Общая теория относительности

В ноябре 1907 года Эйнштейн сидел в своем кресле в патентном бюро города Берна, когда, как он позже описывал:

«…Мне в голову пришла мысль: “В свободном падении человек не ощущает своего веса!” Я был поражен. Эта простая мысль произвела на меня огромное впечатление. Развив ее, я пришел к теории тяготения»^{99}.

Эйнштейновская теория гравитации была опубликована только в 1916 году в форме общей теории относительности. Специальная теория относительности применима только для систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Эйнштейну удалось добавить ускорение в новую гравитационную теорию, в рамках которой можно было спрогнозировать слабые эффекты, не поддающиеся объяснению в рамках теории Ньютона.

Позвольте мне изложить суть догадки Эйнштейна следующим образом. Наблюдатель, находящийся в закрытой капсуле в свободном падении, не сможет отличить это состояние от состояния, в котором он в той же самой капсуле находится в космосе, вдали от каких-либо планет и звезд. Более того, если этой космической капсуле придать, скажем, с помощью ракетного двигателя такое же ускорение, какое получает падающий на землю объект, к примеру яблоко, упавшее на Ньютона, то он не сможет отличить это состояние от обычного состояния покоя на Земле. То есть ускорение и гравитация ощущаются одинаково.

Наблюдатель в капсуле мог бы провести точные измерения траекторий падающих тел, которые будут сходиться к центру Земли в случае, если капсула находится на ее поверхности. Но, если капсула получает ускорение в космосе, эти линии будут параллельными. Итак, две эти ситуации формально могут считаться одинаковыми только на бесконечно малом участке пространства. Этот принцип называется принципом локальности.

В гравитационной модели, разработанной Эйнштейном, сила тяготения практически устранена. Тело, на которое не действуют никакие силы, следует геодезической траектории через неевклидово пространство-время подобно самолету, описывающему большую окружность от одной точки на поверхности Земли до другой, чтобы минимизировать пройденный путь. Земля вращается вокруг Солнца по эллипсу, потому что такова форма геодезической траектории вокруг объекта с большой массой.

Эйнштейн придумал формулу, которая позволила ему рассчитать модель пространства-времени и внутреннюю геометрию поверхности, исходя из распределения вещества в пространстве:

кривая пространства-времени = плотность вещества.

Эйнштейна беспокоило то, что сила всемирного тяготения, имеющая исключительно притягивающий характер, должна привести Вселенную к коллапсу. В те времена все думали, что Вселенная окружена неподвижной твердью, как сказано в Библии. Поэтому Эйнштейн добавил в свое уравнение гравитационного поля еще одно понятие — космологическую постоянную (КП), обозначив ее символом Λ:

кривая пространства-времени + Λ = плотность вещества.

Итак, КП является еще одним компонентом пространственно-временной кривой, который может иметь положительное или отрицательное значение. Если Λ положительна, результатом будет гравитационное отталкивание, которое, как считал Эйнштейн, стабилизирует Вселенную.

Заметьте, что космологическую постоянную вполне можно записать в правой части уравнения как часть плотности вещества:

кривая пространства-времени = плотность вещества — Λ.

Но это все то же уравнение, и формулировка не меняет его смысла. Вот пример того, почему было бы ошибкой пытаться приписывать математическим моделям метафизическую сущность. Космологическая постоянная действительно часть пространственно-временной кривой или действительно часть материи? Это не имеет значения. Это всего лишь человеческая выдумка, оба варианта дают одинаковый эмпирический результат.

Общая теория относительности прогнозировала ряд явлений, которые нельзя было объяснить в рамках ньютоновской теории всемирного тяготения. Одно из них наблюдалось к тому моменту уже в течение некоторого времени и было еще одной эмпирической аномалией, которую физика XIX века была бессильна объяснить. В 1859 году Урбен Леверье, упомянутый в главе 4 как первооткрыватель Нептуна, на основании готовых записей наблюдений определил, что скорость смещения перигелия Меркурия расходится со скоростью, рассчитанной на основании теории Ньютона, на 38 угловых секунд за 100 лет, а пересчитанное позднее, это значение составило 43 угловые секунды. В ноябре 1915 года Эйнштейн пересчитал его на основании своей новой общей теории и получил верное число. Он был так взбудоражен этим результатом, что, по его словам, у него «сердце затрепетало»^{100}.

