Глава 1 - Вселенная

 

Тропа Относительная

 

Теперь придется пройти по еще двум ответвлениям физической тропки без них не понять, как же мы добрались до современных космологических представлений.

 

СТО и ОТО

 

Начнем с первого теории относительности. И для начала ну просто не могу отказать себе в удовольствии привести здесь полностью первый параграф из 16 главы книги

«Фейнмановские Лекции по Физике» (том 1-2, стр 283; выделения в тексте – автора)

 

§ 1. Относительность и “философы”

В этой главе мы продолжим обсуждение принципа относительности Эйнштейна-Пуанкаре, его влияния на наши физические воззрения и на весь характер человеческого мышления.

Пуанкаре следующим образом сформулировал принцип относительности: “Согласно принципу относительности, законы физических явлений обязаны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, который относительно него переносится равномерным движением, так что у нас нет и не может быть никаких способов отличить, уносит ли нас такое движение или не уносит”.

Когда эта мысль обрушилась на человечество, среди философов началась суматоха. Особенно среди “философов за чашкой чая”, которые говорят: “О, это очень просто: теория Эйнштейна утверждает, что все относительно!” Поразительное множество таких “философов” и не только рассуждающих за чашкой чая (впрочем, не желая их обижать, я буду говорить только о “философах за чашкой чая”) твердят: “из открытий Эйнштейна следует, что все относительно; это оказало глубокое влияние на нашу мысль”. И еще потом добавляют: “В физике было доказано, что явления зависят от системы отсчета”. Можно услышать немало подобных вещей, но трудно понять их смысл. Повидимому, системы отсчета, о которых идет речь, это те системы координат, которыми мы пользовались в анализе теории относительности. Итак, тот факт, что “все зависит от системы отсчета”, оказывает могучее влияние на современную мысль. Остается только удивляться, почему? Ведь прежде всего сама идея: “все зависит от точки зрения” настолько проста, что несомненно, не было нужды обременять себя анализом трудностей физической теории относительности, чтобы открыть ее. Всякий, кто идет по тротуару, знает, что все, что он видит, зависит от его системы отсчета. Сперва он видит лица прохожих, а уж потом их затылки. И почти во всех философских заключениях, о которых говорят, что они проистекли из теории относительности, нет ничего более глубокого, чем утверждения типа “Пешеход выглядит спереди иначе, нежели сзади”. Известный рассказ о нескольких слепых, споривших, на что похож слон, тоже весьма напоминают теорию относительности с точки зрения таких фило-софов.

Но в теории относительности, пожалуй, есть кое-что и поглубже, чем наблюдение, что человек спереди выглядит иначе, чем сзади. Принцип относительности куда глубже этого, ведь с его помощью мы можем делать определенные предсказания. Но было бы более чем странно, если бы только это наблюдение позволило нам предсказывать поведение природы.

Есть и другая школа “философов”. Эти чувствуют себя очень неуютно из-за теории относительности, которая заявляет, что нельзя определить свою абсолютную скорость, не глядя ни на что снаружи корабля. Они восклицают: “Вполне понятно, что никто не может измерить своей скорости, не выглядывая наружу. Само собой очевидно, что бессмысленно говорить о чьей-то скорости, если не глядеть по сторонам. Глупцы были те физики, которые думали иначе. Их вдруг осенило, вот они и рады; но если бы мы, философы, представляли, какие проблемы стояли перед физиками, мы их давно решили бы чисто мозговым усилием и сразу же поняли бы, что невозможно определить скорость, не выглянув наружу. И мы сделали бы громадный вклад в эту их физику”. Эти философы всегда топчутся около нас, они мельтешат на обочинах науки, то и дело порываясь сообщить нам что-то. Но никогда на самом деле они не понимали всей тонкости и глубины наших проблем.

Наша неспособность засечь абсолютное движение это результат опытов, а не итог плоского философствования. Это легко пояснить. Начать с того, что еще Ньютон считал, что действительно невозможно узнать свою скорость, если движешься прямолинейно и равномерно. Ведь первым-то провозгласил принцип относительности именно Ньютон (мы цитировали его слова в предыдущей главе). Почему же в те, ньютоновы времена философы не поднимали такого шума о том, что “все относительно” и так далее и тому подобное? А потому, что пока Максвелл не развил свою электродинамику, существовали физические законы, позволявшие утверждать, что можно измерить свою скорость, даже не выглянув наружу; но вскоре после Максвелла экспериментально было установлено, что это невозможно.

