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!

---

Поскольку в сообщении было упомянуто, что первоначально астрономы Кембриджа не исключали возможности того, что сигналы посланы другой цивилизацией, вскоре там появились представители прессы. «Когда журналисты обнаружили, что здесь замешана женщина, они проявили еще большую активность. Меня фотографировали стоящей на стуле, сидящей на стуле, стоящей на стуле и рассматривающей какие-то диаграммы, сидящей на стуле, уставившись на какие-то диаграммы. Один из журналистов заставил меня бегать с воздетыми руками: глядите, друзья, я сделала настоящее открытие! (Архимед и не знал, чего ему в ту пору удалось избежать!) При этом журналисты расспрашивали меня о страшно важных вещах: например, выше я ростом или ниже, чем принцесса Маргарет».

Вскоре из разных мест земного шара стали поступать сообщения о вновь открываемых пульсарах, их нашли более трехсот с периодами от нескольких сотых до 4,3 секунды. Хотя по форме отдельные импульсы не вполне повторяют друг друга, период каждого пульсара отличается высоким постоянством.

В 1968 г. Томас Голд (р. 1920) предложил такую гипотезу: пульсары (латинское «пульсус» — удар, толчок) назвали так по ошибке, это быстро вращающиеся нейтронные звезды, у которых магнитная ось не совпадает с осью вращения. Поэтому направления импульсов их излучения колеблются в пространстве с частотой, совпадающей с частотой вращения (как у вращающегося проблескового маяка), а энергия импульсов черпается из энергии вращения нейтронной звезды. Вращение могло бы постепенно замедляться только из-за потерь энергии на излучение, хотя в действительности торможение сильнее — именно его энергия объясняет излучение всей туманности, в которой находится пульсар.

За открытие пульсаров Энтони Хьюиигу в 1974 г. была присуждена Нобелевская премия по физике — открытие действительно было выдающимся. Эту премию с ним разделил Мартин Райл (1918–1984), создавший тот самый радиотелескоп и открывший множество радиогалактик. (Райл получил также ряд аргументов в пользу нестационарной, т. е. расширяющейся модели Вселенной.) Но история пульсаров на этом не кончается: с ними связано и открытие гравитационного излучения — об этом ниже.

б. Черные дыры

Оставь надежду всяк сюда входящий.

Данте.

Божественная комедия. Ад

Черные дыры — это своеобразный триумф человеческой мысли, объект, который должен существовать, но который нельзя непосредственно увидеть. Наличие черных дыр — всего лишь одно из следствий ОТО Эйнштейна, призванное в случае своего обнаружения явиться одним из доказательств теории… Но астрофизики говорят об этих объектах все более и более уверенно — их местоположение выдают косвенные признаки.

Черная дыра — объект настолько плотный и массивный, что поле тяготения вокруг него «запирает» в своих объятиях не только любое материальное тело, но и световое излучение[66]. Границу области, которую не в силах покинуть даже фотоны, называют горизонтом событий, она определяется радиусом Шварцшильда, для которого вторая космическая скорость должна была бы превышать скорость света. Этот объект, непосредственно не наблюдаемый, должен обладать рядом парадоксальных свойств. «Выдать» черную дыру может поведение объектов, попавших в ее чудовищное поле тяготения, но еще не достигших горизонта событий. Так, именно ему приписывают интенсивное рентгеновское излучение в двойных звездных системах, вызванное тем, что черная дыра постепенно втягивает в себя и поглощает вещество звезды-компаньона: этот процесс наблюдается, по-видимому, около звезды XI созвездия Лебедя — такое излучение было открыто Рикардо Джиаккони (р. 1931, Нобелевская премия 2002 г.), одним из создателей космического телескопа «Хаббл».

К концу 2002 г. группа астрономов под руководством Райнера Шеделя из германского Института внеземной физики имени Макса Планка объявила о доказательстве наличия гигантской черной дыры в центре Галактики.

Центр нашей Галактики, Млечного Пути, расположенный в созвездии Стрельца, закрыт мощным скоплением межзвездной пыли, «угольным мешком», и поэтому может наблюдаться только в рентгеновском и инфракрасном диапазонах. Давно уже было признано, что в центре Галактики находится скопление особенно массивных объектов или одно сверхмассивное тело. А сравнительно недавно космическая рентгеновская обсерватория Чандра (так физики называли С. Чандрасекара) зафиксировала в этом направлении рентгеновскую вспышку продолжительностью в три часа: она могла означать только то, что какое-то тело (например, комета) попало в зону действия черной дыры и было поглощено ею. Но ведь зафиксировано только направление, а вдруг это объект, находящийся вне центра Галактики?

