22 Сен

ВСЕЛЕННАЯ: ОТ МИФОВ ДО …? Часть 2 От Ньютона до Эйнштейна, от Эйнштейна до ….




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

На протяжении более двухсот лет после Ньютона физики и астрономы предлагали различные пути усовершенствования ньютоновской модели Вселенной и теории тяготения. Первую концепцию развивающейся Вселенной предложил философ Иммануил Кант (1724 – 1804). Основные его идеи сводятся к следующим положениям:

  1. Млечный Путь – это бесчисленное множество миров и систем.
  2. Движение во Вселенной имеет естественную причину возникновения, в частности, планеты, вращающиеся вокруг Солнца, возникли в результате «борения» притяжения и отталкивания.
  3. Разумная жизнь существует в космосе не везде, хотя большинство планет обитаемы.

Свое видение эволюции Вселенной разработал французский математик, механик, физик и астроном Лаплас. Свою теорию Лаплас построил на основе строгих научных фактов и их анализе. Многие его прогнозы впоследствии нашли блестящее подтверждение, например, собственное вращение Солнца, обнаружены «двойные звезды», существование сверхплотных космических тел.

Главное отличие гипотез Канта и Лапласа заключается в начальном состоянии вещества. У Канта – пыль, у Лапласа – горячая газовая туманность. Впоследствии обе гипотезы были объединены в единую гипотезу Канта-Лапласа, но главным было постепенное качественное изменение космической материи под влиянием сил гравитации.

В 1676 году датский астроном Рёмер, наблюдая затмения спутников Юпитера, установил, что свет распространяется хотя и очень быстро, но все-таки с конечной скоростью. Измеренная им скорость составила 225 000 км/сек, что меньше чем измеренная современными средствами – около 300 000 км/сек. Это стало первым шагом на пути, который привел к пересмотру теории Ньютона, хотя в то время не были даже опубликованы «Начала».

В 1865 году Максвелл, изучая электрические и магнитные силы, сумел описать единой системой уравнений электрические и магнитные явления. Из этих уравнений следовало, что существует нечто, которое Максвелл назвал электромагнитным полем. Электромагнитное поле распространяется в пространстве волнообразно с постоянной скоростью. Вычислив эту скорость Максвелл обнаружил, что она совпадает со скоростью света. В зависимости от длины волны (расстояния между ее соседними гребнями или впадинами) электромагнитные волны воспринимаются нашим глазом как видимый свет.

Постоянная скорость электромагнитных волн плохо согласовывалась с теорией Ньютона. Разберем это подробнее на следующем примере. Предположим, что Вы идете по вагону поезда по ходу движения со скоростью 6 км/час. Поезд движется со скоростью 60 км/час. Это означает, что поезд движется с такой скоростью относительно неподвижного наблюдателя, стоящего на платформе. Но с какой скоростью двигаетесь Вы? Относительно Вашего попутчика, сидящего в Вашем же купе со скоростью 6 км/час. А относительно неподвижного наблюдателя, стоящего на платформе, со скоростью 66 км/час (60 +6). Т.е. без абсолютного стандарта покоя нельзя определить Вашу абсолютную скорость. Одно и то же тело имеет разную скорость в различных системах отсчета. По теории Ньютона то же самое должно относиться и к свету. Тогда как же рассматривать вывод из уравнений Максвелла о том, что электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью.

Чтобы примирить этот факт с теорией Ньютона было выдвинуто предположение о существовании даже в вакууме некоторой среды, названной «эфир», в которой распространяются электромагнитные волны. Подобно морским волнам, которые распространяются по воде, или воздуху, где распространяются звуковые волны. При этом свойства эфира были в некотором роде противоречивы. Так с одной стороны он должен быть весьма упругим, чтобы в нем могли распространяться электромагнитные колебания (известно, что колебания лучше распространяются в более упругих средах, например, звук лучше будет распространяться в металлическом стержне, нежели в воздухе). С другой стороны, он невидим, прозрачен и проницаем для обычных тел. В конце XIX у части физиков существовало мнение, что обычное вещество – это концентрированный эфир.

Скорость электромагнитных волн измеряется относительно эфира. Тогда разные наблюдатели фиксировали бы разные значения скорости света, но относительно эфира она оставалась бы постоянной. Тогда, двигаясь сквозь эфир навстречу источнику света, мы бы фиксировали, что свет приближается к нам со скоростью большей, чем в случае, когда мы неподвижны. Правда, зафиксировать такое изменение сложно, потому что наша скорость неизмеримо ниже скорости света.

В 1887 году американские физики Майкельсон и Морли провели очень тонкий эксперимент. Идея эксперимента заключалась в том, что Земля, следовательно, и их лаборатория движется сквозь эфир вокруг Солнца со скоростью 30 км/сек. Немного по сравнению со скоростью света, но ничего быстрее в их распоряжении не было. Нужно только измерить скорость света в направлении движения Земли через эфир (движение к источнику света) и в перпендикулярном направлении (мы не приближаемся к источнику света). Каково же было их удивление, когда они обнаружили, что скорость света в обоих направлениях ОДИНАКОВА.

Было несколько попыток спасти теорию эфира. Наиболее интересной оказалась работа голландского физика Лоренца, в которой результаты эксперимента Майкельсона-Морли объяснялись сжатием предметов и замедлением хода часов при движении в направлении источника света.

В 1905 году сотрудник патентного бюро Альберт Эйнштейн показал, что не надо никакого эфира, если отказаться от идеи абсолютного пространства и абсолютного времени, несколькими неделями позже математик Пуанкаре высказал похожие соображения. Аргументы Эйнштейна были ближе к физике, Пуанкаре рассматривал проблему как чисто математическую.

