Страница 2 из 16
В настоящей книге делается попытка объединения древних и современных знаний в единую целостную концепцию. Рассмотрение вопросов происхождения и развития Вселенной ведётся начиная с формирования атомов, газовых туманностей, звёзд, галактик, планетарных систем, возникновения органической жизни на Земле и её развития до разумных форм и социальной жизни. Для полноты картины автор использовал в этой книге некоторые материалы из своих предыдущих книг [2] и [24].
Те, кого мало интересует физика явлений, могут начинать чтение в другой последовательности: со второй или даже с третьей главы без ущерба для понимания последующего.
Глава 1. Физика и астрофизика. Тупики и перспективы
1.1 Теория относительности Эйнштейна
В классической физике предполагалось, что Вселенная существует вечно и безгранична в пространстве, которое заполнено однородным и неподвижным эфиром. В нём свободно без трения перемещаются тела и распространяются электромагнитные волны. Скорость их распространения в эфире постоянна и равна С. А скорость распространения волн относительно тел, движущихся в эфире со скоростью ±V, равна С ± V. Но опыты Майкельсона, Морли показали, что свет проходит между зеркалами, установленными на жёсткой основе за одинаковое время, независимо от того, размещены ли они вдоль направления движения Земли или поперёк него. Для объяснения этого было высказано предположение, что эфир увлекается движущимися телами, однако и оно было опровергнуто другими опытами.
В результате в физике наступил кризис понимания того, как устроен материальный мир. Для объяснения опытов Майкельсона и Морли два других физика, Фитцджеральд и Лоренц, выдвинули гипотезу о сокращении материальных тел в направлении их движения в эфире, который неподвижен и не увлекается телами. Но целостной физической теории они не создали. Это сделал Альберт Эйнштейн на основе радикального предположения, что эфира нет и свет распространяется в пустоте с постоянной скоростью относительно любых тел, независимо от направления и скорости их движения.
Теория относительности Эйнштейна, основанная на этом постулате, ломала все установившиеся представления об устройстве Вселенной и её законах. Абсолютное движение относительно неподвижного эфира, заполняющего пространство, перестало существовать. Движение в теории Эйнштейна стало, если можно так выразиться, абсолютно относительным. Согласно его теории, нельзя сказать, что тело движется или покоится. Можно говорить только о движении или покое тел друг относительно друга. Вместе с тем это как бы несуществующее движение порождает совершенно неожиданные явления.
В объекте, который движется относительно другого, время течёт медленнее, чем в том, относительно которого он движется, масса движущегося тела возрастает, и его размеры изменяются (сокращаются вдоль направления движения и увеличиваются поперек него). Дальнейшее развитие теории относительности Эйнштейном охватило неинерциальные движения (с ускорением и замедлением), гравитацию, а также пространство и время. В соответствии с этим теорию относительности Эйнштейна разделили на специальную и общую. Но мы будем говорить о ней в целом, используя в качестве сокращённого обозначения ТЭ.
Для того чтобы новая теория была принята взамен старой, к ней предъявляется ряд требований. Во-первых, она должна объяснять то, что объясняла старая, во-вторых – то, что старая объяснить не могла, и, в-третьих, предсказывать новые, до того неизвестные явления. Последнее считается особо важным качеством теории, претендующей на признание. И начало широкому признанию теории Эйнштейна положило предсказанное ею отклонение луча света при прохождении возле массивного тела, которое наблюдалось близ Солнца во время затмения. Его объяснили искривлением пространства, которое в теории Эйнштейна заменяет гравитационное притяжение тел. Казалось бы, этот результат мог интересовать только физиков-теоретиков, но он получил широкую огласку, всколыхнул всё общество и стал мировой сенсацией. О теории относительности Эйнштейна писали в газетах, её обсуждали в научных кругах, в светских салонах и в кругу простых людей (как говорили тогда – кучеров и прачек).