Эйнштейн также определил, что световые лучи отклоняются под воздействием Солнца. Эта идея была не нова, она восходит еще к Ньютону. В одном из примечаний к «Оптике» издания 1704 года Ньютон предположил, что частицы в его корпускулярной теории света будут испытывать воздействие гравитации, как всякое другое вещество. В 1801 году немецкий астроном и физик Иоганн Георг фон Зольднер (1776–1833) на основе ньютоновской физики рассчитал, что отклонение луча, состоящего из корпускул, скользящего по поверхности Солнца, составит 0,9 угловой секунды. Однако в те времена измерить такое крошечное отклонение было технически невозможно, и, как мы уже знаем, в начале XIX века от корпускулярной теории света Ньютона отказались в пользу волновой теории.

Результат Эйнштейна в два раза превышал значение, рассчитанное Зольднером, что не согласовывалось с ньютоновской теорией всемирного тяготения. Двадцать девятого мая 1919 года две британские экспедиции сфотографировали область солнечного диска во время солнечного затмения и сравнили фотографии со снимками, сделанными с той же точки в июле. Знаменитый британский астроном Артур Эддингтон отправился во главе экспедиции на остров Принсипи у побережья Африки и заявил, что ему удалось подтвердить результаты расчетов Эйнштейна. Независимая экспедиция, работавшая в бразильском городе Собрале, сообщила о результатах, более близких к значению, рассчитанному Зольднером. Однако астрономическое сообщество стало на сторону Эддингтона, поскольку, по их мнению, телескопы собралской экспедиции имели изъяны, а также, возможно, из-за несколько большего уважения к авторитету Эддингтона.

Заявление Эддингтона, сделанное в 1919 году, попало на первые полосы всех газет и более, чем что-либо другое, поспособствовало превращению Эйнштейна в легенду XX века. Он стал единственным ученым в мире, удостоенным чести торжественного проезда по улицам Манхэттена во время своего визита туда в 1921 году.

Результаты измерений Эддингтона также были поставлены под сомнение, однако расчеты Эйнштейна с тех пор подтверждались немалое число раз. Один из самых популярных вариантов научного круиза в наши дни — отправиться наблюдать полное солнечное затмение, которое зачастую происходит над открытым океаном. Астроному обычно не составляет труда присоединиться к такому круизу, все расходы компенсируются, ему нужно только прочитать несколько лекций и сделать ряд наблюдений, наслаждаясь при этом всеми удобствами.

Позвольте мне немного пофантазировать на тему «а что, если бы?». Предположим, что гравитационное отклонение света можно было наблюдать в 1804 году. Тогда волновая теория света была бы опровергнута, поскольку она не позволяет рассчитать этот эффект, в то время как даже ньютоновская корпускулярная теория позволяет получить значение с небольшой погрешностью, что весьма неплохо для такого слабого эффекта. Тогда отклонение лучей света под воздействием гравитации в совокупности с линейчатыми спектрами, чернотельным излучением и фотоэффектом убедительно опровергли бы волновую теорию электромагнитного излучения.

Эйнштейн также предсказал, что часы в гравитационном поле будут идти медленнее для наблюдателя, находящегося вне этого поля. Этот эффект называется гравитационным замедлением времени и напрямую вытекает из общей теории относительности. Его существование также подтверждено убедительными данными. Если GPS в вашем автомобиле не корректируется с учетом гравитационного замедления времени, он порой будет приводить вас не туда, куда нужно.

Гравитационное замедление времени также подразумевает, что частота света (или любой другой электромагнитной волны) будет снижаться по мере удаления от тела с большой массой. С точки зрения закона сохранения энергии кинетическая энергия фотона равна ħf, где f — это частота соответствующей электромагнитной волны, a ħ — постоянная Планка, к которой мы вернемся позднее. По мере того как фотон удаляется от тела, он приобретает потенциальную энергию, теряя кинетическую, вследствие чего и уменьшается частота излучения.

