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
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.
Дело в том, что квантовая физика, на которой основана теория Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, предсказывает наличие определенного единства лишь трех фундаментальных взаимодействий, которые принято называть слабыми, сильными и электромагнитными, тогда как гравитация (и в ньютоновской, и в эйнштейновской трактовке) оказывается в изоляции. Между тем физики мечтают об объединении гравитации с тремя другими фундаментальными взаимодействиями в «теорию всего сущего». Физики уже затратили массу усилий, чтобы включить в квантовую механику электромагнитные силы. Для этого пришлось разработать специальные методы «перенормировки», позволяющие избежать появления в расчетах так называемых расходимостей, т. е. бесконечно больших величин, бич современной физики. Ныне покойный Ричард Фейнман, не только блестящий физик, но и автор популярных и остроумных книг, когда-то даже пошутил, что Нобелевскую премию ему присудили за то, что ему удалось «убрать бесконечности подобно тому, как хозяйка заметает мусор под коврик».
Однако для гравитационных сил методы перенормировки оказываются неэффективными, и Дэвид Линдли [2] пишет по этому поводу: «Для удаления двух тел друг от друга необходимо затратить энергию, которая должна выделяться при их сближении. Но согласно знаменитому результату Эйнштейна, энергия эквивалентна массе, а масса участвует в гравитационном взаимодействии. Получается, что гравитация сама себя порождает». Иными словами, масса и энергия взаимосвязаны сложным образом, и возникающие в случае гравитации расходимости, используя выражение Фейнмана, никак не удается «замести подобно мусору под коврик».
Проблема снова возвращается к вопросу, который Ньютон задал своим читателям: что является средой, переносящей гравитационные силы через пустое пространство? Многие физики уверены, что ответ связан с существованием гипотетической субатомной частицы — гравитона (квантовой частицы, аналогичной фотону, который является переносчиком света). И хорошо известный физикам фотон, и гипотетический гравитон относятся к классу частиц-переносчиков взаимодействия, именуемых бозонами. Можно утверждать, что гравитон обязан существовать, поскольку в противном случае придется переосмысливать или кардинально преобразовывать квантовую механику.
Обнаружение гравитона давно стало самой заветной мечтой физиков. Взрывы сверхновых звезд, столкновения галактик и другие события, происходящие во Вселенной, порождают гравитационные волны, которые достигают Земли. Для их регистрации и исследования в штатах Луизиана и Вашингтон были созданы две крупные гравитационные обсерватории (с антеннами размером около 3,5 км). Особенно большие надежды ученые возлагают на установку LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatories), которая, возможно, позволит наконец зарегистрировать таинственные гравитоны. Однако сейчас мы знаем о переносчике гравитационных сил не больше, чем Исаак Ньютон.
Литература для дальнейшего чтения1. Greene, Brian. The Elegant Universe. New York: Norton, 1999. Прекрасная книга, в которой с предельной ясностью (когда материал это позволяет) излагаются новейшие идеи физики. Автор, профессор Колумбийского университета, является сторонником «теории струн» (см. гл. 20). Содержание книги может показаться сложным, но в ней очень удачно отражены драматические моменты в истории физики.
2. Lindley, David. The End of Physics: The Myth of Unified Theory. New York: Basic Books, 1993. Книга направлена против многих абстрактных теорий в современной физике типа упомянутой выше теории струн. Подобно другим критическим работам она читается и воспринимается легче, чем книги, посвященные поддержке новейших идей и теорий, и поэтому удачно дополняет книгу Б. Грина, несмотря на идейные разногласия.
3. Suplee, Curt. Physics in the Twentieth Century. New York: Abrams, 1999. Книга издана по рекомендации Американского физического общества и Института физики. Она содержит массу прекрасных иллюстраций и является, возможно, наиболее подходящей для неподготовленного читателя, желающего быстро ознакомиться с новейшими достижениями физики.
