Массы небесных тел как бы «продавливают» пространство в модели гравитации Эйнштейна

Создав теорию, основанную на понятии пространства‑времени Минковского, получившую название «специальной теории относительности», сокращенно «СТО», Эйнштейн приступил к разработке новой теории гравитации. Великий физик назвал ее «общей теорией относительности», или «ОТО», и всегда считал ее своим наивысшим достижением, включившим в себя теорию всемирного тяготения Ньютона как частный случай. В основе ОТО лежит образ пространства Минковского, искаженного материальными телами, наподобие деформации, создаваемой свинцовыми шариками на резиновой пленке.

 

Искусственная невесомость

При разработке своей теории гравитации Эйнштейн прежде всего обратил внимание на то, что всепроникающее тяготение одинаково действует на все тела. Оно сообщает любым массам абсолютно одинаковые ускорения совершенно независимо от их вида, строения, химического состава и других свойств. Тут Эйнштейн заметил поразительную природную закономерность, которую он развил в важнейший физический принцип ОТО, – эквивалентность инертной и гравитационной масс. Инертная масса входит в три школьных закона Ньютона, а гравитационная – в его же закон всемирного тяготения. Сам Эйнштейн неоднократно вспоминал, что к принципу эквивалентности его привели наблюдения поведения тел в обыкновенном лифте. К примеру, в свободно падающем лифте наступит состояние искусственной невесомости, которое часто используют для тренировок космонавтов.

 

Центрифуга в Тренировочном центре космонавтов им. Ю. А. Гагарина (Россия)

Центрифуга, карусель, ротор, юла, волчок – во всех этих вращающихся телах и механизмах происходит своеобразный переход сил инерции в силы искусственной гравитации. Так, в тренировочной центрифуге космонавты не только привыкают к перегрузкам старта и спуска, но и пытаются почувствовать себя в глубинах атмосферы газовых гигантов – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.

 

 

Вариант геометрии вакуума

 

Фрактальное множество (компьютерная графика)

 

Фрактальный образ Вселенского Древа

 

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ЭРА НОВОЙ НАУКИ

 

Можно понять, какое существенное влияние было оказано на само направление развития человеческих знаний в тот день, когда кванты исподтишка вошли в науку. В тот самый день величественное и грандиозное здание классической физики было потрясено до самого основания, хотя никто тогда еще и не отдавал себе ясного отчета в этом. В истории науки не много было подземных толчков, сравнимых по силе с этим.

Луи де Бройль, нобелевский лауреат, основатель волновой квантовой механики

 

Сегодня квантовая теория привела нас к более глубокому пониманию: она установила более тесную связь между статистикой и основами физики. Это является событием в истории человеческого мышления, значение которого выходит за пределы самой науки.

Макс Борн, один из основоположников квантовой физики

 

Настоящая глава – это краткий экскурс в бурный период становления современной физики. Это был этап глубоких исканий, заблуждений и противоречий, изменивший лицо человеческого общества. Период, предвосхитивший эпоху новой науки, когда человечество все чаще вынуждено решать, на какое направление ее развития следует наложить запрет и как убедить или даже заставить повиноваться этому запрету многотысячную интернациональную армию исследователей.

 

УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ КАТАСТРОФА

 

Студентам моего времени посчастливилось слышать историю возникновения новой физики двадцатого века из уст крупнейших советских ученых с мировым именем, таких, как Антон Карлович Вальтер, Моисей Исаакович Каганов, Арнольд Маркович Косевич, Эммануил Айзикович Канер, Валентин Григорьевич Песчанский, Виктор Моисеевич Цукерник, Лев Самойлович Палатник, Игорь Иванович Фалько.

Больше всего мне запомнилось, как начинал этот раздел своего лекционного курса один из самых видных теоретиков прошлого века, академик А. И. Ахиезер, а начинал он его с риторического вопроса: как правильно рассказать о той «драме идей», по словам Альберта Эйнштейна, которая сопровождала мучительное рождение нового знания о природе окружающего мира? Ну а дальше, будучи блестящим лектором, Александр Ильич погружал нас в один из самых таинственных и притягательных разделов физики, которым уже долгое время (практически с момента возникновения) остается квантовая механика. Второе название данной области науки – волновая механика. Это теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также общую связь величин, характеризующих микромир частиц, с физическими величинами окружающего нас большого мира (макромира).

В классической физике Лагранж, Гук и Ньютон рассматривали окружающую природу как абстрактный мир бильярдных шаров с абсолютно точными пространственными координатами и скоростями.

Опыт показывает, что такое описание не всегда справедливо для микромира элементарных частиц. Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной Планка, которая называется также квантом действия и разбивает все окружающие потоки энергии на мельчайшие порции – кванты энергии. Обычно последние называют просто квантами и говорят, что энергия квантована. Отношение между классической и квантовой физикой наглядно иллюстрирует очень простой пример из геометрии. Как непрерывные линии и поверхности состоят из невидимых точек, так непрерывные процессы в природе квантуемы и состоят из квантов.

Впервые понятие квантов было введено в 1900 году выдающимся немецким физиком Максом Карлом Эрнстом Людвигом Планком в работе, посвященной решению парадокса теплового излучения. Существовавшая в то время теория теплового излучения абсолютно черного тела (АЧТ), построенная на основе классической электродинамики и статистической физики, приводила к противоречию. Чтобы его разрешить, Планк предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями энергии – квантами. Итак, попробуем приглядеться к одной из самых глубоких трещин на монументе классической физики.