Со времен первоначальных расчетов Эйнштейна, то есть почти за 100 лет, общая теория относительности множество раз подвергалась все более изощренным проверкам. В настоящее время она соотносится со всеми результатами наблюдений, в которых фигурирует гравитация^{101}.

 

Черные дыры

Еще в XVIII веке Джон Мичелл (1724–1793) и Пьер Симон Лаплас заметили, что гравитационное поле тела может быть настолько сильным, что свет не сможет вырваться из него. В 1916 году Карл Шварцшильд доказал, исходя из общей теории относительности, что тело массой М и радиусом менее R = 2GM/c² не даст свету покинуть свое гравитационное поле. Для объекта массой, равной массе Солнца, радиус Шварцшильда равен примерно 3 км. В 1967 году физик Джон Уилер окрестил эти объекты черными дырами. Как мы вскоре увидим, есть множество доказательств существования черных дыр, и такие сверхмассивные объекты находятся в центре большинства, если не всех крупных галактик, включая Млечный Путь.

В 1974 году Стивен Хокинг доказал, что черные дыры на самом деле излучают фотоны, поэтому они нестабильны и в конечном итоге разрушаются^{102}. Однако срок жизни черной дыры астрономических размеров очень велик. Черная дыра массой, равной массе Солнца, просуществует 10⁶³ лет. В то же время микроскопические черные дыры живут очень недолго, но, хотя поиски их предполагаемого излучения продолжаются, обнаружить его пока не удалось.

 

Теорема Нётер

Двадцать третьего марта 1882 года в баварском городе Эрлангене родилась девочка по имени Эмми Нётер. Ее отец был математиком, она же оказалась математическим гением и внесла важнейший вклад в развитие физики XX века. Влияние ее работ по достоинству оценили только в наши дни. Если бы больше людей понимали математику и физику, Нётер считалась бы одной из важнейших персон XX века.

В 1915 году Нётер опубликовала теорему, которая коренным образом изменила философское понимание природы физических законов. Пока я не узнал о ней, то думал, как до сих пор думает большинство ученых, что законы физики представляют собой ограничители возможностей поведения материи, каким-то образом встроенные в структуру Вселенной. Хотя Нётер и не формулировала эту мысль таким образом, результаты ее работы свидетельствуют, что дело обстоит иначе.

Нётер доказала, что для каждой непрерывной пространственно-временной симметрии существует свой закон сохранения.

Фундаментальные законы физики представлены тремя законами сохранения: законом сохранения энергии, законом сохранения линейного импульса и законом сохранения момента импульса. Нётер доказала, что закон сохранения энергии следует из трансляционной симметрии времени, закон сохранения линейного импульса — из трансляционной симметрии пространства, а закон сохранения момента импульса — из вращательной симметрии пространства.

На практике это означает, что, если физик создает модель, не зависящую от времени, то есть такую, которая будет одинаково работать сегодня, вчера или 13 млрд. лет спустя/назад, эта модель автоматически включает в себя закон сохранения энергии. Физик никак не может повлиять на это. Если он попытается включить в эту модель нарушение закона сохранения энергии, в ней появится логическое противоречие.

Если другой физик создаст модель, не зависящую от конкретной точки пространства, которая будет одинаково работать в Оксфорде, Тимбукту, на Плутоне или в галактике MACS0647-JD, расположенной на расстоянии 13,3 млрд. световых лет от нас, эта модель автоматически будет заключать в себе закон сохранения линейного импульса. Физик вновь-таки бессилен повлиять на это. Если он попытается включить в эту модель нарушение закона сохранения линейного импульса, в ней появится логическое противоречие.

Аналогично любая модель, спроектированная таким образом, чтобы работать с произвольной ориентацией в системе координат, то есть «верх» которой может находиться в Исландии или на Тасмании, обязательно заключает в себе закон сохранения момента импульса.

