Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать

• Название: Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать
• Автор: Брайан Кокс
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-00057-950-3

Эта книга поможет понять теорию относительности и проникнуть в смысл самого известного в мире уравнения. Своей теорией пространства и времени Эйнштейн заложил фундамент, на котором зиждется вся современная физика. Пытаясь постичь природу, физики и сегодня создают теории, которые иногда в корне меняют нашу жизнь. О том, как они это делают, рассказывается в этой книге.

Книга будет полезна всем, кто интересуется устройством мира.

---

Безусловно, проблема такой картины в том, что Земля не покоится неподвижно в центре Вселенной, а представляет собой вращающийся шар, движущийся по орбите вокруг Солнца. Фактически Земля движется относительно Солнца со скоростью около 107 тысяч километров в час. Если вы ляжете вечером в постель и проспите восемь часов, то к моменту пробуждения переместитесь более чем на 800 тысяч километров. Вы даже вправе заявить, что примерно через 365 дней ваша спальня вновь окажется в той же точке пространства, так как Земля завершит полный оборот вокруг Солнца. Следовательно, вы можете решить лишь немного изменить картину Аристотеля, оставив нетронутым сам дух его учения. Почему бы просто не перенести центр координатной сетки на Солнце? Увы, эта достаточно простая мысль тоже неверна, поскольку Солнце также движется по орбите вокруг центра Млечного Пути. Млечный Путь – это наш локальный остров во Вселенной, состоящий из более чем 200 миллиардов звезд. Только представьте, насколько велика наша Галактика и сколько времени требуется, чтобы ее обойти. Солнце с Землей на буксире двигается по Млечному Пути со скоростью около 782 тысячи километров в час на расстоянии примерно в 250 квадриллионов километров от центра Галактики. При подобной скорости понадобится около 226 миллионов лет, чтобы совершить полный оборот. В таком случае, может, достаточно будет еще одного шага, чтобы сохранить картину мира Аристотеля? Разместим начало сетки в центре Млечного Пути и посмотрим, что же было в вашей спальне, когда место, в котором она находится, пребывало в этой точке пространства в прошлый раз. А в прошлый раз на этом месте динозавр ранним утром поглощал листья доисторических деревьев. Но и эта картина ошибочна. В действительности галактики «разбегаются», удаляясь друг от друга, и чем дальше от нас расположена галактика, тем быстрее она удаляется. Наше движение среди мириады галактик, образующих Вселенную, представить себе крайне трудно.

Так что в картине мира Аристотеля наблюдается явная проблема, поскольку она не позволяет точно определить, что значит «оставаться в неподвижности». Другими словами, невозможно рассчитать, где нужно разместить центр воображаемой координатной сетки, а стало быть, и решить, что находится в движении, а что стоит на месте. Самому Аристотелю не приходилось сталкиваться с данной проблемой, потому что его картина неподвижной Земли, окруженной вращающимися сферами, не оспаривалась почти две тысячи лет. Наверное, это следовало сделать, но, как мы уже говорили, подобные вещи не всегда очевидны даже для величайших умов. Клавдий Птолемей, которого мы знаем как просто Птолемея, работал во II столетии в великой Александрийской библиотеке и внимательно изучал ночное небо. Ученого беспокоило на первый взгляд необычное движение пяти известных на то время планет, или «блуждающих звезд» (название, от которого произошло слово «планета»). Многомесячные наблюдения с Земли показывали, что планеты не движутся на фоне звезд по ровному пути, а выписывают странные петли. Это необычное движение, обозначаемое термином «ретроградное», было известно за много тысячелетий до Птолемея. Древние египтяне описывали Марс как планету, которая «движется назад». Птолемей был согласен с Аристотелем в том, что планеты вращаются вокруг неподвижной Земли, но, чтобы объяснить ретроградное движение, ему пришлось прикрепить планеты к эксцентричным вращающимся колесам, которые, в свою очередь, были прикреплены к вращающимся сферам. Такая весьма сложная, но далеко не элегантная модель позволяла объяснить движение планет по небу. Истинного объяснения ретроградного движения пришлось ждать до середины XVI века, когда Николай Коперник предложил более изящную (и более точную) версию, заключавшуюся в том, что Земля не покоится в центре Вселенной, а вращается вокруг Солнца вместе с остальными планетами. У работы Коперника нашлись серьезные противники, поэтому она была запрещена католической церковью, и запрет был снят только в 1835 году. Точные измерения Тихо Браге и работы Иоганна Кеплера, Галилео Галилея и Исаака Ньютона не только полностью подтвердили правоту Коперника, но и привели к созданию теории движения планет в виде законов Ньютона о движении и гравитации. Эти законы представляли собой лучшее описание движения «блуждающих звезд» и вообще всех объектов (от вращающихся галактик до артиллерийских снарядов) под воздействием гравитации. Такую картину мира не ставили под сомнение до 1915 года, когда была сформулирована общая теория относительности Эйнштейна.

