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!

---

Любой электрический заряд, движущийся ускоренно, излучает электромагнитные волны. По аналогии, следует ожидать, что любая масса должна излучать при ускорении гравитационные волны, а распространяться они должны со скоростью света (эти волновые решения соответствуют уравнениям ОТО).

Такое излучение должно иметь место в системах двойных звезд: они быстро вращаются вокруг общего центра тяжести, а значит, испытывают центростремительное ускорение. Оно, конечно, должно происходить при взрыве и столкновении звезд, например нейтронных звезд и черных дыр.

Для фиксации такого излучения в ряде лабораторий установлены гравитационные детекторы — это массивные тела, часто монокристаллы, весом в тонны, малейшие синхронные колебания которых в разных местах Земли должны сигнализировать о приходе такой волны. Так что оставалось наблюдать и ждать… какого-нибудь взрыва.

Решение проблемы пришло с несколько иной стороны. В 1974 г. Джозеф X. Тейлор (р. 1941) и тогда еще его студент Рассел А. Халс (р. 1950) обнаружили, что интенсивность излучения открытого ими пульсара (он назывался PBR 1913+16) регулярно меняется с периодом в восемь часов. Это означало, что пульсар представляет собой двойную звезду, точнее, что он вращается вокруг какой-то другой звезды, которая тоже должна быть весьма массивной и компактной, т. е., скорее всего, тоже нейтронной звездой.

Изменения огромных взаимодействующих гравитационных полей двойного пульсара должны проявляться в излучении гравитационных волн, т. е. в уменьшении энергии этого поля. Действительно, измерение периодов обращения пульсара в течение четырех лет показало, что он уменьшается со скоростью 75 миллионных секунды в год. Уменьшение периода соответствует сближению обоих партнеров этой пары, которое с точностью не хуже 0,5 % соответствует предсказаниям ОТО по потере энергии на излучение гравитационных волн (Нобелевская премия 1993 г.).

Таким образом, впервые была установлена реальность существования гравитационных волн. А уже в конце 2002 г. С. Копейкин и Э. Фомалон (США) сумели впервые измерить скорость этих волн: их наблюдения напоминали наблюдения Эддингтона 1919 г., установившие отклонения света звезд в поле Солнца во время полного солнечного затмения, но если тогда сравнивались только два снимка — до затмения и в момент его максимума, то сейчас регистрировалась скорость уменьшения радиоизлучения квазара при прохождении Юпитера точно между ним и Землей вследствие взаимодействия радио-и гравитационных волн. И их скорости оказались, как и предполагал Эйнштейн, одинаковыми.

Гравитационные волны, конечно, тоже должны состоять из квантов, их называют гравитонами. Гравитоны, как мы говорили, должны иметь нулевую массу покоя и спин 2, их существования требует и теория калибровочной инвариантности, но до сих пор не просматривается никакая реальная возможность их непосредственного наблюдения.

8. Темная материя (?), темная энергия (??)

В 1937 г. выдающийся астрофизик Фриц Цвикки (1898–1974) показал, что наблюдаемая масса галактик много меньше той, которая требуется для объяснения их вращения: центростремительная сила и скорость вращения должны убывать от центра к периферии, а они остаются постоянными. Более того, наблюдаемая по свечению масса никак не может уберечь галактики от разлетания.

Значит, в галактиках присутствует некая скрытая, несветящаяся масса, восполняющая наблюдаемую?

Наблюдавшиеся позже облака водорода в галактиках, потухшие звезды и т. д. были не достаточными для объяснения этих эффектов. У многих исследователей получается даже, что на обычную материю в галактиках приходится лишь около 5 % всей массы, а около 25 % — это несветящая материя, участвующая только в гравитационных взаимодействиях и никак себя в остальном не проявляющая. На роль такой материи выдвигаются массивные нейтрино и другие еще не наблюдавшиеся частицы.

Но и это еще не все. Основная проблема космологии — вопрос о расширении Вселенной после Большого взрыва. Здесь возможны, как мы говорили, три модели: расширение продолжается вечно, расширение в какой-то момент должно смениться сжатием (начнется новый цикл существования Вселенной, закрытая модель), Вселенная достигнет какого-то стационарного состояния (нулевой кривизны). Выбор между моделями соответствует средней плотности Вселенной. Для нулевой модели она должна составлять около 5 атомов водорода в куб. метре.