Поскольку эти три принципа формируют основу классической механики, можно сказать, что это не законы, управляющие поведением материи. Скорее это следующие из принципов симметрии человеческие изобретения, управляющие поведением физиков и давящие на них, когда им вдруг вздумается объективно описать окружающий мир. Нет причин думать, что законы физики — продукт деятельности некоего законодателя, находящегося за пределами физического мира.

В одной из следующих глав я расскажу о принципе, называемом калибровочной инвариантностью, которым можно обобщить теорему Нётер и из которого выводится большинство основных физических законов. Кпримеру, закон сохранения электрического заряда и уравнения Максвелла являются следствием калибровочной симметрии электромагнетизма. Обсуждение философских последствий этой идеи отложим до той же главы.

 

Квантовая механика

XX век начался 1900 годом, в котором Макс Планк предложил модель, количественно описывающую спектр излучения черного тела. На рис. 6.1 изображен ее частный случай, описывающий излучение Солнца (я знаю, что Солнце желтое, тем не менее оно является черным телом по определению, так как не отражает свет). Эта модель основывалась на гипотезе, что свет не непрерывен, но состоит из порций энергии, которые Планк назвал квантами. Эти кванты несут в себе количество энергии, пропорциональное частоте излучения f. Коэффициент ħ, теперь называемый постоянной Планка, ученый вычислил, согласовав его значение со спектральными данными. Вспомните, что частота света относится к длине его волны λ как λ = с/f, где с — это скорость света.

Закон сохранения энергии позволяет избежать ультрафиолетовой катастрофы классической волновой теории, о которой шла речь в главе 5. Коротковолновая часть спектра соответствует высокоэнергетическим квантам, и, поскольку у энергии тела есть предел, график спектральной плотности должен сужаться в области коротковолнового излучения. Кроме того, длина волны в области спектрального пика уменьшается при снижении температуры, поскольку, согласно статистической механике, о которой говорилось в главе 5, температура является мерой средней кинетической энергии тела. То есть чем горячее тело, тем меньше будет длина волны в области спектрального пика, а частота, в свою очередь, выше.

В том же самом удивительном 1905 году, когда Эйнштейн представил свою теорию относительности, он также развил идею Планка, предположив, что свет состоит из частиц, позднее названных фотонами, энергия которых пропорциональна частоте соответствующей электромагнитной волны. Это значит, что, если f — это частота волны, энергия каждого фотона этой волны Е = ħf, где ħ — постоянная Планка. На основании этого предположения Эйнштейну удалось объяснить явление фотоэффекта. Электрический ток возникает, когда фотоны выбивают электроны из металла. Для этого им требуется минимальная энергия, вот почему существует пороговое минимальное значение частоты, при котором образуется электрический ток. В 1914 году американский физик Роберт Милликен экспериментально подтвердил предположение Эйнштейна.

Рис. 6.1. Спектр интенсивности сферического черного тела с абсолютной температурой поверхности T = 5000 К как функция длины волны. Здесь изображена ультрафиолетовая катастрофа, предсказанная законом Рэлея — Джинса в рамках классической волновой теории, описанная в главе 5. Расчеты Планка соотносятся с экспериментальными данными. Шкала длин волн дана в микронах, или в миллионных долях метра, а шкала спектральной плотности — в киловаттах на квадратный метр на нанометр. Авторская иллюстрация

Эйнштейн доказал, что свет представляет собой не вибрации эфира или какой-то иной среды, но поток частиц, в точности как утверждал Ньютон в своей корпускулярной теории света. Но если свет состоит из частиц, то откуда берутся эффекты, подобные волновым, наблюдаемые в экспериментах интерференции и дифракции света?

Французский физик аристократического происхождения Луи де Бройль в 1924 году дал ответ на этот вопрос в своей докторской диссертации: все частицы имеют волновые свойства. Де Бройль заметил, что фотон с импульсом p имеет пропорциональную длину волны λ = ħ/p. Он предположил, что это отношение верно для всех частиц, в частности для электронов. Эта величина была названа длиной волны де Бройля.