Теория Эйнштейна базируется на двух принципах:

  1. Принципом относительности, заключается в том, что ВСЕ законы физики должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, которые двигаются равномерно и прямолинейно, независимо от их скорости. Ранее это было справедливо только для законов движения Ньютона, теперь же Эйнштейн распространил это и на теорию Максвелла.
  2. Принцип постоянства скорости света в вакууме: скорость света постоянна, для любого наблюдателя, двигающегося равномерно и прямолинейно, независимо от скорости, с которой он приближается или удаляется от источника света.

Теория Эйнштейна не нуждается в эфире, который как показал Эксперимент Майкельсона-Морли невозможно обнаружить. Эта теория получила название специальной теории относительности. Специальной, потому что рассматривает один СПЕЦИАЛЬНЫЙ случай: равномерное и прямолинейное движение. Относительности, потому что рассматривает равномерное и прямолинейное движение двух объектов ОНОСИТЕЛЬНО друг друга вместо того, чтобы принять один из них за абсолютную систему отсчета.

Теория изменила представление о пространстве и времени. Если в ньютоновской Вселенной существовало пространство, положение тела в котором определялось тремя координатами, и время, которое «текло» независимо от пространства, то Эйнштейн рассматривает эти четыре измерения как нечто единое и неразделимое. «Течение» времени определяется точкой пространства, в которой вы его измеряете. На нижеследующих рисунках, представлен мысленный эксперимент, помогающий понять эту идею.

Представим космонавта (рис. 1), который в космическом корабле движется со скоростью, сравнимой со скоростью света, например, 0,5*с, где с – скорость света в вакууме. В руках у космонавта лазер, луч от которого идет к потолку, на котором расположено зеркало, и отразившись от него, к полу, где расположен приемник. Обозначим путь между зеркалом и приемником через s1. Этот путь луч пройдет за время s1 =c* Δt1.

bezymyannyj

Рис. 1. Космонавт в космическом корабле

Пусть второй космонавт (рис. 2), который двигается в своем космическом корабле со скоростью значительно меньшей скорости света, наблюдает за первым космонавтом.

Второй космонавт увидит, что луч пойдет к зеркалу по наклонной прямой

bezymyannyj1

Рис. 2. Второй космонавт наблюдает за первым

и, отразившись от него, по наклонной прямой пойдет к приемнику. И траектория движения луча, и длина его будет отличной от того, что наблюдал первый космонавт, будучи в своем корабле. Пусть путь, пройденный лучом от зеркала до приемника, с точки зрения второго космонавта равен s2 =c*Δt2.
За это же время Δt2 первый космический корабль пройдет путь V*Δt2. Тогда, по тереме Пифагора имеем:

(s2)2= (s1)2+ (V*Δt2)2.

Или (с*Δt2)2 = (с*Δt1)2 + (V*Δt2)2.

Откуда Δt2 .

Из этой формулы следует, что чем ближе скорость тела к скорости света, тем ближе дробь в знаменателе к 1, следовательно, тем «ближе» знаменатель к нулю, тем больше Δt2 по сравнению с Δt1. Таким образом, интервал между двумя событиями с точки зрения неподвижного наблюдателя больше, чем интервал между этими же событиями с точки зрения наблюдателя, связанного с движущимся объектом. Это явление называется релятивистским замедлением времени: чем ближе скорость тела к скорости света, тем медленнее для него течет время.

Отступление 3

Представим себе двух близнецов, один из которых остается на Земле, а второй отправляется в космический полет. Скорость его звездолета сравнима со скоростью света. Пусть он путешествует 3 года. Когда он вернется на Землю, его брат будет старше на 3 года. Но поскольку космонавт двигался со скоростью близкой к скорости света, то для него время будет «течь» медленнее, и он постареет не на 3 года, а на меньшее количество лет.

Релятивистское замедление времени на живых организмах проверить до сих пор не удалось, но на элементарных частицах полученная формула подтверждается с высокой точностью. Это явление нашло и практическое применение. Например, ход часов спутников в спутниковых системах навигации корректируется на несколько микросекунд в день в связи с релятивистским замедлением времени.

Мы получили, что временной интервал, зависит от того, в какой точке пространства мы его измеряли, т.е. пространственно-временные координаты во Вселенной Эйнштейна – это неразрывное целое.

Создавая специальную теорию относительности, Эйнштейн рассматривал только равномерное и прямолинейное движением. Но, оставались еще укоренное движение и криволинейное. Кроме того, оставался еще закон всемирного тяготения. Сила взаимодействия между телами была пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Но предполагалось, что действует эта сила мгновенно. И если, например, наше Солнце вдруг куда-то «исчезнет», то планеты «мгновенно» сойдут со своих орбит. Но свет от него будет идти к нам еще около 8 минут. Следовательно, мы на Земле «мгновенно» узнаем о «солнечной катастрофе» по мгновенному изменению силы тяготения. Этот вывод находится в противоречии со специальной теорией относительности, согласно которой никакая информация ни в какой форме не может распространяться быстрее скорости света.

Было еще несколько проблем «поменьше» (см отступление 4).

Отступление 4

Французский астроном Леверье в августе 1846 года опубликовал статью, в которой на основании исследования аномалий в траектории движения планеты Уран предсказал существование неизвестной до сих пор планеты, ее массы, орбиты и ее нынешнего положения. В сентябре того же года немецкий астроном Галле и его помощник д’Арре обнаружили новую планету в указанном месте. Впоследствии планета была названа Нептун. Это открытие стало еще одним триумфом закона всемирного тяготения.

В последующие годы Леверье организовал программу построения общей теории движения всех планет. Работая над этой теорией и сопоставляя ее с результатами астрономических наблюдений, он встретил «серьезную трудность», которая могла поставить под сомнение закон всемирного тяготения. Оказалось, что ось орбиты Меркурия смещалась относительно Солнца чуть быстрее, чем ожидалось. Леверье мог объяснить 93% этого отклонения, но оставалась необъяснимая часть, составляющая 38 угловых секунд в столетие. Это очень малая поправка. 38 угловых секунд – это угол, под которым мы видим волосок с расстояния в один метр. Леверье надеялся объяснить этот эффект существованием планеты более близкой к Солнцу, чем Меркурий, но это предположение было отброшено, потому что планета не наблюдалась.

