Страница 12 из 16
Используя справочные данные о размерах объектов Вселенной, Сухонос С. И. расположил их на шкале десятичных логарифмов (М-оси). И в результате выявлена поразительная закономерность: оказалось, что наиболее типичные объекты Вселенной занимают в своих средних размерах на М-оси места строго через 105. Более того, многие ключевые системные свойства объектов Вселенной (структурных и динамических) имеют подобие с коэффициентами 1010, 1015, 1020. Впервые эти результаты были опубликованы в научно-популярном журнале (1). Затем последовали еще две публикации (2,3), которые в сжатом виде показывали основные закономерности открытого явления. Такие закономерности не могли появиться в условиях неуправляемого Большого Взрыва.
Обсуждая беспредельную красоту нашего мира, ученые Г. Вейль, П. А. М. Дирак, В. Гейзенберг, Р. Фейнман и другие в XIX в. и в начале XX в. открыли так называемые большие числа – числа, имеющие огромные, «безмерные», с точки зрения современной физики, значения 1020, 1040, 1060, 1080, 10120 и т.д. (будем рассматривать их с точностью до порядка). Наиболее красивое объяснение проблемы больших чисел было предложено в 1937 году П. А. М. Дираком, связавшим все большие числа с космологическим временем управляемого Большого Взрыва, которое в атомных единицах также является одним из больших чисел. Эта замечательная идея Дирака дала мощный импульс развитию целого ряда программ – теорий гравитации с переменной гравитационной постоянной, геофизической теории расширяющейся Земли, исследованию изменения физических констант с космологическим временем, а также альтернативной антропной программе. Важнейшим аргументом против гипотезы Дирака является отсутствие на данный момент каких-либо хорошо установленных экспериментальных подтверждений изменения силы гравитационного взаимодействия. Вместе с тем, ученым не удалось до сих пор предложить иные физические объяснения появлению больших чисел, столь же простые и красивые, как идея Дирака.
Поскольку разные авторы анализировали разные большие числа и соотношения между ними, целесообразно рассмотреть их совокупность целиком. Г. Вейлем рассматривается первое соотнесение больших чисел между собой, Э. Милном была предложена идея зависимости гравитационной постоянной от времени.
К большим числам величия Вселенной относятся прежде всего параметры, характеризующие её в целом (для удобства будем рассматривать их с точностью до порядка):
1) Радиус наблюдаемой Вселенной:
R/ro ≈ 1040,
Где ro – так называемый радиус электрона ro = Ke2/mc2 (K – постоянная, зависящая от выбора электродинамических единиц).
2) Возраст Вселенной:
T/tо ≈ 1040,
где tо – так называемое атомное время tо = h/mc2, m – характерная масса элементарных частиц (обычно – электрона или протона).
3) Масса Вселенной, выраженная в массах протона:
M/mp ≈ 1080 = (1040)2.
Большие числа характеризуют и параметры звезд – основных материальных объектов Вселенной:
Массы звезд, выраженные в массах протона:
M*/mp ≈ 1060=(1040)3/2.
Наконец, одним из важнейших больших чисел является
4) Отношение электромагнитной и гравитационной сил между двумя частицами, например, между протоном и электроном:
5) Fэл/Fгр = Ke2/Gmemp ≈ 1040,
В некоторых соотношениях большие числа присутствуют в скрытом виде:
6) Gρ ≈ H2, где H – параметр Хаббла,
7) HT ≈ 1,
8) GR ≈ h2/m3,
9) G/ρ ≈ (h4/m6c2),
10) GM/Rc2 ≈ 1 и др.
С чем связано появление таких больших чисел в Природе? Среди больших чисел особое место занимает время существования Вселенной. В принципе само по себе оно не нуждается в объяснении – время постоянно увеличивается и таким образом достигло своего нынешнего значения. Чтобы измерять время нам приходится пользоваться некой единицей времени. В отличие от таких физических величин, как скорость, электрический заряд и другие, в настоящее время у нас нет столь же фундаментальной естественной единицы времени. Для измерения времени используются две различные шкалы – макрошкала (период вращения Земли и т.д.) и микрошкала, где в качестве единицы времени выбираются атомные единицы – время прохождения светом отрезка, равного комптоновской длине или "классическому" радиусу электрона или какой-либо другой частицы. В атомных единицах время существования Вселенной оказывается одним из больших чисел.