Гипотеза де Бройля подтвердилась в 1927 году, когда американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер наблюдали дифракцию пучка электронов, направленного на кристалл никеля.

Итак, не только фотоны, но и электроны, и вообще все частицы имеют волновые свойства. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма. Однако здесь мы сталкиваемся еще с одним физическим эффектом, который большинство людей, включая физиков, понимают превратно. Часто можно услышать: «Объект является частицей или волной в зависимости от того, что вы измеряете». Это не так. Никому еще не удалось выявить волновые свойства у отдельно взятой частицы. Эффекты интерференции и дифракции наблюдаются только в потоках частиц, и ничего, кроме частиц, вы в них не обнаружите, даже если попытаетесь измерить длину волны этого излучения. Статистическое поведение этих групп частиц математически описывается уравнениями, которые иногда, но не всегда напоминают волновые.

Если вы проводите эксперимент по обнаружению интерференции или дифракции, в котором наблюдаете отдельные фотоны, то не заметите эти эффекты, пока не наберется большого числа наблюдений. К примеру, вы проводите двухщелевой эксперимент по определению интерференции в потоке фотонов, пропускающем один фотон в день.

Через год вы заметите, что начала формироваться интерференционная картина. Обратите внимание: не стоит говорить, что фотоны интерферируют друг с другом, как часто описывают этот эффект.

Если вы возразите мне, назвав один фотон в день лучом, то где вы проведете границу, у которой внезапно появляется этот луч? А один в час? Один в секунду? Один в наносекунду?

Позвольте мне прояснить этот момент. Будет неправильно говорить: «Этот фотон имеет частоту f» или «Этот электрон имеет длину волны λ». Правильные формулировки звучат так: «Этот фотон является частью группы фотонов, которые статистически можно описать как волну с частотой f» и «Этот электрон является частью группы электронов, которые статистически можно описать как волну с длиной волны λ».

В 1926 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер разработал математическую теорию, названную волновой механикой, в которой он связал частицы с комплексным числом, называемым волновой функцией^[9]. В том же году немецкий физик Макс Борн предложил интерпретацию, ставшую теперь общепринятой, согласно которой квадрат модуля волновой функции определяет вероятность обнаружения частицы в определенной точке пространства в пределах заданного объема и в определенный момент времени. Квантовая механика не позволяет предсказать поведение отдельной частицы в согласовании с приведенной ранее интерпретацией корпускулярно-волнового дуализма.

Чуть раньше, в 1925 году, немецкий физик Вернер Гейзенберг заложил основы науки, позже названной квантовой механикой, которая не работает с волнами, используя вместо этого матричную алгебру. Вначале шли споры о том, чья формулировка лучше. Шрёдингер доказал, что они математически эквивалентны. Формулировки Гейзенберга и Шрёдингера применяются только к нерелятивистским частицам, то есть тем, которые движутся на скоростях, значительно меньших, чем скорость света. Это значит, что с их помощью можно описать медленные электроны, но не фотоны.

В 1927 году британский физик Поль Дирак, чей гений сопоставим с эйнштейновским, сформулировал квантовую теорию фотонов. В следующем году он разработал релятивистскую теорию электронов, которая предсказывала существование антиматерии. В 1932 году американский физик Карл Андерсон сообщил, что ему удалось обнаружить в космическом излучении частицы, которые выглядели как электроны, но отклонялись в противоположном направлении в магнитном поле, а значит, имели положительный электрический заряд. Андерсон связал эти частицы с антиматерией Дирака и назвал антиэлектроны позитронами.

В 1930 году Дирак опубликовал основополагающую работу по квантовой механике — «Принципы квантовой механики»^{103} В этой книге, выдержавшей с тех пор множество редакций и изданий, он избавился от понятия волновой функции, заменив волновую механику и матричную алгебру более мощным инструментом — линейной векторной алгеброй. Хотя большинство химиков и те из физиков, которые имеют дело с низкоэнергетическими процессами, могут обойтись менее замысловатой волновой механикой Шрёдингера, квантовая механика Дирака необходима для понимания поведения элементарных частиц и высокоэнергетических процессов вообще.