Убедительного объяснения этому смещения не было более 50 лет.

Эйнштейн стал работать над теорией гравитации, которая бы была совместима со специальной теорией относительности. Еще до теории относительности был известен недостаток ньютоновской теории тяготения. Блестяще предсказывая поведение тел под действием сил тяготения, она ничего не говорила о природе этих сил. Ньютон говорил: «Предполагать, что тяготение является существенным, неразрывным и врожденным свойством материи, так что тело может действовать на другое на любом расстоянии в пустом пространстве, без посредства чего-либо передавая действие и силу, – это, по-моему, такой абсурд…».

Представим себе модель пространство-время, отказавшись, во-первых, от времени, во-вторых, будем считать пространство двумерным. Суть предложений Эйнштейна заключается в том, в отсутствии материи и энергии пространство будет плоским, таким, каким мы его воспринимали в течение тысячелетий. Размещение в пространстве массивного объекта в доэйнштейновском представлении ни к чему не приводило, пространство рассматривалось как некоторое вместилище для тел. Эйнштейн предположил, что массивное тело, помещенное в пространство, приводит к изменению структуры пространства. Подобно тому, как тяжелый шар деформирует резиновую пленку (рис. 3).

Следовательно, пространство не является просто вместилищем тел, оно меняется под их влиянием. Это искривление влияет на другие тела, находящиеся в пространстве. Если на пленку поместить шарик, придать ему некоторую скорость и направить его в соответствующем направлении, то он будет совершать периодическое движение вокруг массивного тела.

Такая картина позволяет по-новому взглянуть на особенности гравитации.

  1. Чем массивнее тело, тем сильнее он будет искривлять пространство, т.е. тем сильнее его гравитационное воздействие на другие тела.
  2. С удалением от тела кривизна пространства уменьшается, следовательно, уменьшается его гравитационное воздействие.

Таким образом, Эйнштейн указал механизм, с помощью которого действует гравитация. Этим механизмом является кривизна пространства. Гравитационная «привязь», удерживающая Землю на орбите, — это не какое-то мгновенное воздействие, оказываемое Солнцем, а кривизна структуры пространства, вызванная присутствием Солнца. В свою очередь Земля искривляет пространство, конечно меньше, чем Солнце. Поэтому Луна удерживается на своей орбите.

Здесь следует отметить, что рассмотренная модель с резиновой пленкой и тяжелым шаром является весьма наглядной, физический механизм деформаций пространства совершенно иной. Кроме того, в действительности искривляется трехмерное пространство. Образы, созданные для того, чтобы продемонстрировать «искривление» времени под действием гравитации, сложны для восприятия. Поэтому скажем только, что гравитация замедляет ход часов. Например, темп часов, находящихся в нескольких километрах от Солнца, будет составлять 99,99% темпа хода часов, находящихся на расстоянии миллиарда километров от Солнца. Но темп часов, находящихся над поверхностью нейтронной звезды, плотность вещества которой в миллион миллиардов раз выше плотности солнечного вещества, составит уже 76% темпа хода часов, которые не находятся в гравитационном поле этой же звезды.

Как известно, справедливость физической теории является ее способность объяснять и предсказывать физические явления. Для подтверждения общей теории относительности Эйнштейн рассчитал, используя разработанную им теорию гравитации, что луч света, проходя вблизи поверхности Солнца, должен отклоняться на угол 0,00049 градуса. 6 ноября 1919 года на совместном заседании Королевского научного общества и Королевского астрономического общества было объявлено, что предсказания, сделанные Эйнштейном, подтвердились. Еще раньше, в 1913 году он сумел объяснить аномалии в смещении орбиты Меркурия, были найдены 43 угловые секунды в 100 лет (см. отступление 4). За 100 лет после создания общей теории относительности были выполнены разнообразные эксперименты. которые предназначались для проверки теории. Сегодня не существует сомнений, что модель гравитации, предложенная Эйнштейном, не только совместима со специальной теорией относительности, но и дает более точное совпадение с экспериментальными данными, чем теория Ньютона. Следует так же отметить, что в общей теории относительности нет, например, гравитационного парадокса, что объясняется самосогласованностью уравнений Эйнштейна: уравнения пишется сразу для всех наблюдаемых величин и количество этих уравнений достаточно для определения этих величин.

Все предсказания общей теории относительности получили подтверждение. Так уже в 1916 году немецкий астроном Шварцшильд, используя общую теорию относительности, сумел получить точную картину искривления пространства-времени вокруг идеально сферической звезды. Из решений Шварцшильда кроме всего прочего следовало, что, если масса звезды будет сосредоточена в пределах малой сферической области, то искривление пространства-времени будет таким, что никакой объект, включая свет, приблизившись к звезде, не сможет вырваться из этой гравитационной «ловушки» (см. рисунок). Эти звезды были названы «черными дырами». Черными потому, что не могут излучать свет, дырами потому, что что любой объект, приблизившийся к ним на достаточно малое расстояние, не сможет «вырваться» обратно, и будет «поглощен» звездой. Расстояние, на котором звезда поглощает объекты, называется горизонтом событий черной дыры.

Вблизи больших масс гравитационное замедление времени должно быть значительным. Его характеризует следующий пример. Если масса черной дыры в 1000 раз больше массы нашего Солнца, то один год, проведенный на 3 сантиметра выше горизонта событий этой звезды, равен примерно 10 000 земных лет.