А теперь скажите, действительно ли так уж абсолютно и определенно необходимо с философской точки зрения, чтобы невозможно было знать свою скорость, не посмотрев по сторонам? Одним из следствий теории относительности явилось развитие философии, которая утверждала: “Определять можно только то, что поддается измерению! Так как ясно, что нельзя измерить скорость, не видя по отношению к чему она измеряется, то естественно, что понятие абсолютной скорости смысла не имеет. Физики обязаны понять, что можно говорить только о том, что поддается измерению”. Но в этом-то и весь вопрос: сказать, можем ли мы определить абсолютную скорость, это все равно что решить, можно или нельзя выяснить из эксперимента движется ли корабль, не выглядывая в иллюминатор. Иными словами, нельзя априори утверждать, что что-то измеримо, а что-то нет; это решает не рассуждение, а эксперимент. Немного найдется философов, которые хладнокровно объявят очевидным, что если скорость света внутри автомобиля равна 300 000 км/сек, а скорость самого автомобиля достигает 100 000 км/сек, то свет проносится мимо наблюдателя на дороге тоже со скоростью 300 000 км/сек. Для них это потрясающий факт; даже те из них, для кого относительность разумеется сама собой, обнаруживают, когда вы предъявляете им конкретный факт, что совсем не так уж очевидно.

И наконец, есть даже “философы”, утверждающие, что вообще мы не в состоянии обнаруживать никакого движения, не выглядывая наружу. А это уж просто неверно. Действительно, нельзя заметить равномерного движения по прямой линии, но если бы вся комната вертелась, мы бы определенно об этом знали, потому что все в ней разлеталось бы к стенкам наблюдались бы всяческого рода “центробежные” эффекты. Тот факт, что Земля наша вращается вокруг своей оси, можно обнаружить, не глядя на звезды, скажем, с помощью так называемого маятника Фуко. Стало быть, неверно, что “все относительно”; нельзя обнаружить только равномерное движение, не выглядывая наружу. Равномерное вращение вокруг фиксированной оси обнаружить можно. А когда вы это скажете философу, он очень огорчится, что прежде этого не понимал; ему, видите ли, казалось, что просто невозможно установить вращение вокруг оси, не наблюдая внешний мир. Правда, если он достаточно сообразителен, то через некоторое время он может вернуться и заявить: “Понял! На самом деле никакого абсолютного вращения не существует. Видите ли, скажет он, на самом деле мы вращаемся относительно звезд. И вследствие какого-то невыясненного влияния, оказываемого на тела звездами, возникает центробежная сила”.

Ну что ж! Судя по всему, это верно; в настоящее время у нас нет способа узнать, существовала бы центробежная сила, если бы не было звезд и туманностей. Не в наших силах сделать такой эксперимент убрать все туманности, а затем измерить наше вращение; значит, тут мы ничего сказать не можем. Мы должны допустить, что философ может оказаться прав. Он тогда расцветает от удовольствия и изрекает: “И вообще совершенно необходимо, чтобы все в мире в конечном счете подчинялось тому же принципу: абсолютное вращение это бессмысленно, можно говорить только о вращении по отношению к туманностям”. И тут-то мы ему ответим: “А тогда скажи, друг мой, само собой или не само собой разумеется, что равномерное движение по прямой линии относительно туманностей не должно никак чувствоваться внутри автомобиля?” И теперь, когда движение уже больше не абсолютное, когда оно стало движением относительно туманностей, вопрос оказывается темным и на него можно ответить, лишь поставив эксперимент.

Но в чем же в таком случае выразились философские влияния теории относительности? Какие новые идеи и предложения внушил физикам принцип относительности? Если ограничиться только этого рода влияниями, то их можно описать следующим образом. Первое открытие, по существу, состояло в том, что даже те идеи, которые уже очень долго держатся и очень точно проверены, могут быть ошибочными. Каким это было большим потрясением открыть, что законы Ньютона неверны, и это после того, как все годы они казались точными! Теперь, конечно, ясно, что не опыты были неправильными, а просто проделывались они в слишком ограниченном интервале скоростей таком узком, что релятивистские эффекты невозможно было заметить. И все же теперь мы взираем на наши законы физики куда более смиренно ведь любой из них может оказаться ошибочным!

Во-вторых, если возникают некие “странные” идеи, вроде того, что когда идешь, то время тянется медленнее и т.д., то неуместен вопрос: нравится ли это нам? Единственно уместен здесь другой вопрос: согласуются ли эти идеи с тем, что показал опыт? Иначе говоря, “странные идеи” должны быть согласны только с экспериментом. Единственный резон, почему мы должны обсуждать поведение часов и т.п., состоит в следующем: мы должны доказать, что, хотя определение растяжения времени и очень странно, с нашим способом измерять время оно вполне согласуется.

И наконец, теория относительности подсказала нам еще кое-что; может быть, это был чисто технический совет, но он оказался чрезвычайно полезным при изучении других физических законов. Совет состоял в том, что надо обращать внимание на симметрию законов, или, более определенно, искать способы, с помощью которых законы можно преобразовать, сохраняя при этом их форму. Когда мы обсуждали теорию векторов, мы отмечали, что основные законы движения не меняются, когда мы особым образом изменяем пространственные и временные переменные (пользуемся преобразованием Лоренца). Идея изучать операции, при которых основные законы не меняются, оказалась и впрямь очень полезной.

 

А теперь перейдем к делу.

Куда же “продвинула” нас специальная (или частная) теория относительности? Отвечу цитатой из академика А.Александрова: «…Механика Ньютона привела в единство колоссальное многообразие движений… медленных по сравнению со скоростью света… Специальная теория относительности Эйнштейна привела к единству все существующее многообразие механических движений во всех диапазонах существующих в природе скоростей». Вот, собственно, философско-мировоззренческий смысл СТО.