В конце девятнадцатого века многие физики усиленно пытались найти распределение излучения абсолютно черного тела. Моделью АЧТ является замкнутая полость с небольшим отверстием. Главной особенностью АЧТ является то, что любое излучение, попавшее внутрь через узкую горловину, будет многократно отражаться от внутренней поверхности, прежде чем сможет выйти обратно. Хорошей моделью АЧТ служит обычная мартеновская печь с литовкой – отверстием для потока металла.

Вам наверняка доводилось видеть что‑то похожее на черное тело. В очаге, например, случается, что несколько поленьев сложатся практически вплотную, а внутри них выгорит довольно большая полость. Снаружи поленья остаются темными и не светятся, в то время как внутри выгоревшей полости накапливаются жар (инфракрасное излучение) и свет, и, прежде чем вырваться наружу, эти лучи многократно отражаются от стен полости. Если заглянуть в щель между такими поленьями, вы увидите яркое желто‑оранжевое высокотемпературное свечение, и оттуда на вас буквально полыхнет жаром. Просто лучи на какое‑то время оказались пойманными в ловушку между поленьями.

Понаблюдаем за излучением мартеновской печи. После заправки металла, кокса и различных добавок для получения нужного сорта стали мартеновская печь начинает интенсивно разогреваться. При этом литовка (отверстие для слива расплава) светится сначала багряно‑красным цветом, затем ярко‑красным и наконец перед самым выходом металла – ослепительно белым.

Все законы теплового излучения в девятнадцатом веке были установлены именно для АЧТ, поскольку именно для них можно четко выделить зависимость светимости от температуры. Это понятно, ведь все волны после долгого блуждания внутри полости АЧТ выходят одинаковыми, как фарш из мясорубки!

Один из таких законов носит название закона Стефана – Больцмана по имени открывших его ученых и связывает энергию, испускаемую АЧТ, с четвертой степенью его температуры. Второй закон, получивший имя Вина, в честь австрийского физика, гласит, что чем выше температура АЧТ, тем короче длина его волны. Ну а поскольку длина световой волны растет от ультрафиолета (ему мы обязаны загаром) до инфракрасного света (им обогревают помещения и используют в приборах ночного видения), то при высокой температуре ослепительное белое сияние вроде бы должно постепенно сменяться фиолетовым свечением. Однако ни в мартеновских печах, ни в самых ярких кострах мы никогда не увидим подобного перехода. В чем же дело?

Через некоторое время интенсивность испускания и поглощения лучей внутри АЧТ уравниваются. Вот до этого момента поведение АЧТ остается еще достаточно понятным. Проблемы начинают возникать при попытках подсчитать энергию излучения, сохраняемую внутри абсолютно черного тела в равновесном состоянии. И скоро выяснились две вещи. Во‑первых, чем выше волновая частота лучей, тем больше их накапливается внутри черного тела. Во‑вторых, чем выше частота волны, тем большую энергию она несет и, соответственно, тем больше ее сохраняется внутри черного тела.

Напомним, что такое спектр излучения. Обычно мы называем спектром цветную полосу, образованную лучами света после прохождения через стеклянную призму. При этом надо уточнить, что свет по своей природе представляет собой электромагнитное излучение, или же электромагнитные волны, распространяющиеся посредством электромагнитных полей. Электромагнитные волны строго определенной длины (или частоты) называют монохроматическими, что можно перевести с латыни как «единоцветные».

Таким образом, спектр электромагнитного излучения – это разделение излучения таким образом, что по каждому направлению распространяется монохроматическая волна. Конечно же, вовсе не обязательно применять понятие «спектр» только к электромагнитному излучению. Общее определение гласит, что спектр – это совокупность частот (длин) волн, содержащихся в каком‑либо излучении, или даже еще более общее, математическое: спектр – это совокупность значений какой‑либо величины.

Нельзя не сказать еще несколько слов о роли столь значительного объекта, как спектр, в истории физики. Именно он часто играет роль проницательного детектива, исследующего с помощью своего замечательного метода – спектрального анализа – самые запутанные физические парадоксы и теории. На его счету раскрытие тайн звездного света и открытие нового элемента в атмосфере Солнца, он работает в школьных кабинетах физики и настоящих криминалистических лабораториях, управляет сверхчувствительными комплексами уникального оборудования на межпланетных автоматических станциях и помогает открыть секреты древней булатной стали.

Именно спектральный анализ излучения АЧТ привел к самым настоящим катастрофическим последствиям для всей классической физики. Согласно классической механике и теории электромагнитного излучения, созданной великим шотландским ученым Джеймсом Кларком Максвеллом, вся энергия АЧТ должна быть поделена между всеми волнами самой различной длины, заполняющими внутреннюю полость. Поскольку, согласно закону Вина, максимум энергии приходится на самую коротковолновую – ультрафиолетовую часть спектра, то все нагретые тела должны светить не красным или белым, а невидимым ультрафиолетовым светом. Естественно, что такой результат, полученный впервые знаменитым английским ученым лордом Релеем, грубо противоречил наблюдаемой действительности. Вместе эти заключения привели к немыслимому результату: энергия излучения внутри черного тела должна стремиться к бесконечности! Эта злая насмешка над законами классической физики была окрещена ультрафиолетовой катастрофой, поскольку высокочастотное излучение лежит в ультрафиолетовой части спектра. На самом деле закон Вина распространяется лишь на цвет, соответствующий максимальной яркости излучения, при этом предполагается, что в общем потоке присутствуют все цвета с большими длинами волн. При нагревании АЧТ цветовая гамма излучения расширяется в коротковолновую часть, естественно сливаясь при этом в единый цвет.