Отступление 5

«Джон Мичелл[1], преподаватель из Кембриджа, в 1783 г. представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» (Philosophical Transactions of the Royal Society of London) свою работу, в которой он указывал на то, что достаточно массивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное ноле, что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенный поверхностью такой звезды, не успев отойти от нее, будет втянут обратно ее гравитационным притяжением. Мичел считал, что таких звезд может быть очень много. Несмотря на то что их нельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти, мы тем не менее должны ощущать их гравитационное притяжение. Подобные объекты называют сейчас черными дырами, и этот термин отражает их суть: темные бездны в космическом пространстве. Через несколько лет после Мичела и французский ученый Лаплас высказал, по-видимому, независимо от него аналогичное предположение. Небезынтересно, что Лаплас включил его лишь в первое и второе издания своей книги «Система мира», но исключил из более поздних изданий, сочтя, наверное, черные дыры бредовой идеей» [2].

Расчеты показывают, что для того, чтобы Солнце стало черной дырой, его радиус должен быть равен 3 км, а не теперешние 700 000 км. Чтобы наша Земля стала черной дырой, ее радиус должен быть меньше сантиметра.

И хотя в течение долгого времени физики и астрономы с сомневались в возможности существования материи в таком экстремальном состоянии, наблюдения последних лет подтверждают существование черных дыр. Сегодня мы знаем, что черная дыра гораздо более заурядное явление, чем мы думали раньше. «Один спутник отыскал 1500 черных дыр на сравнительно небольшом участке неба. Мы также обнаружили черную дыру в центре нашей Галактики, причем ее масса в миллион раз превышает массу нашего Солнца» [1]. По мнению С. Хокинга, число черных дыр может превышать число видимых звезд, которое только в нашей Галактике составляет около ста тысяч миллионов [1]. Скорость, с которой вращается наша Галактика не может быть объяснена только массой видимых звезд. Ее явно не хватает для обоснования этой скорости. Дополнительное гравитационное притяжение черных дыр могло бы таким обоснованием.

Но если черная дыра не излучает свет, и использовать обычный телескоп для их поиска нельзя, то как же их находят? Джон Мичелл (см. отступление 5) предположил, что черные дыры оказывают гравитационное воздействие на близкие к ним объекты. Астрономам известно много систем, в которых две звезды вращаются друг вокруг друга под действием взаимного притяжения. Но известны и такие системы, в которых видимая звезда вращается вокруг невидимого партнера. Естественно, нельзя с уверенностью утверждать, что невидимая звезда и есть черная дыра, может быть это просто очень тусклая звезда, но некоторые из таких систем являются мощными источниками рентгеновского излучения. Это излучение может быть объяснено следующим образом. С поверхности видимой звезды «сдувается» вещество, которое под действием гравитации падает на вторую, невидимую звезду. Причем падает вращаясь по спирали, подобно тому, как вытекает из ванны вода. При этом вещество сильно нагревается и, как следствие, испускает рентгеновское излучение.

Читатели могут задать вопрос: «Как черная дыра может что-то излучать?» На самом деле излучает не черная дыра, а разогретое вещество, «всасываемое» черное дырой, излучает еще до того, как пересечет горизонт событий черной дыры.

Регистрируя «аномальное» вращение видимых звезд и находящиеся рядом источники рентгеновского излучения, астрономы и физики делают предположения о нахождении в таких участках Вселенной черных дыр. Возникающее на других небесных телах рентгеновское излучение не достигает поверхности Земли потому, что полностью поглощается атмосферой. Для его исследования используют спутниковые рентгеновские телескопы, например, «Чандра» и «ХММ-Хьюстон».

Черная дыра может образоваться, когда разрушается (коллапсирует) быстро вращающаяся массивная звезда. Этот процесс сопровождается выбросом энергии в виде гамма-излучения. Для обнаружения гамма-излучения, несущего информацию о первичных черных дырах, используют атмосферу Земли. Достигая земной атмосферы гамма-излучение, сталкивается в ней с атомами. Результатом такого столкновения является пара электрон и позитрон, столкновения которых с другими атомами порождает новые электронно-позитронные пары. Возникает «электронный ливень»[2], с которым связано световое излучение, которое можно регистрировать.

Хикинг считает, и некоторые физики с ним согласны, что черные дыры испускают «виртуальные» частицы, но даже он сам считал, это излучение носит случайный характер и не несет никакой информации. Однако дальнейшие исследования показали, что излучение Хокинга носит квантовый характер. Это позволило ему сделать вывод о том, что информация, попавшая в черную дыру, не разрушается, а изменяется, и эту информацию несет излучение Хокинга. Следовательно, прошлое черных дыр можно исследовать. Не все ученые разделяют точку зрения Хокинга, но в 2010 году излучение Хокинга было получено в лабораторных условиях.

Отступление 6

В сентябре 1973 г. во время поездки в Москву я обсудил проблему черных дыр с двумя ведущими советскими специалистами в этой области, Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. Они убеждали меня в том, что в соответствии с принципом неопределенности квантовой механики вращающиеся черные дыры должны порождать и испускать элементарные частицы. Я соглашался с их физическими аргументами, но мне не нравились математические методы, при помощи которых они рассчитывали излучение. Поэтому я занялся разработкой более совершенного математического аппарата, с которым ознакомил слушателей неформального семинара в Оксфорде в конце ноября 1973 г. В то время я еще не произвел расчетов для выяснения параметров излучения. Я ожидал обнаружить лишь излучение, предсказанное Зельдовичем и Старобинским для вращающихся черных дыр. Однако, проделав вычисления, я обнаружил, к собственному удивлению и досаде, что даже невращающиеся черные дыры должны порождать и испускать частицы с постоянной скоростью [2].

Фридман А.А

Используя уравнения общей теории относительности, Эйнштейн сумел количественно описать взаимную эволюцию пространства, времени и материи. Оказалось, что применение этих уравнений к Вселенной в целом привело к выводу о том, что общий пространственный размер Вселенной должен изменяться во времени. Вселенная не остается в неизменном состоянии, она либо расширяется, либо сжимается, но не остается неизменной. Такой результат был не понятен даже Эйнштейну, даже он не мог отказаться от неизменной Вселенной, поэтому он пересмотрел свои уравнения и добавил в них еще один член, названный «космологическая постоянная», который должен был «уравновешивать» взаимное притяжение всей материи, присутствующей во Вселенной, т.е. «обеспечивать» стационарность Вселенной. В это же время был человек, который поверил в общую теорию относительности. Это был российский математик А. Фридман. Чтобы решить уравнения общей теории относительности, он предложил следующие допущения [10]:

  1. Вселенная одинакова во всех направления.
  2. Допущение 1 справедливо для всех ее точек.