Хотя именно в этом, философско-мировоззренчесом смысле весьма важно еще одно, прямо с СТО может и не связанное о нем говорил сам Эйнштейн: «…до Ньютона не существовало законченной системы физической причинности… Эрстед, Фарадей, Ампер показали, что магнитные силы возбуждаются движением электронных зарядов… и это единство электромагнитных явлений получило завершающее выражение в работах Максвелла… Самым увлекательным предметом во время моего учения была теория Максвелла. Переход от сил дальнодействия к полям, как к основным величинам, делал эту теорию революционной… Согласно концепции Фарадея... появилась новая физическая реальность, а именно поле. Исходя из механических представлений, сначала пытались рассматривать поле как некоторое механическое состояние (движения или напряжения) гипотетической среды (эфира), заполняющей пространство… но поскольку такая трактовка не увенчалась успехом, постепенно привыкли рассматривать электромагнитное поле как последний, не сводимый ни к чему другому структурный элемент физической реальности… Мы имеем две реальности: вещество и поле… Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытала физика после Ньютона».

 

Но нужно поговорить и о самой теории относительности ведь она лежит в самом фундаменте современ-ных представлений об устройстве мира.

В 1921 году Нобелевский комитет присудил премию по физике доктору А.Эйнштейну. В докладе комитета (в таких докладах приводится обоснование: почему премия присуждается такому-то) не было ни слова ни о специальной, ни об общей теории относительности: премия присуждалась за работу (от 1905 года) по теории фотоэффекта, в которой в физику вводились «световые кванты» — переносчики электромагнитной энергии. Видимо, к этому времени теория относительности еще не была достаточно надежно подтверждена. А может, просто не была еще оценена по достоинству. Пожалуй, ситуацию хорошо иллюстрирует высказывание Макса Борна: «Я думаю, что Эйнштейн был бы одним из величайших физиков-теоретиков всех времен, даже если бы он не написал ни одной строчки о теории относительности».

Однако он написал. В то время ему было 26 лет и свой хлеб он зарабатывал в патентном бюро, анализируя чужие изобретения шесть полных дней в неделю… И в том же 1905 году он написал еще две статьи. Одна описывала броуновское движение частиц, взвешенных в покоящейся жидкости и через четверть века она стала основой нового понятия «шумы», одного из фундаментальных явлений в физике. Вторая называлась «К электродинамике движущихся тел» и в ней в почти полном виде была сформулирована специальная (или частная) теория относительности – СТО

 

Что же подвигло Эйнштейна на это деяние создание новой теории?

В те времена крупными «камнями преткновения» оказались два вопроса, связанные со светом: uа как он распространяется, свет? vскорость света относительно чего ее следует определять (относительно “глаза наблюдателя” она была уже неплохо определена)? Тогда считалось, что свет распространяется в виде возмущения эфира, заполняющего пространство (как, например, звук распространяется в виде возмущений воздуха), и, значит, скорость следует определять тоже относительно этого эфира.

Для уточнения решили померять скорость Земли относительно этого эфира. В 1881 году физик Альберт Майкельсон построил в Берлине прибор (в нем луч света должен был отклониться за счет движения Земли сквозь эфир и дать интерференционную картинку) и измерил. Получился парадокс: либо Земля неподвижна, либо эфира не существует. Майкельсон объединился с другим физиком Эдвардом Морли, улучшили аппаратуру, перепроверили все, повысили точность и в 1887 году померяли снова (это знаменитый опыт Майкельсона-Морли). Результат тот же...

Эйнштейн предложил неожиданный выход: если скорость света считать постоянной для любых систем координат, парадокс снимается. Постоянство скорости света стало одним из двух постулатов будущей СТО.

«Принцип относительности» впервые высказал Ньютон в одном из следствий законов движения: “Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство или движется равномерно и прямолинейно без вращения”.

В прошлом столетии в результате исследований явлений электричества, магнетизма и света интерес к принципу относительности возрос. Максвелл подытожил в своих уравнениях электромагнитного поля многие тщательные исследования этих явлений. Его уравнения свели воедино электричество, магнетизм, свет. Однако уравнения Максвелла, похоже, не подчинялись принципу относительности...

Когда выяснилось, что с уравнениями что-то не так, первым делом подозрение пало на сами уравнения Максвелла. Им было всего 20 лет от роду и казалось почти естественным, что они неверны… Их принялись переписывать, видоизменять… в них появились новые члены, предсказывающие новые электрические явления… но эксперимент никаких таких явлений не обнаружил. Постепенно всем становилось ясно, что максвелловы законы электродинамики правильны, а загвоздка в чем-то другом…

Между тем Лоренц заметил одно любопытное явление: когда он делал в уравнениях Максвелла подстановку, подправляющую движение системы координат, то форма уравнений после подстановки не менялась! Эти уравнения теперь называют преобразованием Лоренца. А Эйнштейн, следуя мысли, впервые высказанной Пуанкаре, предположил, что все физические законы не должны меняться от преобразований Лоренца. Это предположение стало вторым постулатом СТО.