Это соответствовало общему настроению начала XX века, когда общество пребывало в ожидании радикальных перемен во всём, в том числе в науке и искусстве. Но многие физики противились радикальной ломке представлений, на которых зиждилось их мировоззрение. Да и сам Эйнштейн не от всего был готов отказаться. В частности, он, как его предшественники и современники, полагал, что Вселенная вечна, безгранична и стационарна. Однако советский физик Фридман показал, что из уравнений Эйнштейна следует нестационарность материальной Вселенной. Что она должна либо расширяться, либо сжиматься. Сам Эйнштейн долго не соглашался с этим и даже ввёл в свои уравнения член, позволявший сделать Вселенную стационарной. Разошлись по этому вопросу и мнения физиков.
Но через несколько десятилетий конец спорам и сомнениям положил американский астроном Хаббл. Он обнаружил красное смещение спектров излучения галактик – тем большее, чем дальше от нас они находятся. Красное смещение объяснили эффектом Доплера, вызванным разлётом галактик[2]. Это посчитали признаком расширения Вселенной и подтверждением справедливости как вывода Фридмана, так и теории относительности Эйнштейна, и она была положена в основу представлений о происхождении и эволюции Вселенной. А Эйнштейн вернул своё уравнение к первоначальному виду и до конца жизни считал наибольшей своей ошибкой введение в это уравнение члена, делавшего Вселенную стационарной.
Принятие этого уравнения полностью меняло существовавшее дотоле научное мировоззрение. Из него следовало, что Вселенная существовала не всегда. Что когда-то Вселенная была сосредоточена в исчезающе малом объёме (меньшем атомного ядра) и теперь занимает сферу ограниченного размера. Наблюдательная астрофизика стала факт за фактом и дальше подтверждать выводы ТЭ. Расстояние до максимально удалённых от нас видимых звёзд оказалось конечным и равным 13,4 млрд световых лет. А с несколько более далёкого расстояния (13,8 млрд световых лет) к нам со всех сторон приходит реликтовое электромагнитное излучение, возникшее первым после так называемого Большого взрыва. Отсюда были сделаны выводы как о возрасте Вселенной, не превышающем 14 млрд лет, так и о её ограниченном размере, имеющем вид сферы радиусом около 14 млрд световых лет, за пределами которой нет ничего, даже пространства. Хотя это противоречило интуитивным представлениям людей больше, чем наивное библейское, изображённое на картине, где любопытный человек высовывает голову за пределы звёздной сферы и видит там пустое пространство.
А когда начались ядерные исследования, стали подтверждаться и другие предсказания ТЭ. Подтвердилась эквивалентность массы и энергии, определяющаяся знаменитой формулой Эйнштейна Е = mс2. А в мощных ускорителях частицы невозможно было разогнать до скорости света, что было объяснено увеличением их массы, которая, согласно ТЭ, при приближении к скорости света должна была возрастать до бесконечности. Подтвердилось и предсказание ТЭ о замедлении времени в движущихся объектах: частицы, быстро распадающиеся в обычных условиях, при высоких скоростях движения во много раз увеличивали своё время жизни. А когда начались исследования в космосе, то с помощью сверхточных атомных часов было обнаружено замедление времени и на движущихся относительно Земли спутниках.
Можно ли было сомневаться в верности такой теории? Конечно, нет! Но тем не менее скептики оставались и приводили следующие возражения против ТЭ. Ещё в 1676 году датский астроном Оле Рёмер на основе наблюдений, проведенных в Парижской обсерватории, установил, что период обращения спутника Юпитера Ио зависит от того, движется Земля к Юпитеру или от него. Разница составляла 30 секунд. Это наблюдение многократно подтверждалось астрономами впоследствии. Его можно объяснить только тем, что скорость света, идущего от Ио, складывается со скоростью Земли при её движении к Юпитеру и вычитается при движении от него, как это следует из законов классической механики, но противоречит ТЭ.
2
Эффект Доплера заключается в том, что волны, излучаемые источником, движущимся относительно приёмника, регистрируется как более длинные при удалении источника и как более короткие при его приближении. Поэтому тон гудка проезжающего мимо вас транспорта меняется с более высокого при его приближении на более низкий при удалении.