На первый взгляд это очень жесткие допущения для наших наблюдений звездного неба. Но можно ожидать, что что в межгалактических масштабах Вселенная сравнительно однородна. Это допущение долгое время оставалось только догадкой, но в 1965 американские физики Пензиас и Уилсон начали эксперимент, который подтвердил, что наша Вселенная действительно однородна во всех направлениях.

Решение, полученное А. Фридманом, так же как решение Эйнштейна показало нестационарность Вселенной. Более того, модель Фридмана на самом деле допускает три разных варианта развития Вселенной.

  1. Расширение Вселенной происходит медленно, при этом гравитационное притяжение галактик еще больше его замедляет. Когда-то оно (расширение) остановится, после чего галактики начнут двигаться навстречу друг другу, Вселенная начнет сжиматься. Это подобно движению тела, брошенного вертикально вверх с начальной скоростью, недостаточной для преодоления земного притяжения. Тело будет двигаться замедляясь, в какой-то момент времени, скорость его станет равной нулю, после чего тело начнет падать на Землю. Особенностью этого решения является конечность Вселенной в пространстве, но пространство не имеет границ. Гравитация в этом случае так велика, что пространство замыкается само на себя подобно земной поверхности. Но земная поверхность имеет два измерения, пространство в модели Фридмана – трехмерно. Четвертое измерение – время вообще конечно, его можно уподобить линии с двумя границами: началом и концом.
  2. Расширение происходит с такой скоростью, что тяготение не может его остановить, Вселенная будет расширяться с постоянной скоростью. Это подобно бросанию тела вертикально вверх с такой скоростью, что оно, преодолев притяжение Земли, вышло в открытый космос и с постоянной скоростью удаляется от Земли.
  3. Скорость расширения такова, чтобы преодолеть обратное сжатие. Разделение галактик происходит бесконечно, но скорость разделения уменьшается, хотя и никогда не достигнет нуля.

Какая из трех моделей соответствует нашей Вселенной? Чтобы ответить на этот вопрос. нужно знать скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность. По имеющимся сейчас данным плотность Вселенной такова, что ее не хватит, чтобы остановить разбегание даже при самой низкой его скорости. Но эти расчеты не учитывают массу черных дыр, кроме того, возможно существуют пока неизвестные нам формы материи, которые могли бы поднять плотность Вселенной до значения, при котором расширение может остановиться.

Спустя несколько лет модель Фридмана получила экспериментальное подтверждение. Предположение о том, что наша Галактика – не вся Вселенная, что существуют другие галактики впервые была высказана учеными и философами в середине 18 века (Э. Сведенборг в Швеции, И. Кант в Германии, Т. Райт в Англии), т.е. задолго до создания общей теории относительности и модели Фридмана. В 1785 году У. Гершель построил первую модель нашей Галактики, в которой он выделял внегалактические звездные туманности. В XX веке, когда астрономы получили в свое распоряжение мощные и совершенные телескопы, было открыто много туманностей. Мнения астрономов о природе туманностей разделились: одни считали, что это газовые образования внутри нашей Галактики, другие, что эти образования находятся за пределами нашей Галактики. Для решения этой проблемы в 1920 году Национальная академия наук США организовала даже публичную дискуссию, которая не дала никакого результата. Нужны дополнительные исследования, в частности, оценка расстояния до обнаруженных туманностей.

Оказалось, что еще до того, как в США была организована публичная дискуссия, эстонский астроном Э. Эпик оценил расстояние до туманности Андромеды. Потом повторив анализ, с использованием новых данных, он опубликовал свои результаты в 1922 году. Согласно его оценке, расстояние составляет 785 килопарсек (~ 2 миллиона световых лет), что более чем в 10 раз превышает размеры нашей Галактики, т.е. туманность Андромеды – это галактика вне Млечного Пути [11].

Спустя несколько лет с использованием другой методики расстояние до туманности Андромеды измерил американский астроном Э. Хаббл. Его результат равен 220 килопарсек. Если учитывать современные данные, согласно которым это расстояние равно 700 килопарсек, то результат Эпика точнее. Тем не менее, во многих источниках [1, 2, 10] именно Хаббл назван первым, определившим это расстояние.

В 1929 году Хаббл сформулировал эмпирический закон Красного смещения, получивший название закона Хаббла. Согласно этому закону чем больше расстояние между галактиками, тем выше скорость их взаимного удаления. следовательно Вселенная нестационарна, она РАСШИРЯЕТСЯ. Эти результаты полностью подтвердили истинность общей теории относительности и модели Фридмана. Эйнштейн вернул первоначальную форму своим уравнениям, а временную их модификацию назвал величайшим заблуждением своей жизни.

Но, если Вселенная расширяется, то обратив мысленно время вспять, мы должны предположить, что в далеком прошлом расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент, получивший название Большой взрыв, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени были бесконечно большими. Это означает, что, если какие-то события происходили после Большого взрыва, то опираясь на них, нельзя ничего сказать о том, что было до Большого взрыва. И наоборот. Следовательно, все события до Большого взрыва не имеют для нас никаких последствий, их нужно исключить из научной модели и сказать, что время имело началом Большой взрыв.

Но вопрос, что было до Большого взрыва остается? Если в момент Большого взрыва наша Вселенная представляла сбой «точку» с бесконечно большой плотностью, то откуда взялась эта «точка»? «Ничего не возникает из ничего». Остаются и другие вопросы. И ученые искали и ищут на них ответы, создавая новые теории.