В то время как специальную теорию относительности благополучно привели в согласие с квантовой механикой, об общей теории относительности сказать того же нельзя. В частности — и это самое важное для нашей космологической истории — общая теория относительности неприменима к первым моментам существования нашей Вселенной, когда квантовые эффекты преобладали. Как мы вскоре увидим, это не удержало религиозных апологетов от использования аргументов общей теории относительности для доказательства божественного сотворения Вселенной.

 

Шкала Планка

Теперь мне хотелось бы рассказать об идее, важность которой будет все нарастать по мере нашего дальнейшего углубления в космологию. Как я уже подчеркивал, всякая физическая величина, имеющая непосредственное отношение к экспериментальному наблюдению, с практической точки зрения определяется тем, как ее измеряют с помощью точно подобранного измерительного оборудования. Мы увидели, что как пространственный, так и временной интервалы зависят от того, что измеряют часы, при этом расстояние между двумя точками зависит от времени, за которое свет проходит между этими точками в вакууме.

Можно доказать, что наименьший временной промежуток, поддающийся измерению, планковское время, равен 5,391∙10^-44 с, а кратчайшее расстояние, которое можно измерить, — планковская длина равна 1,616∙10^-35м^{104}.

Еще одна достойная упоминания величина называется планковскои массой, и она равна 2,177∙10^-8 кг. Радиус Шварцшильда для сферы планковскои массы равен двум планковским длинам, из чего следует, что такая сфера будет черной дырой (см. ранее раздел о черных дырах). Планковская энергия определяется как энергия покоя тела планковскои массы и равна 1,221∙10²⁸ эВ (электрон-вольт). Электрон-вольт представляет собой количество энергии, полученной электроном при прохождении через разность потенциалов 1 В. В этой книге вы еще не раз встретите эту единицу измерения.

 

Атомы и ядра

В поэме «О природе вещей», упомянутой в главе 1, Лукреций описывает беспорядочное движение пылинок в солнечных лучах и утверждает, что оно вызвано столкновением атомов с пылинками. В 1857 году шотландский ботаник Роберт Броун (1773–1858) наблюдал беспорядочные перемещения частичек пыльцы в воде, в дальнейшем этот эффект получил название броуновского движения. В своей третьей работе, написанной в 1905 году, Эйнштейн вывел уравнения, из которых следовало, что на основе зубчатости траектории броуновских частиц можно доказать существование атомов и определить их размеры. В 1909 году французский физик Жан Батист Перрен использовал теорию Эйнштейна и ряд других методов, чтобы определить значение числа Авогадро, важной химической постоянной, которую для наших целей можно считать просто равной количеству атомов в одном грамме газообразного водорода. В настоящее время число Авогадро равно 6,022∙10²³, из чего следует, что масса атома водорода равна 1,66∙10^-24 г. Хотя данное значение и было получено косвенно, с этого момента только самые неисправимые упрямцы, такие как Эрнст Мах, продолжали отрицать, что материя состоит из огромного количества крохотных частиц.

В 1896 году французский физик Анри Беккерель (1852–1908) открыл ранее неизвестное излучение с высокой проникающей способностью, испускаемое атомом урана. В дальнейших лабораторных экспериментах Беккереля, Эрнеста Резерфорда, а также Пьера и Марии Кюри было найдено три типа такого излучения: α-, β- и γ-лучи, испускаемые различными химическими элементами.