Светящаяся масса составляет почти в 100 раз меньше, т. е. как будто Вселенная должна безудержно расширяться. Но наблюдаемые данные никак с этим не согласуются.

Еще в 1917 г. Эйнштейн феноменологически ввел в свои уравнения так называемый лямбда-член, дополнительную силу отталкивания на больших расстояниях, которая могла обеспечить стационарность Вселенной. Но в 1922 г., после работ Фридмана он отказался от этого решения и даже признавал его своей самой большой ошибкой.

Однако к 1998 г. ряд наблюдений показал, что постоянная Хаббла не является постоянной, а как будто меняется со временем, точнее — Вселенная расширяется с ускорением. Для объяснения такого ускорения приходится постулировать существование темной, т. е. «скрытой» энергии пространства и т. д.

Все эти построения пока что далеки от какого-либо завершения и общего признания, существуют и другие возможности типа видоизменения Закона Всемирного тяготения. Поэтому ограничимся ссылкой на популярное изложение этих теорий[67].

9. Что дальше?

Мы не можем предсказать общий тон науки будущего, так же как не можем предвидеть те открытия, которые принесет это будущее.

Дж. К. Максвелл

В теории частиц и полей и в космологии остается множество проблем, которые могут, в принципе, кардинально изменить лицо физики. Давайте просто перечислим некоторые из рассматриваемых сейчас возможностей, о которых ранее не упоминали или говорили слишком кратко.

Если Большой взрыв и последующее расширение Вселенной можно считать доказанными, то остаются такие возможности: расширение необратимо, и Мир будет продолжать всегда расширяться, возможно, с постепенным замедлением, или же расширение на каком-то этапе сменится сжатием с возможными повторениями, т. е. не исключено, что Вселенная осциллирует. Выбор между этими возможностями зависит от плотности материи во Вселенной, а для ее оценок нужно выявить всю «темную», несветящуюся материю. Как это сделать?

В момент Большого взрыва возник, точнее, развернулся мир с тремя пространственными и одной временной осью, но кто доказал, что этот мир 3 + 1 является единственно возможным?

Лет сто тому назад в околонаучной литературе были очень модными рассуждения о возможности четвертого пространственного измерения, которое мы, мод, не ощущаем, но которому можно приписать различные таинственные проявления. Вскоре, однако, было показано, что принцип Гюйгенса (он регулирует распространение волн) имеет место лишь в мирах с нечетным числом пространственных осей, т. е. четырехмерный мир невозможен.

Все же, можно предположить, что пространственных измерений на самом деле больше, но все остальные «свернуты», т. е. радиус трех из них пропорционален постоянной Хаббла, а радиус других остается на уровне микрочастиц. Тогда частицы можно рассматривать как окончания «струн», протянутых в этих свернутых измерениях. Некоторые из таких теорий обладают математически изяществом и позволяют строить непротиворечивые теории полей и частиц и избегать многих современных трудностей.

А в одной из теорий А. Д. Сахаров рассматривал случай возможности разворачивания и добавочных временных измерений. В другой, более ранней теории он строил гравитацию не как отдельное поле, а как результат поляризации пространства под действием вакуумных флуктуаций других полей.

Немало внимания уделяется и макроструктуре Вселенной: есть некоторые указания на то, что она отнюдь не однородна — можно выделить группы галактик, нечто вроде стенок между ними и т. д. А может, Больших взрывов было несколько?

Мы несколько раз говорили о том, что гравитационное взаимодействие уменьшает массу тел. Поэтому ее можно считать отрицательной, а тогда можно предположить, что полная масса Вселенной, масса «Папы-атома», равна нулю — масса (энергия) всех тел точно равна энергии их гравитационного взаимодействия. Далее, ясно, что полный электрический заряд Вселенной равен нулю — все тела вместе электрически нейтральны. А что же с остальными зарядами, барионным и лептонными?

Этот вопрос, проблема асимметрии Вселенной, очень беспокоит теоретиков: почему материи настолько больше, чем антиматерии, чему равнялся барионный заряд «Папы-атома»?

Реальны ли бозоны Хиггса, и каковы их свойства? Очень многое в теории покоится на гипотезе об их существовании. Существуют ли суперсимметричные партнеры известных частиц?