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
Но есть физики, которые хотят не только понять, «как устроен» мир, но и четко определить границы, отделяющие квантовый мир от привычного нам мира ньютоновской механики. Они хотят понять, в каком масштабе управляющие миром квантов вероятности уступают место детерминированности, позволяющей существовать коту или хотя бы его трупу? Как из небытия возникают субатомные частицы? Откуда они появляются и куда пропадают? Некоторые ученые хотели бы, чтобы шредингеровский кот не только сдох, но и вообще скрылся с глаз долой, как мертвецы в фильмах ужасов.
За последние годы в квантовой физике бурно развивались новые направления, например теория суперструн, о которой рассказывается в гл. 20. Однако это во многом лишь усложнило квантовое описание мира. Многие ученые крайне удивлены тем, что значительные успехи в теории почти не приблизили нас к пониманию природы вещей. Физикам никак не удается похоронить с достойными почестями несчастного шредингеровского кота, находящегося в полуживом состоянии с 1935 года.
Литература для дальнейшего чтения1. Gribbin, John. In Search of Schro dinger's Cat. New York: Bantam, 1984. Эта книга представляет собой одну из первых попыток популярно рассказать о необычном квантовом мире, и она до сих пор не потеряла своей ценности.
2. Gribbin, John. Schrddinger's Kittens and the Search for Reality. Boston: Little, Broun, 1995. Книга является продолжением предыдущей работы автора и написана очень интересно, но многие физики находят ее недостаточно критической.
3. Suplee, Curt. Physics of the 20th Century. New York: Abrams, 1999. Книга выпущена совместно с Американским физическим обществом и Американским институтом физики. Большую часть занимают фотографии, дающие читателю полное представление о развитии современной физики.
4. Lindley, David. The End of Physics. New York: Basic Books, 1993. В книге подвергаются критическому анализу так называемые «непроверяемые» физические теории, получившие распространение в науке с середины 1980-х годов. Скептицизм автора разделяет и Нобелевский лауреат 1988 года Мэлвин Шварц.
5. Perkowitz, Sidney. Universal Foam: From Cappuchino to the Cosmos. New York: Walker, 2000. Как и в другой своей книге (см. литературу к гл. 15), С. Перковиц удачно иллюстрирует квантовомеханические парадоксы примерами из повседневной жизни и сведениями из других научных дисциплин, что делает текст интересным и ярким.
6. Frayn, Michael. Copenhagen. New York: Anchor, 2000. Пьеса, получившая широкое международное признание, посвящена встрече Нильса Бора с Вернером Гейзенбергом, которая действительно имела место во время Второй мировой войны, когда Гитлер предложил Гейзенбергу создать атомную бомбу. Точное содержание беседы остается неизвестным до сих пор. Фрайну удалось связать проблемы квантовой физики и «принципа неопределенности» со сложными психологическими переживаниями персонажей.
7*. Pensore Roger, et al. The Large, the Small and the Human Mind, Cambridge University Press, 2000. [Имеется перевод: Пенроуз Р. и др. Большее, малое и человеческий разум. — М.: Мир, 2003.]
8*. Пономарев Л. И. Под знаком кванта. — М.: Наука, 1989. Доступно и популярно излагаются парадоксы квантовой механики.
9*. Трейман С. Этот странный квантовый мир. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002. Компактное и достаточно полное популярное изложение квантовой механики, а также основных принципов теории микрочастиц и квантовой теории поля.
Глава 17.
Что же такое черные дыры?
При чтении многих современных монографий по космологии возникает вопрос, не провалился ли Дж. Роберт Оппенгеймер сам в «черную дыру»? Созданные им сложные теории и методы расчетов, связанные с обсуждением черных дыр, практически не упоминаются, а его фамилия отсутствует даже в авторских указателях. Между тем это был выдающийся американский физик, известный в наши дни как руководитель лаборатории в Лос-Аламосе в период создания атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. Он первым понял, что из теории относительности Эйнштейна вытекает возможность существования странных космических объектов. В конце 1938 г. Оппенгеймер и Джордж Волков рассчитали массу и размеры нейтронных звезд. В ходе работы Оппенгеймер понял, что «умирающие» массивные звезды должны претерпевать коллапс (направленный внутрь взрыв), и задумался об их дальнейшей эволюции.