В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнст Марсден провели эксперимент, в котором бомбардировали тонкую золотую пластинку α-частицами газа радона. Этот эксперимент показал, что при рассеянии в пластинке α-лучи отклоняются под неожиданно большим углом. В 1911 году на основании этих наблюдений Резерфорд сделал вывод, что атом, сам по себе крошечный, состоит из еще более мелких частиц, намного меньших, чем он сам, заключающих в себе большую часть его массы. В этой модели электроны вращаются вокруг ядра атома по орбиталям, подобным орбитам планет.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предположил, что электроны в атомах могут существовать только на определенных орбиталях. Каждая орбиталь соответствует отдельному энергетическому уровню, при этом в основном состоянии атома энергия минимальна. Если электрон в атоме переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, атом испускает фотон, энергия которого в точности равна разности между двумя энергетическими уровнями, что проявляется в виде тонкой полоски в эмиссионном спектре. Бору удалось рассчитать наблюдаемый эмиссионный спектр атома водорода. Спектр поглощения наблюдается только у тех фотонов, энергия которых равна разнице между двумя энергетическими уровнями. Итак, последняя проблема физики XIX века, которую нельзя было постичь в рамках волновой теории, была решена — узколинейчатым спектрам атомов нашли объяснение.

Теория Бора была еще очень неотшлифованной, но в значительной мере согласовывалась с экспериментальными данными. В рамках квантовой механики как в варианте Гейзенберга, так и в версии Шрёдингера электронная формула атома водорода получалась такой же, что и в расчетах Бора; предположительно ее можно было применить и для других атомов. Релятивистская квантовая теория Дирака работала еще лучше, позволяя рассчитать небольшое расщепление спектральных линий, называемое сверхтонкой структурой, которое обнаружили благодаря совершенствованию спектроскопического оборудования.

Из теории Дирака также следовало, что электрон имеет полуцелый спин (спином называется собственный момент импульса частицы). Это понятие было предложено австрийским физиком Вольфгангом Паули^[10]. В 1925 году Паули изложил закон, известный теперь как принцип запрета Паули: две и более одинаковые частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Появление этого принципа позволило объяснить закономерности периодической таблицы химических элементов.

Хотя мы все еще называем химические элементы атомами, они больше не могут считаться неделимыми, если вместо низкоэнергетических химических реакций рассматривать высокоэнергетические ядерные реакции. Химические атомы — это не точечные частицы, но сложные структуры, состоящие из более простых объектов — ядер и электронов. Более того, в ходе ядерных реакций они могут превращаться друг в друга, воплощая тем самым мечту древних алхимиков.

Б 30-х годах XX века выяснилось, что ядра также состоят из более простых частиц, протонов и нейтронов, при этом нейтроны слегка тяжелее протонов и электрически нейтральны, хотя и представляют собой миниатюрные магниты, подобно протонам и электронам. Протон имеет положительный заряд. Водород — простейший элемент, состоящий из одного протона и одного электрона. Добавьте к ядру водорода нейтрон и получите тяжелый водород, или дейтерий. Добавьте еще один нейтрон и получите тритий. Добавьте к тритию еще один протон и получите гелий.

Каждый элемент периодической таблицы Менделеева определяется атомным числом Z, равным количеству протонов в ядре. Ему же равно количество электронов в электрически нейтральном атоме. Атомы с числом электронов меньше или больше числа протонов — это электрически заряженные ионы.

Изменение числа нейтронов в ядре не меняет положение атома в периодической таблице, но создает его изотоп, химические свойства которого в целом не очень отличаются от свойств исходного изотопа, но ядерные свойства могут быть совершенно иными. Стандартная формула изотопа выглядит как X^A, где X — химический символ, который соответствует атомному числу Z. Число A обычно называют атомной массой, но его более точное название — нуклонное число, то есть число протонов и нейтронов в ядре (термином «нуклоны» обозначаются как протоны, так и нейтроны).

Известно три типа радиоактивного излучения: α-лучи представляют собой поток ядер гелия, β-лучи — поток электронов или позитронов, γ-лучи — поток высокоэнергетических фотонов.

В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик подтвердил существование нейтронов. Итак, на тот момент состав Вселенной сводился всего к четырем элементарным частицам: электронам, протонам и нейтронам, составляющим атомы, и фотонам, структурным единицам света.