Группа Шеделя занималась еще и другим проявлением влияния возможной черной дыры (или скопления других тел?) в центре Галактики на звездные объекты — искажением траекторий близлежащих звезд. Для этого с 1992 г. в инфракрасном диапазоне и с помощью радиотелескопов велись наблюдения за движением звезды, которую обозначили как S2. Оказалось, что период ее обращения вокруг скрытой массы — 15,2 года, скорость на орбите 5 тыс км/с (!), а средний радиус орбиты всего в три раза превышает расстояние от Солнца до Плутона (период обращения Плутона вокруг Солнца — 248 лет, скорость на орбите — 4,7 км/с).

Звезда S2 могла выжить только при условии, что скрытый объект не только массивный (3,7 млн масс Солнца), но и сверхкомпактный — то есть один-единственный. Поэтому большинство астрономов полагает, что наличие черной дыры является единственной возможностью объяснить эти и другие данные наблюдений объектов в центре Галактики.

«Наша» черная дыра невелика по сравнению с ядрами других галактик и при этом относительно неактивна — центры других звездных систем, как правило, содержат в себе массы миллиардов звезд, жадно заглатывают вещество близлежащих звезд и преобразуют его частично в рентгеновское и радиоизлучение, заполняющее всю Вселенную. Крайний их случай — квазары (сокращение от «квази-звезды» — как бы звезды), нестационарные ядра далеких галактик, — самые мощные по излучению космические объекты.

Однако этими объектами возможности появления черных дыр отнюдь не исчерпываются. В 1963 г. Рой П. Керр (р. 1934) обобщил работу Шварцшильда по решению уравнений ОТО и рассмотрел черные дыры, которые вращаются вокруг оси, так что их линейная скорость у горизонта событий может приближаться к скорости света. Такие дыры обладают рядом своеобразных свойств: перед горизонтом событий у них должна существовать некая промежуточная область, эргосфера, в которой все попавшие туда тела должны вращаться, а гравитационная энергия связи может достигать 42 % всей массы покоя и превращаться в излучение.

Возможность (вероятно, и необходимость) существования другого вида незвездных черных дыр была выявлена Стивеном Хокингом. Он сумел объединить в некоторой мере эффекты ОТО и квантовой теории: согласно его теории, за счет гравитационной энергиивозможно рождение электрон-позитронных и других пар вблизи горизонта событий. Если при этом одна из частиц пары уходит за горизонт и становится невидимой, то другая может остаться вовне, аннигилировать с какой-нибудь иной частицей, а порожденное таким образом излучение укажет на существование черной дыры — по расчетам Хокинга дыра должна светиться как нагретое тело, с температурой, определяемой ее массой.

Стивен Хокинг (р. 1942), английский астрофизик, а начала 1960-х гг. заболел редкой и неизлечимой болезнью, приводящей к постепенной атрофии всей мускульной системы. Вскоре он смог шевелить лишь двумя пальцами правой руки, но продолжает работать и читать лекции (занимает кафедру Ньютона в Кембридже), любит путешествовать, передвигается и разговаривает с помощью сконструированного для него кресла и компьютера с синтезатором речи, оставаясь веселым и остроумным собеседником. Его популярная книга «Краткая история времени» стала всемирным бестселлером.

Хокинг также показал возможность того, что в момент Большого взрыва должны были возникнуть многочисленные мини-черные дыры с массой, равной массе, скажем, среднего астероида или меньше, но с размерами протона. Правда, такие мини-дыры, созданные в состоянии чрезвычайно высоких температур и плотности, должны были, в основном, исчезнуть за счет электрослабых взаимодействий, превосходящих при такой плотности сильные взаимодействия.

Теория черных дыр никак не может считаться законченной — она продолжает активно развиваться. Так, очень интересен вопрос об энтропии черных дыр: они ведь упорядочивают вещество вокруг себя — следовательно, с их ростом должна расти и энтропия. Яков Д. Беккенштейн (р. 1947) предлагает считать ее мерой площадь горизонта событий, тогда Второй закон термодинамики должен формулироваться так: сумма энтропии и площади горизонтов событий черных дыр не может убывать.