Получалось, что надо менять не законы электродинамики, а законы механики. Но как же изменить законы Ньютона, чтобы они при преобразованиях Лоренца не менялись?... Как оказалось, единственное, что нужно от них потребовать это чтоб масса в уравнениях Ньютона стала переменной, т.е. стала зависеть от скорости (второй закон Ньютона безмолвно предполагал, что масса величина постоянная).

Вот это и есть суть “поправки Эйнштейна”. В обычных условиях рост массы незаметен; тем замечательней, что он сперва был “вычислен” теоретически (1905), а уж после открыт на опыте…

Интересны и следствия этой теории. При скоростях, сравнимых со скоростью света, растет не только масса. Растут промежутки времени («растяжение времени») и сокращаются длины («сокращения Лоренца»). Возникают также и новые понятия масса покоя (в отличие от полной массы, которая теперь стала переменной) и эквивалентность массы и энергии (E=mc2) то есть количество энергии, выделяемой при аннигиляции массы.

Но все же самым-самым главным представляется еще один философско-мировоззренческий аспект. До появления СТО пространство представлялось некой универсальной и неизменной сценой, на которой разворачиваются все наблюдаемые события. Время присутствовало отдельно от пространства и понятия «раньше», «позже», «момент времени», «одновременно» и т.п. имели тоже универсальный характер и считались справедливыми для всей Вселенной. СТО все эти представления перевернула… Время вошло в ее уравнения намертво, рассматривать пространство отдельно от времени стало невозможно, само время стало переменным (трудно это представить, но оно теперь может быть “быстрее” или “медленнее”, а может вообще идти вспять), понятия «раньше», «позже» и т.д. потеряли смысл ибо стали зависеть от движения наблюдателя…

 

Такого Великого Мозготрясения не случалось, пожалуй, со времен Коперника, когда тот передвинул Землю из центра на окраину… Оно — третье из самых-самых.

 

Нужно еще отметить, что предсказания СТО надежно и многократно подтверждены экспериментами.

Но СТО не отвечала и даже как будто бы и не замечала его вовсе на один из самых интригующих вопросов: что же такое гравитация? Как она передается? С какой скоростью?..

Ответить на него пытались многие. Еще Коперник за полтора века до Ньютона писал «…тяжеть есть не что иное, как естественное стремление, которым отец Вселенной одарил все частицы, а именно — соединяться в одно целое, образуя тела шаровидной формы». А Галилео помните, бросал предметы с Пизанской башни вниз? Так ведь именно он установил очень странный факт: все тела падали с одинаковой скоростью (точнее, ускорением) и большие, и маленькие. Это-то, кстати, и опровергало учение Аристотеля…

Максвелл, когда вывел свои уравнения электродинамики, обратил внимание, что ньютоновская формула всемирного тяготения очень похожа на закон Кулона для взаимодействующих электрических зарядов. И предложил распространить образ электромагнитного поля на гравитацию то есть представить силы гравитации в виде распространенного в пространстве поля наподобие электромагнитного. И эта идея вошла в науку. Над ней долго бились, но всякий раз что-нибудь не получалось… И всегда не получалось объяснить почему в электромагнетизме есть два типа зарядов положительные и отрицательные (и одни отталкиваются, а другие притягиваются), а в гравитации только один, и частицы всегда притягиваются. А еще от электромагнитных сил можно заэкранироваться, а от гравитационных не получается…

Постепенно становилось ясно: такой механизм не годится. Нужно искать принципиально новый.

 

То, что от гравитации нельзя заэкранироваться, наводило на мысль о ее универсальности и автономности: может, это не свойство вещества, а свойство самого пространства? Но кто в те времена мог усомниться в устройстве пространства такой очевидной и понятной сущности, да еще так стройно описанной Евклидом?!

Однако в начале прошлого века один ЧЧ усомнился-таки. Жить и работать ему довелось на стыке христианской и мусульманской культур, где по одну сторону улицы возвышался христианский храм, по другую устремлялась к небу мусульманская мечеть, а между ними носились по грязно-пыльным улочкам неугомонные ватаги ребятишек. Называлось это Казань, а в тамошнем университете преподавал математику Николай Иванович Лобачевский. И придумал он другую геометрию, искривленную в отличие от “плоской” Евклидовой. И задал он вопрос: а какова же реальная геометрия пространства плоская Евклидова или “кривая” неевклидова? И послал все это (1826) в академию наук в Петербург. И получил оттуда отрицательный ответ (я бы назвал его отповедью), подписанный знаменитым математиком Остроградским. Надо сказать, и другие математики в восторг не пришли…

Но сам он дела не бросил и пытался даже ответить на свой вопрос путем астрономических наблюдений. И все же он не был одинок хотя и не знал об этом. Янош Бойаи работал в аналогичном направлении, и их работы послужили фундаментом для следующих ЧЧ, главным из которых считается (по праву) Бернгард Риман, поскольку он продвинулся дальше и капитальнее всех других: он создал математический аппарат для анализа пространств различного типа. Они пространства в его теории могли быть сильно многомерными, скрученными по некоторым измерениям, изогнутыми по-разному в разных точках, могли иметь разрывы и дырки… Все это он изложил в конкурсной лекции в Геттингенском университете (1854) на предмет занятия места приват-доцента. Рассказывают, что престарелый «король математиков» Гаусс, выслушав все это, молча встал и вышел из зала «в состоянии наивысшего изумления», как он потом охарактеризовал свое состояние. Между прочим, место приват-доцента Риман получил.

