня известно, что количество видимых глазом звезд (примерно 5000) – это 0,0001% от числа всех звезд нашей галактики. А Млечный Путь – одна из более чем сотен миллиардов галактик, наблюдаемых в современные телескопы.
Изучение света звезд может дать нам информацию о ее химическом составе. Дело в том, что каждый химический элемент поглощает характерный для него набор цветов. Когда в 20-е годы астрономы стали изучать спектры звезд в других галактиках, то оказалось, что у них характерные наборы отсутствующих цветов те же, что и у звезд нашей галактики, но только все они смещены к красному концу спектра, причем в одинаковой пропорции. Физики называют такое смещение цвета или частоты «эффектом Доплера». Когда источник, испускающий волны, движется к наблюдателю, длина волн уменьшается. При удалении она, напротив, увеличивается, поэтому звук подъезжающей машины кажется нам выше, а удаляющейся – ниже. Полиция и ГИБДД использует эффект Доплера для определения скорости автомобилей. В отношении звезд красное смешение означает удаление объекта. В 1929 году Хаббл обнаружил, что величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональна их удаленности от нас: чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. Отсюда следует, что Вселенная не может быть неизменной в размерах, как считалось ранее. Она расширяется и расстояние между галактиками постоянно растет.
Три модели Фридмана
В 1922 году российский метеоролог и физик Александр Фридман, используя уравнения Эйнштейна (ОТО), детально продемонстрировал, что все галактики переносятся в субстрате расширяющегося пространства, быстро удаляясь друг от друга. Кроме уравнений Эйнштейна Фридман опирался на два простых предположения:
-Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы на нее ни смотрели;
-данное положение верно, из какой бы точки Вселенной ни велось наблюдение.
38
Фридман нашел так называемое решение Большого взрыва для уравнений Эйнштейна, т.е. решение, согласно которому Вселенная развивается из начального состояния бесконечного сжатия и в настоящий момент находится в стадии расширения после исходного взрыва. Эйнштейн был так уверен в невозможности такого положения дел, что даже опубликовал короткую статью о якобы найденной им грубой ошибке в работе Фридмана. Восемь месяцев потребовалось Фридману, чтобы убедить Эйнштейна, что никакой ошибки не было, после чего Эйнштейн публично, но кратко, снял свои возражения.
Несмотря на то, что Фридман фактически предвосхитил результаты наблюдений Хаббла, его работа была практически неизвестна на Западе до 1935 года, когда подобную модель развития Вселенной выдвинули американский физик Горвард Робертсон и британский математик Артур Уокер, но уже «по следам» наблюдений Хаббла.
Предложенная Фридманом модель расширения Вселенной напоминает расползание цветовых пятен на надуваемом шарике. Но его расчеты допускают три класса решений, то есть имеет смысл говорить о трех фридмановских моделях.
Первая модель (собственно предложенная Фридманом): расширение Вселенной происходит достаточно медленно, так что притяжение между галактиками должно постепенно его замедлять, и в конце концов остановить вовсе, после чего начнется обратный процесс сближения галактик, и Вселенная закончит свои дни в Большом Схлопывании.
Вторая модель предполагает, что расширение Вселенной происходит настолько быстро, что гравитации лишь немного замедляет разбегание галактик, но никогда не сможет его окончательно остановить, то есть расширение будет продолжаться бесконечно.
Согласно третьей модели, Вселенная расширяется как раз с такой скоростью, чтобы только-только избежать Схлопывания. Со временем скорость разлета галактик становится все меньше и меньше, но никогда не достигнет нуля.
Возникает вопрос, а какая из этих моделей описывает нашу Вселенную? Ответить на него оказалось труднее, чем представлялось ученым сразу. Ответ зависит главным образом от двух факторов: наблюдаемой ныне скорости расширения Вселенной и от сегодняшней ее плотности (т.е. количества материи, приходящегося на единицу пространства). Если средняя плотность выше некоторого критического значения, определяемого скоростью расширения, то гравитация сможет остановить расширение и заставит Вселенную сжиматься. Если средняя плотность меньше этого критического значения, тогда верна вторая модель. Если средняя плотность равна критическому значению, тогда верна третья модель.
