Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения
В 1905 г. никому неизвестный сотрудник патентного бюро в Швейцарии Альберт Эйнштейн опубликовал четыре научные статьи, которые повлияли на мировую науку не меньше, чем законы Ньютона в 1687 г. Когда Эйнштейну было 16 лет, его преподаватель греческого языка в мюнхенской гимназии считал, что этому мальчику не удастся ничего добиться в жизни, поскольку он постоянно размышлял о совершенно посторонних предметах, как это случается с выдающимися умами. Возможно, впрочем, что педагог не изменил своего мнения даже после этих публикаций. Очень немногие познакомились с ними, и лишь некоторые сумели понять их смысл. Однако среди тех, кто обратил внимание на работы Эйнштейна 1905 года, был Макс Планк, поскольку Эйнштейн развивал предложенную Планком в 1900 г. квантовую теорию. Прочитав работы Эйнштейна, Планк пришел к выводу, что ньютоновская модель мира ушла в прошлое. Разумеется, открытые Ньютоном законы продолжали описывать окружающий нас мир, но Эйнштейн открыл путь к познанию вселенной совершенно иного типа, которую физики до сих пор пытаются согласовать с ньютоновской.
Возвращаясь к ньютоновской теории гравитации, следует отметить, что еще Ньютон признавал существование важной проблемы, связанной с «передачей» гравитационных сил через пустое пространство. Ньютон писал: «Нельзя себе представить, что неодушевленная материя может без посредника или чего-либо еще нематериального воздействовать при отсутствии контакта на другую материю. Мысль о том, что гравитация представляет собой просто естественное свойство материи, позволяющее телам взаимодействовать через вакуум на расстоянии без каких-либо промежуточных носителей, обеспечивающих передачу сил и взаимодействий из одной точки пространства в другую, кажется мне совершенно абсурдной. Я считаю, что ни один человек с философским складом ума никогда не поверит в это. У гравитации должен существовать постоянно действующий агент в соответствии с определенными законами, и я предоставляю читателю самому решить вопрос, является ли этот агент материальным или нематериальным». Короче говоря, Ньютону было ясно, что гравитация существует, но ему было непонятно, что является носителем этого взаимодействия.
Читатели, к которым обращался Ньютон, или, по крайней мере, ученые предпочли считать агент нематериальным, и в науке надолго утвердилась точка зрения, что пространство заполнено невидимой и не оказывающей сопротивления средой, в которой гравитация и свет распространяются подобно волнам в океане. Эта среда была названа эфиром. Идея эфира оказалась не только ошибочной, но и исключительно живучей. Ее можно сравнить с идеей о том, что некоторые виды птиц не мигрируют на зимний сезон, а впадают в спячку. В течение долгого периода времени никто не предложил ничего более разумного. Лишь в 1887 г. эксперименты американских физиков Альберта Майкельсона и Эдварда Морли продемонстрировали, что эфира не существует. После этого вновь возник вопрос: каким образом гравитация передается через пустое пространство?
В поисках ответа Эйнштейн в 1905 г. сформулировал специальную теорию относительности, а в статье 1907 года предложил знаменитую формулу Е = mc2, демонстрирующую эквивалентность энергии и массы и возможность их взаимного превращения. При этом «обменный курс» массы и энергии в отличие от курса обмена разных национальных валют должен быть постоянным. Энергия Ей масса т могут меняться, но коэффициент, связывающий эти фундаментальные понятия, всегда равен с2, квадрату скорости света. Огромное числовое значение этого коэффициента означает, что в очень небольшой массе может быть запасена чудовищная энергия. Это доказали не только взрывы атомных бомб, но и тот факт, что полет «Аполло-11» на Луну потребовал, строго говоря, не очень много энергии (читатель может, кстати, сопоставить мощь многоступенчатой ракеты, запущенной с мыса Канаверал во Флориде, с энергией той скромной установки, которая позволила вернуть «Аполло-11» с Луны на Землю).
Проблема гравитации в полной мере привлекла всеобщее внимание в связи с разработкой в 1915 г. общей теории относительности, которая не нуждалась в понятии эфира. Этой теорией Эйнштейн окончательно порвал с ньютоновскими силами. Созданная Ньютоном модель Вселенной была статичной, а Эйнштейн предложил динамичную модель мира, в соответствии с которой само пространство обладало «упругостью» и было способно искривляться, растягиваться и даже деформироваться под действием массы тел. Оказалось, что гравитационное поле Солнца искажает пространство и искривляет проходящие вблизи него лучи света. Более крупные звезды еще сильнее деформируют пространство, а черные дыры, как стало в конце концов ясно, влияют на пространство совершенно немыслимым образом. Идея Эйнштейна заключалась в том, что материальные тела искривляют пространство.