 

А Лобачевский получил отповедь… Невольно вспоминаются слова, написанные полтора века спустя и совсем по другому поводу (на смерть Высоцкого):

 

Ну Родина, ну Русь, ну ты даешь:

Веками, словно ради злой забавы,

Своих сынов, достойных славы,

Ты лишь посмертно признаешь...

 

И почему мы, россияне, такие?

 

Кстати сказать, такое издевательство над пространством тоже изрядное мозготрясение, правда в более узком кругу кругу математиков… Такая геометрия — вопрос сложный, и желающим в него углубиться придется делать это самостоятельно. Но грубое понимание самой идеи неэвклидовой геометрии можно получить легко, на примере нашей Земли. 2 меридиана пересекают экватор под углом 900, и, следовательно, являются (по Евклиду) параллельными линиями. И пересекаться (по Евклиду) не должны. Но на сфере они пересекаются… И сумма углов треугольника на сфере не равна 1800… На самом деле это, конечно, всего лишь сферическая тригонометрия, а вовсе не Риманова геометрия. Но идея именно такова: пространство вовсе не обязано быть «плоским», оно может быть и «кривым».

 

Так вот, это СТО вроде бы не замечала вопроса о природе гравитации. А родитель-то ее, Эйнштейн, очень даже замечал. И беспрерывно мучился этим вопросом как только уяснил, что пространство и время неразрывны.

В истории остался даже эпизод, как Эйнштейн пришел к своему другу еще со студенческих времен профессору математики Цюрихского политехникума Марселю Гроссману, пришел усталый и измученный бесконечными (и безуспешными) попытками подыскать подходящий математический аппарат для своей идеи неразделимого четырехмерного пространства-времени, и заявил: “Гроссман, ты должен мне помочь, иначе я сойду с ума!” Гроссман был далек от физики, зато очень близок к многомерным искривленным пространствам Римана… И сработал катализатором: слияние идей Эйнштейна и Римана произошло мгновенно.

Получив мощный математический аппарат, Эйнштейн двинулся вперед именно тогда он пришел к основным идеям ОТО. Но… но сами уравнения первым вывел все же не он, а знаменитый геттингенский математик Давид Гильберт на две недели раньше Эйнштейна…

 

Однако не стоит считать это иронией судьбы. Гильберт, к которому по праву перешел от Гаусса титул «короля математиков», шел к этому с другой стороны: он пытался создать единую, цельную картину математики, которая давала бы все математические выводы исходя из нескольких всего нескольких! максимально общих аксиом. Эйнштейн пытался создать единое, цельное поле, из которого как частный случай можно было бы вывести уравнения всех известных взаимодействий. Математика отражает реальности нашего мира (по-своему). Физика отражает реальности нашего мира (тоже по-своему). Они шли к одной цели один со стороны математики, другой со стороны физики. Ни тот, ни другой не достигли желанной цели…

Она и теперь не достигнута. Но когда два таких человечища штурмуют непокорную высоту с разных сторон они не могут не встретиться. Вот и встретились у промежуточной базы: пришли туда практически одновременно… Впоследствии Гильберт сам! неоднократно указывал на приоритет Эйнштейна, желая видимо подчеркнуть, что физические идеи Эйнштейна как бы “ближе к жизни” что ли, поскольку математика все же гораздо более абстрактная штука, чем физика. И хотя общепринято называть соответствующие уравнения уравнениями Эйнштейна, строгие исследователи называют их все же уравнениями Гильберта-Эйнштейна.

 

Уравнения эти установили количественную связь сил всемирного тяготения с кривизной пространства-времени.

Как бы это представить? Около всякой сущности — поля там, или массы — делается «криво». И чем больше масса (или ближе к ней) — тем «кривее». Около большой массы — очень «криво» (около сингулярности, поскольку она обладает бесконечной массой, выходит, бесконечно «криво», представляете?). Поскольку масс во Вселенной масса, «кривости» налезают друг на друга, искривляются еще больше, и все массы пытаются скатиться «до кучи», как говорят на родине незабвенного Остапа Вишни. То есть по-Ньютону они тянут друг друга к себе и потому скатываются «до кучи», а по-Эйнштейну никто никого не тянет, просто рельеф такой.

Представили? Я — нет.

