Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

Более того, Хаббл показывает, что между сдвигом уровней и расстоянием до источника имеется прямая пропорциональность, а ее коэффициент — постоянная величина (закон Хаббла).

Объяснений может быть два. Во-первых, можно предположить, что фотоны теряют на своем пути часть энергии, и чем этот путь больше, тем выше потери (зависимость от расстояния, правда, иная, но все можно списать на недостаток данных) — объяснение это разумно и вполне достаточно для хорошего ученого, не гения. Во-вторых, можно предположить, что все эти источники от нас удаляются, и чем они дальше, тем с большей скоростью, приближающейся для очень далеких объектов чуть ли не к скорости света, они движутся.

В пользу этого предположения говорят только теоретические расчеты, подобные тем, что провел А. А. Фридман. По одному из вариантов этой теории, вся, подчеркнем, вся Вселенная была сжата некогда в один «Папа-атом», точнее, в одну сингулярную точку. При этом поле тяготения было такой силы, что ни времени, ни пространства вообще не было — время с ростом тяготения течет все медленнее, так что там оно вообще останавливалось, а все измерения пространства как бы не могли развернуться (поэтому бессмысленно спрашивать, что было до этого или вне этого образования — ничего не было и не могло быть). Затем этот Папа-атом взорвался (произошел Большой взрыв, его часто называют по-английски: Биг Бэнг), начали образовываться и расходиться группы галактик, сами галактики, стали образовываться составляющие их звезды, и с тех пор продолжается это расхождение, следы которого впервые обнаружил и идентифицировал Хаббл. Поэтому как размеры Вселенной, так и длительность ее существования, определяются через постоянную Хаббла, одну из самых фундаментальных величин теории Вселенной.

Современная скорость расширения, по Хабблу, составляет порядка 60–70 км/(с·Мпс) (возможная ошибка не более 10 %), т. е. наблюдаемая скорость расширения Вселенной растет на такую величину по мере роста расстояния от нас на каждый мегапарсек, по мере ухода в прошлое, когда возникли те кванты, которые сейчас нас достигли. Таким образом, становится ясно, что скорость расширения была больше на начальных этапах расширения, после Большого взрыва.

Если теперь подсчитать, когда начали расходиться все наблюдаемые объекты, то получаем момент Большого взрыва, длительность существования Вселенной, составляющую порядка 12–16 млрд лет.

Необходимо заметить, что в такой конечной, но безграничной Вселенной нельзя дойти до ее «края», как бы его ни определять, поскольку для этого необходима скорость, большая скорости света. Кроме того, каждый наблюдатель, где бы он ни находился, может считать себя центром этой Вселенной: лучи, посланные из любой точки в диаметрально противоположных направлениях, должны, в принципе, возвратиться в исходную точку за одинаковое время.

3. Реликтовое излучение

Радиофизики Арно Э. Пензиас (р. 1933) и Роберт В. Вильсон (р. 1936) изготовляли в 1964–1965 гг. особо чувствительные антенны для радиотелескопов. Эти телескопы могут, например, просматривать центр нашей Галактики, закрытый непрозрачным для видимого света облаком, так называемым «угольным мешком». Для всего этого антенна должна отстраиваться от всех посторонних радиошумов. В 1964 г. ученые использовали свою систему для измерения мощного источника радиосигналов в созвездии Кассиопеи, остатка сверхновой, вспыхнувшей в 1064 г. и описанной в китайских летописях.

Однако результаты измерений фона озадачили исследователей — помехи оказались настолько сильными, что их нельзя было связать с известными источниками. Аномалии сохранялись и при повторных измерениях. Пензиас и Вильсон осмотрели всю систему в поисках источника помех, закрыв клепаные соединения и очистив антенну от птичьего помета, однако даже это не оказало существенного влияния на результаты измерений. Им никак не удавалось ликвидировать шумы, появляющиеся на длинах волн, начиная примерно с 3 и более см. Причем сколько они ни старались, оказалось невозможным выяснить направление этого излучения — оно было изотропным, т. е. шло одинаково со всех направлений и не менялось со временем.

В это же время Роберт X. Дикке (р. 1916) рассматривал космологическую модель, согласно которой Вселенная попеременно расширяется и сжимается: в настоящий момент она расширяется, но гравитационные силы могут со временем изменить расширение на сжатие, и тогда Вселенная сожмется до невероятной плотности, до точки. Дикке предположил, что излучение от крайне раскаленного, высококонденсированного раннего состояния Вселенной после примерно 18 млрд лет охлаждения можно наблюдать еще и сегодня, а П. Дж. Пиблс подсчитал, что на сегодняшний день температурный эквивалент такого реликтового (от латинского «реликтус» — оставленное) излучения равен 10 К — позднее его уточнили до значения в 3 К — и рассказал об этой теории на семинаре.