4. Ferris, Timothy. Coming of Age in the Milky Way. New York: Morrow, 1988. Книга получила премию Американского института физики и остается прекрасным введением в проблемы космологии.
5. Thuan, Trinh Xuan. The Secret Melody. New York: Oxford University Press, 1995. Книга является одновременно научной и поэтической, что придает ей особое очарование. Описание роли фундаментальных взаимодействий в нашей жизни (на примере стадиона) навеяно картиной грозы в маленьком городе, использованной Туаном для иллюстрации действия различных сил в природе.
6. Bodanis, David. E — тс2: A Biography of the World's Famous Equation. New York: Walker, 2000. Новейшая книга, представляющая очень удачную попытку разъяснить широкой публике смысл знаменитой формулы Эйнштейна. Автор даже разыскал раннюю работу Дж. К. Максвелла, использованную Эйнштейном, и включил много занимательных материалов исторического и биографического характера.
7*. Фридман А. А. Мир как пространство и время. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. Популярное изложение теории относительности, а также представлений о тяготении и материи.
8*. Вавилов С. И. Исаак Ньютон. — М. — Л.: АН СССР, 1945.
Глава 15.
Что такое свет?
«Да будет свет!»
Библия. Первая Книга Моисея «Бытие»Был этот мир глубокой тьмой окутан.
Да будет свет!
И вот явился Ньютон.
Александр Поуп. Эпитафия, посвященная И. Ньютону, перевод С. Я. МаршакаВ древних мифах сотворение мира почти всегда связывалось с возникновением света, что нашло отражение в прекрасных стихотворениях многих великих поэтов. Задолго до появления того, что можно назвать наукой, человечество осознало, что свет служит источником жизни. Потребовалось много времени, чтобы природа света получила научное обоснование, однако до сих пор связанные с ним явления остаются не вполне понятными.
В 1666 г. Ньютон не только сформулировал три основных закона механики и закон всемирного тяготения, но и провел эксперименты со светом. Во все времена люди восхищались многоцветным великолепием радуги, возникавшей обычно после грозы. В эпоху Ньютона уже были известны разнообразные призмы, светильники и люстры, создающие цветовые эффекты, подобные радуге, однако считалось, что свет сам по себе является белым, а поражающие нас цвета возникают под воздействием ряда факторов, связанных с состоянием послегрозовой атмосферы или с составом стекла, через которое проходят лучи света. Сам Ньютон о начале своих работ по оптике позднее кратко сообщает, что «в 1666 году (когда я приступил к шлифовке оптических стекол и несферических объектов) я изготовил треугольную стеклянную призму и стал изучать световые явления».
Проведенный Ньютоном эксперимент был крайне прост, но никто ранее не догадался провести его. Через небольшое отверстие в ставне Ньютон пропустил в темную комнату тонкий луч белого света, затем он поместил на пути луча свою призму. На стене за призмой возник спектр цветов. Затем Ньютон сделал чрезвычайно важный шаг. Он поместил на пути светового луча две доски, в каждой из которых были проделаны маленькие отверстия. Первую он расположил между отверстием в ставне и призмой (сделав луч света предельно узким), а вторую — между призмой и стеной, причем отверстие «выделяло» из спектра единственный цвет. За этим отверстием Ньютон расположил ещё одну призму и обнаружил, что пропускаемый через вторую призму свет не изменяет окраску. Он многократно повторял эксперименты с каждым из цветов спектра, пока не убедился, что свет, прошедший через вторую призму, не менял окраску. Таким образом, возникновение цветов оказалось связанным не с составом преломляющей среды, а с ее воздействием, т. е. свет сам содержит все цвета спектра и их можно наблюдать, когда призма разлагает свет на различные цвета. Это позволило объяснить причину появления радуги тем, что в грозовой атмосфере присутствуют капельки дождя, преломляющие свет подобно маленьким призмам и создающие высоко в небе разноцветную дугу.