 

То есть гравитация это не сила, действующая в привычном нам пассивном и неизменном пространстве (как в электромагнитном поле, к примеру), нет, гравитация — это искажение самого пространства-времени, его кривизна. И надо еще раз подчеркнуть: кривизна именно пространства-времени, то есть «кривым» делается не только пространство (что еще можно как-то вообразить), но и время (что вообразить весьма затруднительно) оно может замедляться, ускоряться, идти вспять…

Эти уравнения позже назвали общей теорией относительности.

Общей поскольку они (уравнения) позволяют рассматривать различные типы пространств, в том числе с высоким числом измерений (ученые называют такие пространства “высокомерными”).

ОТО на сегодняшний день достаточно надежно подтверждена экспериментами правда, в сравнительно слабых гравитационных полях.

Отметим напоследок один практический вывод.

...Что бывает, когда на тело долгое время воздействует постоянная сила? В механике Ньютона скорость тела беспрерывно будет возрастать... В теории относительности беспрерывно растет не скорость тела, а его импульс, и рост этот сказывается не столько на скорости, сколько на массе тела. Со временем ускорение, т.е. изменения в скорости, практически исчезает, но импульс продолжает расти то есть растет масса.

 

И еще. Что такое скорость? Это величина, связывающая пространство (например, километры) с временем (например, «в секунду»). Но она связывает их так, как если бы это были разные сущности. Это приемлемо при скоростях заметно меньших световой, то есть когда «работает» механика Ньютона и пространство с временем можно рассматривать как действительно разные сущности. В ОТО пространство-время — единая сущность. Тогда что с чем связывает понятие «скорость»? Похоже, что оно в диапазоне субсветовых скоростей теряет смысл. Но мы-то продолжаем им пользоваться как ни в чем не бывало, в том числе и при расчетах процессов в микромире…

Ну, хватит уже.

 

Теперь ко второму ответвлению, его зовут суперобъединением. Это как раз та самая цель, до которой не смогли добраться Гильберт и Эйнштейн: создать единую теорию поля, такого поля, из которого можно было бы в качестве частного случая вывести все известные нам взаимодействия.

 

 

Суперобъединение

 

На микрофизической тропке мы уже немножко касались этой темы. Сама эта идея родилась даже до Эйнштейна (помните, Максвелл пытался пристроить идеи электромагнетизма к гравитации?). Но настойчивые и целенаправленные усилия в этой области начались все же с Эйнштейна.

Половину (вторую) своей жизни посвятил он созданию единой теории поля (тогда были известны два взаимодействия электромагнитное и гравитационное). Коллеги относились к этой идее скептически. Однако вот что написал нобелевский лауреат Ч.Янг: «в течение некоторого времени у ряда физиков было мнение, что идея объединения была всего лишь навязчивой идеей, овладевшей Эйнштейном на старости лет… Да, это была навязчивая идея, но с глубоким проникновением в суть фундаментальной структуры теоретической физики. И, хочу я добавить, именно эта идея является стержнем современной физики».

Чтобы понять что это за стержень, нужно взглянуть на эти самые взаимодействия. Их теперь известно четыре, думаю все наслышаны о них: uэлектромагнитное; vгравитационное; wсильное; xслабое в таком «хронологическом» порядке природа их нам приоткрыла. В самом этом хронологическом порядке тоже сокрыт глубокий смысл.

Но начнем по порядку.

Давным-давно (1676) Левенгук заглянул в построенный им микроскоп и в среде ЧЧ от биологов (таковых, правда, тогда не было были естествоиспытатели, но суть от этого не меняется) произошло изрядное мозготрясение: обнаружилась бурная, прямо-таки бьющая ключом жизнь, дотоле неизвестная, и существующая совсем в других масштабах, нам совершенно незнакомых…

В области “неживой” природы ЧЧ тоже поползли вперед (вниз? вглубь?) отметим среди них Резерфорда: он умудрился (1911) пощупать ядро атома и оценить его размеры, они оказались около 10-12 см. (по современному счету около 10 ферми, ибо 1 ферми = 10-13 см.). Путь вниз по этой лесенке (конец ее физики ожидают около масштабов 10-33 см.) продолжается…

 

Электромагнитное взаимодействие это взаимодействие между частицами, имеющими электрический заряд. Оно дальнодействующее электромагнитные сигналы мы принимаем со всех концов Вселенной (поэтому и обнаружено оно было давно). Неплохо изучено в том смысле, что мы широко им пользуемся, можем достаточно точно рассчитывать его эффекты и т.д. Переносчиком (квантом) его считается фотон.