Расчеты приводили к очень сложным математическим уравнениям, для решения которых Оппенгеймер привлек Гартланда Снайдера, блестяще и разносторонне одаренного выпускника Калифорнийского технологического института. Кип Торн, один из крупнейших современных специалистов по теории черных дыр, подробно рассматривает работы Оппенгеймера в своей книге «Черные дыры и деформации времени» (1994) [1]. Несмотря на то что сам Торн был учеником Джона А. Уилера (постоянного соперника и критика Оппенгеймера), он признает, что расчеты, проведенные Снайдером под руководством Оппенгеймера и Ричарда Толмена, являлись исключительно сложными. Некоторые задачи удалось решить лишь в конце 1980-х годов, после появления нового поколения сверхмощных компьютеров. Торн пишет, что «для решения задачи авторам пришлось построить идеализированную модель коллапса звезды и затем рассчитать его следствия. Он называет «научным подвигом» тот факт, что Снайдеру удалось составить требуемые уравнения и найти методы их решения, «позволяющие анализировать различные стороны процесса коллапса и описать его с точки зрения различных наблюдателей, находящихся вне или внутри звезды, а также на ее поверхности».
Многие физики сочли полученные уравнения совершенно необоснованными. Проблема состояла в том, что для наблюдателя, связанного с внешней системой координат, коллапс прекращался или «застывал», в то время как для наблюдателя на поверхности звезды, который постоянно проваливался внутрь, он продолжался бы бесконечно. Вывод о том, что происходящее может выглядеть совершенно по-разному в зависимости от системы наблюдения, объясняется деформацией времени. Такая возможность до этого никем не учитывалась и не обсуждалась. Конечно, физики уже знали и о возможности деформации времени согласно теории относительности Эйнштейна и о том, что результат наблюдений согласно принципу неопределенности Гейзенберга зависит от самого процесса измерения, однако считалось, что все эти эффекты происходят лишь на субатомном уровне, поэтому большинство американских физиков не задумывалось о возможности проявления квантовых эффектов в космических масштабах.
Позднее выяснилось, что у Оппенгеймера и Снайдера был предшественник. За 11 лет до опубликования в 1939 г. их знаменитой статьи молодой индийский физик Субраманьян Чандрасекар теоретически показал, что звезды, масса которых в 1,4 раза превышает массу Солнца, не могут превращаться в хорошо известные астрономам белые карлики, а будут продолжать сжиматься под воздействием гравитации. Примерно тогда же к этому выводу пришел и выдающийся российский физик Лев Давыдович Ландау (если бы Ландау дожил до 1983 года, он бы с полным правом разделил Нобелевскую премию с Чандрасекаром).
Сам факт, что от момента открытия до присуждения Нобелевской премии прошло 55 лет, наглядно показывает, насколько предложенная идея опередила уровень развития мировой науки. В 1928 г. знаменитый физик сэр Артур Эддингтон, своими измерениями во время затмения Солнца в 1919 г. подтвердивший предсказанное Эйнштейном искривление пространства, был возмущен теорией Чандрасекара: «Я убежден, что существует закон природы, запрещающий звездам вести себя столь бессмысленно!»
Дж. Роберт Оппенгеймер, теоретически предсказавший в 1939 г. существование черных дыр. Несмотря на прекрасное математическое обоснование, его концепция первоначально была встречена в штыки большинством физиков, а сам он приобрел известность только как руководитель лаборатории в Лос-Аламосе, где были созданы первые атомные бомбы. (С любезного разрешения Американского института физики. Архив Эмилио Сегре.)
Почти так же отнеслись к идеям Оппенгеймера и Снайдера именитые американские физики во главе с Джоном А. Уилером. На некоторое время теоретические споры заглохли, поскольку началась Вторая мировая война, и физики были заняты практическими проблемами, связанными с созданием атомной бомбы. Однако после войны разногласия между Оппенгеймером и Уилером перешли на уровень личных отношений. При этом оба работали в Принстонском институте перспективных исследований. Их взаимная неприязнь усилилась после того, как Оппенгеймер стал выдвигать технические и моральные доводы против программы разработки водородной бомбы. С техническими проблемами удалось справиться, но поднятые этические проблемы сказались на его дальнейшей судьбе. Уилер стал одним из главных создателей американской водородной бомбы, а Оппенгеймеру дорого обошлась его оппозиция созданию нового вида оружия. Позднее, в 1950-е годы, ему пришлось подвергнуться проверке в печально известной комиссии сенатора Маккарти, в результате чего он был лишен допуска к секретным работам. Хотя Оппенгеймеру никогда не предъявлялось прямое обвинение в измене, это разбирательство стало концом его научной деятельности и частично объясняет упомянутое выше «исчезновение» имени Оппенгеймера из трудов, посвященных черным дырам.