Плотность этого реликтового излучения очень велика: на один атом во Вселенной приходится примерно 100 миллионов его фотонов. Очень интересно, что, поскольку такое излучение должно быть абсолютно одинаковым со всех сторон (изотропным), оно является фактически общим фоном Вселенной, а это позволяет определить абсолютную скорость движения относительно него: измерение сдвига Доплера показало, что Солнечная система в целом движется в направлении к созвездию Льва со скоростью около 390 км/ч.

Из случайного разговора с одним из участников семинара об этой работе узнал Пензиас, а отсюда нити потянулись к теории горячей Вселенной Дж. Гамова[62], развитой еще в 1946 г., но тогда ведущие радиоастрономы не допускали и мысли о возможности ее экспериментальной проверки современными приборами.

Теория Гамова предсказывала, что если Большой взрыв действительно имел место, то возникающее при этом электромагнитное излучение должно при расширении Вселенной постепенно остывать вследствие эффекта Доплера и иметь к настоящему времени во всей Вселенной так называемый тепловой (планковский) спектр, соответствующий температуре примерно в 3 градуса Кельвина, т. е. именно такой спектр, какой сейчас обнаружили. Так было найдено второе, наряду с хаббловским сдвигом, подтверждение Большого взрыва, а Вильсон и Пензиас были удостоены Нобелевской премии 1978 г.

4. О типах и эволюции звезд

Мы уже говорили о том, что, согласно Г. Бете, светимость Солнца вызвана постепенным превращением водорода в гелий, который происходит при самой низкой для звезд температуре — порядка 10 млн градусов (температура поверхности Солнца около 6 400 градусов). Равновесие звезды поддерживается тем, что силам гравитационного сжатия противостоит давление излучения, образующегося в ходе термоядерных реакций. Но на этом водородном цикле процессы нуклеосинтеза (образования ядер, в том числе тяжелых) не заканчиваются.

Когда мощность излучения уменьшается за счет выгорания водорода, звезда начинает гравитационно сжиматься, а вследствие этого ее температура растет и доходит до порога открытия каналов следующих циклов Бете — углеродного и т. д. Таким образом, звезды являются саморегулирующимися системами, и можно сказать, что звезды — это большие фабрики Вселенной. Они постепенно трансформируют первоначальное сырье (водород) в другие элементы, в том числе тяжелые, из которых в значительной степени состоит Земля и другие планеты нашей системы. Юпитер и Сатурн, во всяком случае, являются гигантскими газовыми шарами (иногда даже полагают, что они — небольшие звезды, захваченные Солнцем). Считается, что в процессе старения звезды обогащаются тяжелыми элементами, а затем, взрываясь, обогащают ими межзвездные газовые облака, из которых формируются звезды следующих поколений — их состав определяется спектроскопически — и планеты[63].

Звезды можно разделить на три больших класса: нормальные звезды, белые карлики, нейтронные звезды. Рассмотрим их структуры чуть подробнее.

Как мы говорили, нормальная звезда находится в равновесии, если давление излучения в ней уравновешивает силы гравитационного сжатия[64]. Кроме того, должна быть обеспечена возможность выхода наружу энергии ядерных реакций, идущих внутри звезд, в виде потоков фотонов и нейтрино. Если же выход энергии наружу недостаточно быстр, то происходит взрыв звезды, сопровождаемый расширением ее верхних оболочек, их сбрасыванием.

Все это является достаточно очевидным с позиций физики, но нужно определить, каким звездам и когда, на каком этапе развития грозит опасность подобной катастрофы.

С самого начала ясно, что чем больше масса звезды, тем вероятнее ее взрыв, а убедиться в этом позволяет просто теория размерностей — та самая, исходя из которой еще Леонардо да Винчи утверждал, что слишком большие животные существовать на Земле не могут. И действительно, если радиус звезды увеличится в два раза (принимаем, что плотность вещества в ней не меняется), то объем ее, а значит, и скорость накопления энергии ядерного синтеза, возрастет в восемь раз. Но ведь поверхность звезды, через которую эта энергия должна удаляться, возрастает только в четыре раза (сравниваем зависимости объема и поверхности шара от радиуса), а она не всегда может пропустить через себя такое количество энергии. Таким образом, может наступить перегрев звезды — вот и причина ее раннего взрыва. (Еще раз подчеркнем, что рассуждения такого типа, размерные прикидки служат обязательным начальным импульсом для последующих более утонченных и несравнимо более трудоемких расчетов.)