Математический аппарат теории Эйнштейна был чрезвычайно изящным, что весьма высоко оценивается физиками. Однако эффекты, предсказываемые новой теорией, было необходимо проверить на опыте. Такая возможность представилась спустя три года, когда знаменитый английский астроном Артур Эддингтон организовал экспедицию на остров Принсипи (близ берегов Экваториальной Африки) для наблюдений полного солнечного затмения 29 мая 1919 г. Согласно общей теории относительности, в короткий период полного затмения должно было наблюдаться смещение положения некоторых звезд, расположенных вблизи солнечного диска. Зарегистрированные астрономами смещения полностью совпали с предсказаниями теории относительности. На вопрос, что бы он сделал, если бы наблюдения не подтвердили его теорию, Эйнштейн ответил: «Я бы выразил Богу свои соболезнования. Моя теория точна!» Похоже, Эйнштейн вовсе не был столь скромным и застенчивым, каким его принято представлять.
Теория гравитации Эйнштейна вовсе не уничтожила ньютоновскую механику, которая по-прежнему точно описывает поведение тел в Солнечной системе и, естественно, в окружающей нас повседневной жизни. Проблемы с ньютоновской механикой возникают, лишь когда мы пытаемся использовать ее для описания крупномасштабных явлений и тел. Например, мы не можем в рамках механики Ньютона рассчитать поведение черных дыр, гравитационные поля которых столь велики, что свет не может вырваться из них наружу. Теория Эйнштейна четко предупреждает о возникновении необычной ситуации в условиях, когда сверхвысокая плотность вещества будет приводить к «захвату» света.
С развитием физики роль ньютоновской гравитации стала более скромной. Во времена Ньютона гравитационные силы, управляющие движением звезд и планет, казались наиболее существенным фактором. Однако современная наука выяснила, что гравитация, хотя и играет важную роль, способствуя определенному порядку во Вселенной, оказывается лишь одним из четырех видов взаимодействий, существующих в природе, причем самым слабым. Для характеристики этих сил представим себе бейсбольный матч на стадионе, электроснабжение которого обеспечивает атомная станция. Движение мяча по стадиону определяется гравитационными силами Земли, работу светящегося табло на стадионе обеспечивают электромагнитные силы, а электричество вырабатывается на АЭС под действием ядерных сил (они проявляются при распаде атомных ядер). И наконец, всё на этой картине (включая зрителей, поедаемые ими бутерброды, скамейки, скамьи, биты, мячи и т. д.) построено из атомов, включающих атомные ядра, внутри которых существует сильное взаимодействие.
При изучении элементарных частиц можно полностью пренебречь гравитационными силами. Электрон и протон объединяются в атом водорода не за счет взаимного гравитационного притяжения, а под действием значительно более сильного электромагнитного взаимодействия, причем электрические силы превосходят гравитационные примерно в 1040 (единица с сорока нулями!) раз. Французский физик и писатель вьетнамского происхождения Трин Хуан Туан замечает по этому поводу: «Если бы электрическое взаимодействие отсутствовало, то атом водорода под воздействием гравитационной силы стал бы «разбухать» и «размазываться» по всей Вселенной. Гравитационное притяжение настолько слабо, что оно удерживало бы электрон и протон на расстоянии в десятки миллиардов световых лет».
Лишь в случае немыслимо большого количества собранных вместе атомов возникают достаточно заметные гравитационные силы. Притяжение между горой Эверест и человеком совершенно ничтожно. Те очень смелые или очень глупые люди, которые любят лазить по горам, должны полагаться лишь на собственные силы. Поднимаясь на вершину, они преодолевают тяготение не Эвереста, а всей планеты. Именно притяжение Земли может сорвать альпиниста со скалы и даже лишить его жизни, но с физической точки зрения гравитационные силы играют незначительную роль. Листок бумаги спокойно лежит на столе, несмотря на притяжение всей массы Земли. Гравитация — самое слабое из четырех известных типов взаимодействий, однако именно она по иронии судьбы создает одну из самых сложных проблем современной физики.