Параметры Вселенной, такие как ее наблюдаемый радиус, плотность, параметр Хаббла, также изменяются с течением времени. Поскольку они не являются случайными, а определяются космологическими законами, то большие числа, связанные с ними, оказываются таковыми просто из-за их связи с таким большим числом как время. Наряду с изменяющимися параметрами, стандартные космологические модели ошибочно предполагают наличие неизменных параметров, таких как масса Вселенной и сила гравитационного взаимодействия. В этой книге покажем их изменчивость во времени.
Глава 5. Как безмерно оно, притяжение земли
Гравитация – загадка до настоящего времени. Эта сила заставляет планеты оставаться вместе, звезды гореть, а также формирует орбиты, оставаясь при этом одной из самых слабых и распространенных сил в космосе. Ученые называют ещё большей загадкой источник гравитации вне материи, хотя создано и рассчитано множество моделей и уравнений, прогнозирующих гравитацию. Одни ученые полагают, что отвечают за формирование гравитации особые невероятно маленькие частицы – гравитоны. Никто не знает, могут ли они в принципе быть обнаружены.
Движение материальных объектов по орбите связывалось с гравитацией еще в античные времена. По-видимому, первым ясно высказал эту мысль греческий философ Анаксагор, выходец из Малой Азии, живший в Афинах почти две тысячи лет назад. Он говорил, что Луна, если бы не двигалась, упала бы на Землю, как падает камень из пращи.
Изучал инерцию и свободное падение тел Галилео Галилеи (1564–1642) – итальянский физик, механик, астроном, философ и математик, В частности, он заметил, что ускорение свободного падения не зависит от веса тела, таким образом опровергнув первое утверждение Аристотеля. В своей последней книге Галилей сформулировал правильные законы падения: скорость нарастает пропорционально времени, а путь – пропорционально квадрату времени. В соответствии со своим научным методом он тут же привёл опытные данные, подтверждающие открытые им законы. Более того, Галилей рассмотрел и обобщённую задачу: исследовать поведение падающего тела с ненулевой горизонтальной начальной скоростью. Он совершенно правильно предположил, что полёт такого тела будет представлять собой суперпозицию (наложение) двух «простых движений»: равномерного горизонтального движения по инерции и равноускоренного вертикального падения. Галилей доказал, что любое брошенное под углом к горизонту тело летит по параболе. В истории науки – это первая решённая задача динамики. В заключение исследования Галилей доказал, что максимальная дальность полёта брошенного тела достигается для угла броска 45°. На основе своей модели Галилей составил первые артиллерийские таблицы. Галилей опроверг и второй из приведённых законов Аристотеля, сформулировав закон инерции: при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо равномерно движется. Общепризнанно, что само понятие «движение по инерции» впервые введено Галилеем, и первый закон механики по справедливости носит его имя.
Одним из отцов физики, в особенности экспериментальной, по праву считается Роберт Гук (1635–1703) – английский естествоиспытатель, учёный-энциклопедист. Идею об универсальной силе тяготения, следуя Кеплеру, Гук воспринял с середины 1660-х годов, затем, ещё в недостаточно определённой форме, он выразил её в 1674 в трактате «Попытка доказательства движения Земли», но уже в письме 6 января 1680 года Ньютону Гук впервые ясно формулирует закон «всемирного» тяготения и предлагает Ньютону, как математически более компетентному исследователю, строго математически обосновать его, показав связь с первым законом Кеплера для некруговых орбит. С этого письма, насколько сейчас известно, начинается документальная история закона «всемирного» тяготения, принадлежат некоторые работы по тяготению, предшествовавшие результатам Гука.