Как показывает история, наука развивается, создавая частные теории, описывая какие-то явления, пренебрегая другими, существующие теории входят в «новые» как частный случай. Например, Ньютон создал классическую механику и теорию гравитации, Эйнштейн – специальную теорию относительности и общую теорию относительности, в которые ньютоновская механика и ньютоновская теория гравитации входят как частный случай. Эти теории – примеры модели макромира: Земли, Галактики, Вселенной. Но есть еще микромир: атом, атомное ядро, электрон, элементарные частицы, фотон. Этот мир описывается другими теориями, в частности, квантовой механикой.

Естественно, что физики стремились построить объединенную теорию, которая бы включала в себя все известные теории как частный случай. Поиску такой теории посвятил последние годы своей жизни Эйнштейн. Но, в то время наука не накопила достаточно фактического материала, чтобы такая теория могла быть разработана.

Естественен вопрос, а зачем нужна объединенная теория. Ответов много. Во-первых, потому, что всегда найдется хотя бы один человек, который будет видеть «узкие» места существующей теории и постарается ее доработать. Но, обязательно найдется такой, который захочет сделать шаг вперед: разработать новую теорию или объединить существующие. Во-вторых, это стремление отдельного человека и человечества в целом сделать еще один шаг в познании окружающего мира, когда накапливаются научные данные, которые не совсем «вписываются» или совсем не «вписываются» в существующие теории.

В настоящее время создание такой объединенной теории выглядит более реалистичным именно потому, что накоплен большой экспериментальный материал. Ученые хотят «объединить» в рамках одной теории все известные виды взаимодействия:

  • гравитационное;
  • слабое ядерное взаимодействие (ответственно за радиоактивность);
  • сильное ядерное взаимодействие, которое не дает протонам и нейтронам, частицам, формирующим атомное ядро, покинуть его;
  • электромагнитное;
  • поле Хиггса.

Кроме того, она должна объяснять существование всех элементарных частиц. Описание гравитационного взаимодействия сделано в общей теории относительности, описанием других видов взаимодействия – квантовая теория поля. Общая теория относительности и квантовая теория поля не противоречат друг другу потому, что описывают процессы на разных масштабах энергий и длин. Но, на масштабах, называемых планковскими, эти теории вступают в противоречие друг с другом.

Отступление 7

Планковский масштаб назван так в честь Макса планка, который ввел это понятие в конце XIX века. В обыденной жизни, технике и науке мы измеряем все наблюдаемые явления единицами длины, массы и времени, выраженные, например, в метрах, килограммах, секундах. Все другие количественные характеристики могут быть выражены через них.Планк предположил, что фундаментальными константами в природе являются скорость света, гравитационная постоянная Ньютона и квант действия и их можно использовать в качестве базовых единиц, нужных нам для описания всех физических явлений. Он же дал определение длины Планка, энергии Планка и времени Планка. Оказалось, что длина Планка так мала, энергия Планка так велика и время Планка так скоротечно, что находятся за пределами человеческого восприятия.

Например, планковская длина Планка равна ~ 1,6*10-35 метра. она, кстати, ограничивает область применения эвклидовой геометрии.

Планковская энергия равна ~ 4,6718*108 кал, что примерно на 6% больше, чем энергия мощнейшего артиллерийского орудия в истории – 800-мм железнодорожной пушки Дора.

Планковское время равно ~ 5,391*10-44 с. Это время, за которое частица, двигаясь со скоростью света, преодолеет планковскую длину. Интересно, что время, прошедшее с момента Большого взрыва (4,3-1017 с), примерно равняется 8*1060 планковским временам.

Поиск объединенной теории затрудняется, в частности, тем, что общая теория относительности, являясь классической, неквантовой, не принимает во внимание принцип неопределенности.

Отступление 8

В обычной жизни мы интуитивно понимаем, что такое неопределенность, и часто с ней встречаемся. Например, мы не можем с уверенностью сказать, какая погода будет в новогоднюю ночь: сильный мороз, легкий морозец и мягко падающий снег, оттепель и дождь. Но, назначив встречу своему другу, например, у школьного крыльца 15 часов, вы уверены, что найдете своего друга в условленном месте, в условленное время, конечно, если вы и ваш друг — пунктуальные люди.

Успехи различных наук стали следствием того, что французский ученый Лаплас пришел к убеждению, что Вселенная полностью детерминирована. Это значит, что существуют научные законы, которые позволят предсказать будущее, зная состояние Вселенной в настоящее время. Например, при помощи закона всемирного тяготения мы можем предсказать даты солнечных или лунных затмений. Но Лаплас предположил даже, что будут открыты законы даже для предсказания поведения человека. Этот подход в науке получил название научного детерминизма.

Однако, природные явления, происходящие в микромире, не всегда подчиняются принципу детерминизма. Чтобы предсказать будущее положение и скорость микрочастицы, мы должны определить ее текущее положение и измерить ее скорость. Для этого мы должны осветить ее. Точно так, как если ваш друг будет освещен, вы увидите, что он находится в ожидаемом месте. Но, осветив частицу даже наименьшей возможной порцией, называемой квантом, мы нарушим ее движение и изменим ее скорость, потому что энергия частицы сравнима с энергией кванта. Чтобы при эксперименте вносить меньшее возмущение в движение частицы. нужно уменьшать энергию кванта света. Но это можно сделать только, уменьшая длину волны света. Например, освещая микрочастиц не фиолетовым светом, а красным. Но, оказывается, что чем меньше длина волны света, тем меньше точность. Немецкий физик Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, получивший его имя. Согласно этому принципу неопределенность положения частицы, умноженная на неопределенность скорости и на массу частицы не может быть меньше некоторой константы.

Принцип неопределенности есть фундаментальное свойство природы, не допускающее никаких исключений, и не зависящее от способа измерения положения и скорости частицы и от типа частицы. Этот принцип положил конец эпохи детерминизма. Не может быть речи о предсказании будущих событий, если мы не можем точно определить текущее состояние Вселенной.