Определить скорость расширения можно, используя эффект Доплера, но нам не очень хорошо известны расстояния до галактик. Поэтому значение скорости расширения получается довольно расплывчатым: от 5 до 10 % за 1 миллиард лет. Еще сложнее с плотностью. Если мы сложим массы всех видимых звезд (всю видимую материю), ее масса будет слишком мала, чтобы остановить расширение даже при самой низкой оценке его скорости. Но поведение звезд в галактиках, говорит о том, что на их орбиты оказывает гравитационное воздействие так называемая «темная материя», т.е. невидимая материя. Судя по всему, количество «темной материи» во Вселенной значительно превышает количество обычного вещества. Но даже если учесть все, что нам известно о «темной материи», мы получим всего лишь 1/10-ю часть от той массы, которая необходима для остановки расширения. Конечно, нельзя исключать существование других, еще неизвестных нам форм материи. Однако до последнего времени большинство физиков сходилось на том, что ближе всего к реальности вторая фридмановская модель. Но наблюдения последних лет дают некоторые свидетельства в пользу третьей модели. Раз количество материи для объяснения такого состояния Вселенной недостаточно, физики стали постулировать существование пока еще не обнаруженной субстанции - «темной энергии». Но и это не все. Недавние наблюдения показали, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется, что противоречит любой модели Фридмана. Это очень странно, так как присутствие любого вещества, сколь бы мало его ни было, должно замедлять расширение. Какая сила ответственна за ускоряющееся расширение, неизвестно. Поэтому Стивен Хокинг
39
предполагает, что Эйнштейн, вводя в свои уравнения космологическую постоянную (ответственную за эффект антигравитации), не так уж и сильно ошибался.
Квантовая механика
Мы уже говорили о том, что Эйнштейн ввел в свою теорию «космологическое условие», дабы сохранить вселенную статичной. И после открытия Хаббла Эйнштейну пришлось признать ошибку. Но с космологическим условием или без него, ОТО предсказывает искривление пространства внутрь себя. Можно предположить, что искривление станет настолько сильным, что некоторая область пространства-времени окажется изолированной от остальной Вселенной. Она превратиться в то, что мы теперь называем «черной дырой». Объекты могут падать в черную дыру, но не могут вырваться оттуда. Чтобы вырваться, им пришлось бы двигаться со сверхсветовой скоростью, что запрещено теорией относительности. Получается, что материя внутри черной дыры оказывается в ловушке, и ей ничего не остается, как сжиматься под действием гравитации до состояния чрезвычайно высокой плотности. Эйнштейну не нравилась идея такого коллапса материи и он отказывался в нее верить.
В 60-х годах Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали несколько теорем, из которых следовало, если пространство-время искривляются внутрь себя, то неизбежно появление сингулярностей – то есть таких мест, где пространство и время имеет начало и конец. Но это не все: уравнения ОТО, связывающие искривление пространства-времени с распределением массы и энергии, в этой точке сингулярности теряют смысл! Получается, что ОТО, разрешив одно противоречие, породила другое. Сингулярное состояние должно было иметь место при Большом Взрыве примерно 15 миллиардов лет назад. Если теория относительности ничего не может сказать о том, что происходит в точке сингулярности, то она бессильна и в объяснении возникновении Вселенной при Большом Взрыве. Это значит, что ОТО – незавершенная теория и нуждается в дополнении некоей составляющей, которая смогла бы объяснить, что происходит, когда материя коллапсирует под действием собственной гравитации. Таким дополнением и стала квантовая механика.
Квантовая механика представляет собой систему понятий, предназначенную для описания свойств микромира. В ее построение значительный вклад внесли такие ученые, как Эрвин Шредингер (1887 - 1961), Вернер Гейзенберг (1901 - 1976), Марк Борн (1882 - 1970) и другие.
Строение атома
Еще в античности возникло два представления о структуре материи: идея непрерывности и идея дискретности (discretus - прерывный). Анаксагор и Аристотель считали, что материя непрерывна, а значит, может делиться до бесконечности, принимая как бесконечно малые, так и бесконечно большие значения. Демокрит, напротив, считал, что материя имеет как бы «зернистую» природу, то есть она дискретна и существует предел ее делимости – атом. Теперь известно, что взгляд Демокрита больше соответствует действительности, по крайней мере, при нынешнем состоянии Вселенной. Но также известно и то, что атомы были не всегда и они не являются простыми образованиями, как полагал Демокрит. Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков. Каждому типу субатомных частиц соответствуют античастицы, той же массы, но противоположным зарядом. Электрон был открыт в 1897 году, так что этот год можно считать датой окончательной смерти древней идеи о неделимости атома.
Но если атом делим, то какова его структура? Первая модель атома была построена в 1903 году английскими физиками В. Томсоном и Дж. Томсоном, и напоминала булочку с изюмом: положительный заряд равномерно распределен по всей сфере атома, а отрицательно заряженные электроны располагаются внутри сферы концентрическими слоями. Идею о том, что атом по своей структуре напоминает Солнечную систему, впервые
40