Однако не все так безоблачно даже здесь. Помните, когда-то давно мы вынуждены были констатировать, что даже уравнения Максвелла суть “чудес” не прояснили? Электрический заряд мы встречаем на каждом шагу. Когда он двигается возникает магнитное поле; остановите его оно исчезает. Электрические заряды бывают двух сортов положительные и отрицательные, и широко встречаются по-отдельности, в “голом” виде, так сказать. Магнитные заряды тоже двух сортов северный и южный, но как ни дели магнитик, в итоге все равно получается пара, по отдельности их нет. Поль Дирак (1931) предположил (то есть ввел в уравнения и тем доказал, что теоретически таковой может существовать), что есть с тех пор такой заряд называт «монополь Дирака», ищут его 70 лет, пока не нашли. Монополь Дирака в современном мире претерпел существенные изменения его теоретическая масса теперь сильно возросла (оценивается в 1016 ГэВ), а до достижения таких энергий (и, значит, до понимания сути “чудес”) еще далеко…

Гравитационное взаимодействие это взаимодействие между всеми (исключений нет!) частицами. Оно тоже дальнодействующее и, соответственно, тоже давно известно. А после Ньютона и Эйнштейна и рассчитывать его эффекты мы можем достаточно хорошо. Переносчиком его считается гравитон. О гравитации уже достаточно сказано, так что не будем повторяться. Отметим только, что до понимания ее сути еще далеко за гравитоном охотятся уже много-много лет… Итальянские физики сделали две «антенны» (двухтонные алюминиевые болванки, специальным образом подвешенные и изолированные от помех), одна из них в городке Фраскати (Италия), другая в Женеве (Швейцария); чувствительная электроника регистрирует их колебания (только одновременные, что исключает сигналы земного происхождения) в надежде «поймать гравитацию»; пока пойманы сигналы с частотой 2 раза в сутки, но они примерно в 100 раз сильнее, чем (по расчетам) должно быть от гравитационных волн; предполагается, что это приливное воздействие Солнца и Луны.

Сильное взаимодействие это взаимодействие между адронами (таким общим именем называют ядерные частицы, то есть участвующие в создании атомных ядер протон, нейтрон...). Оно короткодействущее: размеры адронов около 1 ферми и именно на таких расстояниях сильное взаимодействие очень сильно: преодолевает даже электромагнитное отталкивание двух протонов, например. Но с расстоянием эти силы очень резко ослабевают, практически “обрываются” потому и узнали мы о них не так давно. Переносчиком считаются пи-мезоны (сейчас их чаще называют просто пионами).

Слабое взаимодействие это взаимодействие между нейтрино и протонами или ядрами, а также b-распад самих ядер. Вообще-то известно оно уже довольно давно, однако его теорию придумать смогли совсем недавно. Переносчиками считаются «промежуточные бозоны» три частицы: W+, W- и Z0.

 

Прежде, чем ползти дальше, отметим для себя слова академика М.А.Маркова: «…наши современные знания о глубинных свойствах материи в определенном смысле недалеко ушли от знаний о мире древних греков. Те полагали, что все на свете состоит из четыпех стихий — огня, воды, воздуха и земли. Мы же считаем, что все процессы во Вселенной определяются четырьмя типами взаимодействий… Это те же четыре стихии древних».

 

Так вот «стержень современной физики», как выразился Янг, это объединение этих взаимодействий в единую теорию uслабого и электромагнитного взаимодействий (теория “электрослабого взаимодействия”), vпотом объединение ее с сильным взаимодействием (“великое объединение”) и наконец wобъединение последней с гравитационным взаимодействием (“суперобъединение”).

Ныне это столбовой путь и гранд-мечта теоретической физики.

 

Но возможно ли это? Почему вдруг физики возомнили, что смогут свершить такое? Придется нам еще немного покорпеть.

Вот мы эдак запросто говорим “взаимодействие” и вроде все понятно. Но понятно ли? Ну, когда заехали кулаком в самую середину нюни, тут уж взаимодействие налицо (точнее, на лице). А если такого контакта нет? Например, почему стрела летит? Что с чем взаимодействует? Аристотель учил, что стрела летит потому, что ее толкает воздух... А потом-то пришлось задумываться и о планетах: по Кеплеру и Ньютону выходило, что Солнце их держит, но как это? На таком-то расстоянии и без веревки! Вот эта загвоздка дальнодействие долго не давала ЧЧ покоя.

 

Первое мозготрясение учинил Фарадей, придумав свое поле. Но и позже, когда Максвелл облек образ поля в строгие и стройные формулы (дающие к тому же прекрасные результаты предвычислений), физики долго еще не могли привыкнуть к мысли, что электромагнитное поле существует само по себе, может колебаться, проникать в другие тела… Потом появилось радио и постепенно мы воочию убедились, что радиосигнал путешествует по этому самому полю ну точно как теоретическая точка: скорость имеет, время на это тратит, и чем дальше объект тем больше, как и положено (кем это положено, нам тоже, к сожалению, неизвестно: кто подписывал приказ о создании Вселенной, кому что в нем поручалось, где он сам затерялся...). Медленно но уже надежно в физику вошло понятие “запаздывающего взаимодействия”.

Но сути дела это не проясняло. Ну, запаздывает, ладно но кто кого толкает? Взаимодействие-то где? Радиосигнал это волна. Что она там, в поле, расталкивает? Длиннющие силовые линии?

Пришлось ждать Макса Планка. Именно он (в последний год XIX века) придумал новый образ: электромагнитное поле вовсе не сплошная среда “длиннющих силовых линий”. Его энергия может излучаться и поглощаться только порциями квантами. А раз так (дополнил Планка через несколько лет Эйнштейн), то и само поле следует рассматривать как собрание квантов то есть частиц, имеющих энергию и импульс (и, значит, умеющих толкать друг друга). Убедились в этом окончательно, правда, несколько позже в 1925 году, когда молодой физик Шатьендранат Бозе прислал Эйнштейну статью с доказательствами свойств такого “собрания квантов”.