Постоянно меняющееся представление о положении Земли, планет и их движении по небу должно послужить уроком для тех, кто абсолютно убежден в каком-то своем знании. Есть много теорий об окружающем мире, которые на первый взгляд кажутся самоочевидной истиной, и одна из них – о нашей неподвижности. Будущие наблюдения могут нас удивить и озадачить, что во многих случаях и происходит. Хотя мы не должны болезненно реагировать на то, что природа часто вступает в противоречие с интуитивными представлениями племени наблюдательных потомков приматов, представляющих собой углеродную форму жизни на небольшой каменной планете, вращающейся вокруг ничем не примечательной немолодой звезды на задворках Млечного Пути. Теории пространства и времени, которые мы обсуждаем в этой книге, на самом деле могут оказаться (и, скорее всего, окажутся) не более чем частными случаями пока еще не сформулированной более глубокой теории. Наука приветствует неопределенность и признает, что это ключ к новым открытиям.

Галилео Галилей, родившийся через 20 лет после того, как Коперник предложил свою гелиоцентрическую модель Вселенной, глубоко задумывался о смысле движения. По всей вероятности, его интуитивные представления не отличались от наших: хотя Земля кажется статичной, движение планет в небе – очень серьезный довод против этого. В момент великого озарения Галилей сделал чрезвычайно важный вывод из этого парадокса. Мы считаем, что неподвижны, хотя на самом деле движемся по орбите вокруг Солнца, поскольку не существует никакого способа даже теоретически решить, что именно находится в состоянии покоя, а что движется. Иными словами, имеет смысл говорить только о движении относительно чего-то еще. Это крайне важная концепция, но для того чтобы оценить ее в полной мере, необходимо немного поразмышлять. Она кажется очевидной, потому что, когда вы сидите с книгой в самолете, книга неподвижна относительно вас. Если вы положите ее на столик перед собой, расстояние между вами и нею меняться не будет. И конечно, с точки зрения человека на земле книга движется по воздуху вместе с самолетом. Истинный смысл озарения Галилея в том, что эти утверждения – все, что мы можем сказать. А если все, что мы можем сказать о книге, – это то, как она движется относительно вас, когда вы сидите в кресле самолета, или относительно земной поверхности, или относительно Солнца или Млечного Пути (всегда относительно чего-то другого), то абсолютное движение становится бесполезной концепцией.

Это довольно провокационное утверждение звучит достаточно поверхностно, как часто бывает с изречениями в стиле дзен, которые произносят предсказатели. Однако в данном случае речь идет о действительно великом озарении – Галилей достоин своей репутации. Чтобы понять, почему, давайте попытаемся определить, полезна ли с научной точки зрения сетка координат Аристотеля, которая позволила бы нам судить, находится что-либо в абсолютном покое или в абсолютном движении. Польза с научной точки зрения означает, что идея имеет наблюдаемые последствия, другими словами, что присутствует некий эффект, который может быть выявлен путем эксперимента. Под экспериментом мы подразумеваем любые измерения: качания маятника, цвета пламени свечи или столкновения субатомных частиц в БАК (мы еще вернемся к этой теме). Если у идеи нет наблюдаемых последствий, то она не нужна для понимания устройства Вселенной, хотя и может иметь некую призрачную ценность.

Это очень эффективный способ отделить зерна от плевел в мире, изобилующем разнообразными идеями и мнениями. Посредством аналогии с фарфоровым чайником философ Бертран Рассел[3] проиллюстрировал бесполезность концепций, не имеющих наблюдаемых последствий. Рассел заявил, что, по его мнению, между Землей и Марсом по орбите летает маленький фарфоровый чайник, который настолько крохотный, что его не могут обнаружить даже самые мощные из существующих телескопов. Если же будет построен телескоп побольше и после исчерпывающего (и требующего массы времени) изучения всего неба он тоже не найдет никаких доказательств существования такого чайника, Рассел заявит, что чайник немного меньше, чем ожидалось, но все еще находится там. Хотя чайник может так и остаться необнаруженным, по мнению Рассела, со стороны рода человеческого было бы неприемлемо сомневаться в его существовании.