Принцип неопределенности – основной принцип квантовой механики, особенность которой состоит в том, она не предсказывает единственного определенного результата наблюдения. Она предлагает множество возможных результатов и вероятности каждого из них.

Благодаря квантовой механике непредсказуемость стала неизбежным элементом в науке. И хотя Эйнштейн получил Нобелевскую премию за вклад в создание квантовой механики, он так и не принял того, что Вселенной управляет случай. По этому поводу он сказал: «Бог не играет в кости».

В настоящее время известно несколько подходов к построению квантовой теории гравитации:

  • теория струн;
  • теория петлевой квантовой гравитации;
  • модели динамической триангуляции;
  • модели исчисления Роже;
  • причинные множества;
  • теория твисторов;
  • некоммуникативная геометрия;
  • модели, основанные на аналогиях с физикой конденсированных сред [13].

Реальный прогресс в создании теории квантовой гравитации начался с середины 80-х годов прошлого века, когда появились два подхода, каждый из которых достиг впечатляющих успехов. Этими направлениями были теория струн и петлевая квантовая гравитация. Хотя, как оказывается, «имеются большие недоразумения по поводу того, что в точности достигла каждая из теорий к настоящему времени» [13]. Но почему-то во многих литературных источниках первым и иногда единственным претендентом на звание «теории всего» называется теория струн. Так, С. Хокинг в своих книгах [1,2, 10] даже не упоминает теорию петлевой квантовой гравитации.

Поэтому остановимся сначала на теории струн. Нобелевский лауреат С. Вайнберг пишет: «За последнее десятилетие бурно развивался радикально новый подход к квантовой теории гравитации, а может быть, и ко всему остальному, – теория струн. Эта теория является первым приемлемым кандидатом на окончательную теорию» [11].

В 1968 году молодой физик-теоретик Габриэле Венециано предложил формулу, обладавшую некоторыми общими свойствами, которые вытекали из принципов теории относительности и квантовой механики. С течением времени стало ясно, что формула Венециано, ее расширения и обобщения – это теория объектов нового типа, названных релятивистскими квантово-механическими струнами. Обычные струны состоят молекул, которые состоят из атомов, которые состоят из элементарных частиц таких как протоны, нейтроны и электроны. Но, оказывается, что протоны и нейтроны состоят из квантово-механических струн.

До появления теории струн мы полагали, что каждая элементарная частица может находиться в определенной точке пространства. В теории струн фундаментальные объекты не точечные, они имеют длину, но никаких других измерений не имеют. Они могут иметь концы (открытые струны) или сворачиваться в кольцо (замкнутые струны). То, что раньше рассматривалось как точечные частицы, в теории струн рассматриваются как волны, распространяющиеся по струнам. Сами же струны настолько малы, что в своих экспериментах физики воспринимали их как точки.

Новая теория была интересна с математической точки зрения, но не имела экспериментального подтверждения. К тому же, в 1970 году К. Лавлейс показал, что модель Венециано математически корректна, если в ней пространство-время имеет размерность равную 26. После некоторых модификаций теории оказалось, что теория может реализоваться только в 10-мерном пространстве: одно временное измерение и 9 пространственных. Почему мы их не наблюдаем? Почему мы наблюдаем только одно временное измерение и три пространственных? Один из возможных ответов заключается в том, что другие измерения свернуты до небольшого размера, и мы их просто не замечаем. Тогда опять возникает вопрос: почему часть измерений свернуты, а четыре – нет?

Казалось, теория – всего лишь интеллектуальная «игрушка» физиков-теоретиков, не имеющая практической ценности. Но, неожиданно при решении струнных уравнений теории обнаружились замкнутые кольца, которым соответствовали неизвестные частицы, не имеющие массы. Попытки избавиться от них не приводили к успеху, теория просто рассыпалась без них. неудачными были и попытки обнаружить эти частицы экспериментально. В 1974 году Д. Шварц и Д. Шерк заявили. что таинственная частица – это гравитон. Согласно уравнениям общей теории относительности, должны существовать гравитационные волны, которые при квантовании превращаются в гравитоны, частицы, переносящие силы тяготения. Следовательно, теория струн – это аппарат для построения квантовой теории тяготения. Правда, длина струны должна составлять 10-33 см. С объектами таких размеров физика еще не имела дела. И в довершении всего, обнаружилось, что в теории нарушается закон сохранения энергии.

Упорная работа энтузиастов дала результаты. В 1984 году Д. Шварц и М. Грин показали, что аномалии теории взаимно аннулируют друг друга.

Теория струн открыв путь к созданию квантовой теории гравитации и объединению в единой теории всех видов взаимодействия, поставила перед учеными и ряд проблем. В частности, теория не дает пока проверяемых предсказаний, не ясно как подтвердить ее экспериментально как в физических экспериментах, так и со стороны космологии или астрофизических наблюдений.

Одним из активных критиков теории струн является Л. Смолин, известный своими работами по теории струн и петлевой квантовой гравитации. «Имеются веские причины принимать теорию струн всерьез как гипотезу о природе, но это не то же самое, что декларировать ее правильность. Я вложил несколько лет в работу по теории струн, поскольку я верил в нее достаточно, чтобы желать приложить свои руки к решению ее ключевых проблем. ….. В то же время, я работал над другими подходами, которые также обещали ответы на фундаментальные вопросы» [14].

Основная идея теории петлевой квантовой гравитации состоит в том, что в ней пространство и время не являются непрерывными, а состоят из дискретных частей – квантовых ячеек. Квантовые ячейки соединены друг с другом таким образом, что на малых масштабах создают дискретную структуру пространства. На больших же масштабах переходит в непрерывное гладкое пространство-время. Подобно тому как, например, разглядывая наклонный пандус из далека, мы видим его гладким, но подойдя ближе, обнаруживаем, что на нем небольшие ступеньки. Что считать малыми масштабами для теории петлевой квантовой гравитации? Такими масштабами являются планковские масштабы. Напомним, что планковская единица длины равна 1,6*10-35 м.