Родилась квантовая механика.

Довольно скоро ее приспособили к электродинамике Максвелла получилась квантовая электродинамика, и этой даме удалось предельно точно описать все электромагнитные явления в микромире. Она описывает их как процесс обмена фотонами между заряженными частицами: одна излучает фотон, другая тут же его поглощает. Наружу такие фотоны не выскакивают и оттого называются виртуальными. Попутно она вывела одну очень интересную константу: оказалось, что отношение квадрата электрического заряда к произведению постоянной Планка на скорость света (L=e2/ħc) величина безразмерная (то есть всегда одинакова, в каких бы единицах ни измеряли разумные существа исходные величины) и равна 1/137. Назвали ее постоянной тонкой структуры. Ну, а физикам эта дама помогла спуститься по лесенке аж до ступеньки длиной в 10-16 см.

(надо бы еще отметить, что пока никто не может объяснить почему это ħc/e2 =137. Что это за число такое? И мог ли бы существовать наш мир, если бы оно было другим? Кстати, именно во столько раз — в 137 — магнитные заряды «тянут» друг друга сильнее, чем электрические, если их расположить на одинаковых расстояниях)

Однако ниже этой ступеньки владения почтенной дамы кончались. Там начинались владения сильного взаимодействия и на базе квантовой электродинамики никак не удавалось понять почему это сильное взаимодействие действует только на очень малых расстояниях: чуть дальше и оно исчезает. Очередное мозготрясение учинил японец Юкава (Юкава Хидэки, 1907 – 1981): в 1935 году он понял (и объявил ошарашенному миру), что если квант-переносчик взаимодействия имеет массу покоя, то сможет действовать только на очень коротких расстояниях. И примерную массу вычислил. И даже указал, что искать его этот квант нужно в космических лучах: тогда это был единственный источник частиц с подходящей энергией. Там его и нашел через 12 лет (1947) англичанин Пауэлл. Назвали его пи-мезон (или просто пион). Картина немножко прояснилась: оказалось, что хоть действующие лица и другие, сценарий тот же частицы друг друга “обстреливают” виртуальными квантами.

 

Здесь давайте остановимся, хотя устройство микромира и история спуска по упомянутой лесенке очень интересны. Но эта лесенка увела бы нас далеко и надолго, так что пусть уж интересующиеся сами по ней пройдут.

Так вот надежда на суперобъединение основана на предположении, что сценарий везде един: взаимодействие состоит в обмене виртуальными частицами. И надежда достаточно обоснованная: первый шаг уже, можно считать, пройден теория электрослабого взаимодействия создана, за что американцы Вайнберг и Глэшоу, и Салам из Бангладеш в 1979 году были удостоены нобелевской премии. А Нобелевская премия 1984 года была вручена К. Руббиа и С. ван дер Мейеру в связи с экспериментальным обнаружением этих самых промежуточных бозонов, которые ответственны за слабые взаимодействия в теории Глэшоу—Вайнберга—Салама.

 

Но… всегда есть но. В данном случае оно конкретизировано в справочниках по физике. Приведу цитату из одного (выделено мной): «взаимодействия частиц друг с другом... описываются как виртуальный обмен частиц квантами поля, соответствующего данному виду взаимодействия. Точный механизм взаимодействий частиц… неизвестен. Представление о виртуальном обмене фотонами при электромагнитном взаимодействии правильно передает зависимость силы взаимодействия (напряженности поля) от расстояния r между частицами (r -2

 

То есть механизм «виртуального обмена» позволяет рассчитывать процессы и их результаты, но он не объясяет суть взаимодействия: каким именно образом «виртуальный обмен» обеспечивает притяжение (или отталкивание). Это относится к взаимодействию всех частиц, в том числе и самих атомов. И вот что по этому поводу сказал в своих «Лекциях…» Ричард Фейнман:

«… атомы очень разборчивы, им нравятся определенные партнеры, определенные направления и т.д. Одна из обязанностей физики — разобраться, почему они хотят именно то, что хотят…»

Пока разобраться не удалось.

 

И еще одно замечание. Где-то впереди нам встречалось железобетонное утверждение «антигравитации нет». Оно выведено из ОТО, а точнее — из ее молчаливого постулата, что «гравитационный заряд» и масса есть одно и то же (то есть масса есть сумма гравитационных зарядов, сами-то они могут быть махонькими — гравитонами). На самом деле это совсем-совсем не доказанный факт, а именно лишь постулат. И современные теоретики предсказывают наличие по меньшей мере трех «сортов» гравитационного поля, одно из которых — привычное эйнштейновское, два других (гравифотонное и гравискалярное) весьма своеобразны. В частности, гравифотонное может иметь и другой знак, то есть тела в нем будут отталкиваться…

На этом и закончим...

 

 

Домой Оглавление Назад Дальше