Однако, как мы уже выяснили, в том же году Андерсон подтвердил предсказанное Дираком существование антиэлектрона, или позитрона. Из этого следовало, что существует целый отдельный мир, состоящий из вещества, называемого антиматерией. К примеру, атом антиводорода состоит из антипротона и позитрона. Однако существование антипротонов, антинейтронов и антиводорода экспериментально было подтверждено только в 50-х годах XX века.

В 1936 году Андерсон и его ассистент Сет Неддермейер обнаружили в космическом излучении еще одну частицу, похожую на электрон, но тяжелее его. Сейчас эта частица называется мюоном. По сути, она представляет собой более тяжелый электрон. Мюон стал первым из вереницы новых частиц, открытых в 50-х и 60-х годах XX века.

Протоны в ядре плотно прилежат друг к другу, хотя их положительные заряды отталкиваются с большой силой. Что же тогда удерживает вместе компоненты атомного ядра? Поскольку нейтрон не имеет заряда, а только очень слабое магнитное поле и поскольку сила тяготения намного слабее силы электрического взаимодействия частиц такой маленькой массы, ядро должна удерживать какая-то другая сила. Эту силу называют сильным ядерным взаимодействием, поскольку ее должно хватить на то, чтобы преодолеть электромагнитное отталкивание положительно заряженных протонов в ядре. В то время как электромагнитная сила действует на огромных расстояниях (до нас доходит свет от галактик, расположенных в миллиардах световы хлет от Земли), сильное ядерное взаимодействие работает только для частиц, расположенных в нескольких фемтометрах (10^-15 м) друг от друга.

Более того, позднее ученые выяснили, что сила, ответственная за радиоактивный распад ядра, при котором испускаются β-лучи (поток электронов), — это отдельная сила, действующая на еще меньшем расстоянии и называемая слабым ядерным взаимодействием. Кроме того, выяснилось, что именно слабое ядерное взаимодействие является основным источником энергии Солнца и других звезд.

В 1930 году Паули предположил, что «потерянная» энергия при β-распаде уносится нейтральной частицей с крошечной массой, которую итальянский физик Энрико Ферми окрестил нейтрино. Существование нейтрино подтвердилось только в 1956 году.

Я не буду вдаваться в подробности хорошо известной истории развития ядерной энергетики до начала Второй мировой войны и ее использования для создания невероятно мощных бомб, а также нового, способного вызвать проблемы источника энергии, который тем не менее в конечном итоге может оказаться единственным реальным способом удовлетворения мировых энергетических потребностей.

Итак, в 1945 году ученым были известны протон и нейтрон, составляющие атомное ядро, электрон, вместе с ними образующий атом, и фотон — носитель света. А кроме того, позитрон, мюон и гипотетическое нейтрино. Были известны четыре фундаментальных взаимодействия этих частиц:

♦ гравитационное;

♦ электромагнитное;

♦ сильное ядерное взаимодействие;

♦ слабое ядерное взаимодействие.

Также имелись релятивистские квантовые теории для фотонов и электронов, но все они учитывали только электромагнитное взаимодействие. Дирак и другие ученые разработали релятивистскую квантовую теорию поля, которая давала результаты только в приближении первого порядка, в дальнейших приближениях приводя к бесконечности в ответе. Ферми заложил основы теории слабого ядерного взаимодействия, а японский физик Хидэки Юкава разработал начальную, не очень удачную теорию сильного взаимодействия. Таким образом, в физике оставалось еще много нерешенных проблем.

По окончании войны эстафету приняло новое поколение физиков, которые подняли науку на новый уровень, используя результаты работы исследователей начала века. Научная картина 1999 года, в отличие от таковой в 1899 году, объясняла все, что было известно на тот момент о строении вещества.

Однако прежде, чем мы перейдем к этой истории, давайте снова обратимся к космологии. Дальнейшее совершенствование телескопов в первой половине XX века в сочетании с прогрессом физики в этот период продвинуло наши представления о Вселенной далеко вперед: от нашей собственной галактики, Млечного Пути, к новой картине Вселенной, продолжающей расширяться после первоначального взрыва, названного Большим, о чем мы и поговорим в следующей главе.

Глава 7.
ОСТРОВНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