Для проверки теории в ее рамках была предпринята попытка моделирования термодинамики черных дыр. Оказалось, что теория петлевой квантовой гравитации не только воспроизводит предсказание С. Хокинга об излучении черных дыр, но и позволяет описать его структуру. Экспериментальная проверка теории связана с колоссальными техническими трудностями, потому что все эффекты проявляются на планковских масштабах, которые на 16 порядков (в 1016 раз) меньше, чем доступны на самых мощных современных ускорителях.

Опираясь на теорию петлевой квантовой гравитации, Родольфо Гамбини (Rodolfo Gambini) и Джордж Пуллин (Jorge Pullin) установили, что фотоны различных энергий должны перемещаться с несколько разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Спутниковые наблюдениях гамма-всплесков помогут проверить это. Нет ли здесь противоречия с теорией относительности, в которой постулируется постоянство скорости света? Были разработаны модифицированные версии теории Эйнштейна, которые допускают существование фотонов высокой энергии, движущихся с разными скоростями. В свою очередь постоянство скорости относится к фотонам низких энергий, т.е. к длинноволновому свету.

Теория петлевой квантовой гравитации помогает представить, что происходило сразу после Большого взрыва. Произведенные расчеты показали, что Большой взрыв был Большим отскоком, так как до него Вселенная быстро сжималась.

Таким образом, поиски объединенной теории продолжаются.

Вместо заключения.

Факультативные занятия по предложенной теме, особенно с учетом того, что заниматься педагог будет с заинтересованными учениками, дает безграничные возможности. Укажем некоторые из них.

  1. Междисциплинарные связи. Необходимо привлекать и стимулировать знаний, полученных на по всем предметам, особенно, история, обществознание, математика, география, иностранный язык (например, английский для чтения статей в оригинале).
  2. Учащиеся ни в коем случае не должны иметь доступ к изложенному здесь материалу. Желательно, чтобы занятия проводились в компьютерном классе с доступом в Интернет. Педагог, в зависимости от подготовленности учащихся, формулирует тему, после чего учащиеся находят материал, самостоятельно изучают его и в процессе дискуссии обсуждают. Причем, в дискуссиях не рекомендуется использовать компьютерные распечатки и зачитывать их. Допускается использование только кратких тезисов и заметок. В дальнейшем возможно, что сами учащиеся определяют темы для изучения и направление поисков.
  3. Человек в своем образовании должен пройти тот путь, который до него прошло человечество, но лучше, если при этом он будет делать «открытия», которые кто-то уже сделал до него. Не надо быть пассивным «получателем» знаний. Поэтому предлагаем несколько вопросов, ответы на которые ученики должны найти сами:
  • как древние греки поняли, что Земля имеет шарообразную форму?
  • почему, хотя и ядро, и птичье перо должны падать на Землю с одинаковой скоростью, перо, все-таки, падает медленнее, и где и когда был проведен эксперимент, подтверждающий, что и ядро, и перо падают с одинаковой скоростью?
  • как Рёмер измерил скорость света?
  • предложите свой способ измерения скорости света;
  • как измеряют расстояние до других галактик?
  • как Э. Хаббл установил, что Вселенная расширяется?
  • если Вселенная расширяется, то она «занимает» чье-то «место», значит, что-то сжимается, чье место «занимает» наша Вселенная, и что сжимается?
  • как из объединенных теорий вам больше «нравится»?

Список литературы:

  1. Хокинг С., Млодинов Л. Кратчайшая история времени. Амфора, СПб, 2006
  2. Хокинг С. Краткая история времени.
  3. Эйнасто Я. Сказание о темной материи. http://www.sunhome.ru/books/b.skazanie_o_temnoy_materii/1
  4. Аристотель О небе.
  5. Птолемей К. Альмагест: Математические сочинения в тринадцати книгах. – М.: Наука. Физматлит, 1998. – 672 с.
  6. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989. – 714 с.
  7. Арнольд В.И. Гюйгенс и Барроу, Ньютон и Гук. — М.: Наука, 1989. – 96 с.
  8. Горбацкий В.Г. Лекции по истории астрономии: учебное пособие. – СПб.: Изд. С.-Петерб. ун-та, 2002. – 200 с.
  9. Дамур Т. Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн. – ООО «Альпина нон-фикшн, 2016. – 328 с.
  10. Хокинг С. Теория всего [Происхождение и судьба вселенной]. – СПб.. Амфора, 2009. – 148 с.
  11. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. – М.: Едиториал УРСС, 2004. – 286 с.
  12. Венециано Г. Миф о начале времен. http://www.modcos.com/articles.php?id=43
  13. Смолин Л. Как далеко мы находимся от квантовой теории гравитации? http://alpha.sinp.msu.ru/~panov/SmolinTransl1.pdf
  14. Смолин Л. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим последует. http://www.rodon.org/sl/nsfvtsunichzes/

[1] По имеющейся у авторов информации Джон Мичелл (25.12.1724 – 29.04.1793) был священником из деревни Торнхилл (графство Йоркшир)

[2] См. проект «Ливни знаний» на сайте http://livni.jinr.ru/index.php?lang=ru

ВСЕЛЕННАЯ: ОТ МИФОВ ДО …? Часть 2 От Ньютона до Эйнштейна, от Эйнштейна до ….
В работе излагается материал, который может помочь педагогу при подготовке к факультативным занятиям по теме «Познание Вселенной», эволюция взглядов и моделей устройства окружающего нас мира.
Written by: Комаров Павел Ильич, Коновалова Таисия Владиславовна
Published by: Басаранович Екатерина
Date Published: 12/05/2016
Edition: euroasia-science_30_22.09.2016
Available in: Ebook