Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

В поисках ответа Эйнштейн в 1905 г. сформулировал специальную теорию относительности, а в статье 1907 года предложил знаменитую формулу Е = mc 2, демонстрирующую эквивалентность энергии и массы и возможность их взаимного превращения. При этом «обменный курс» массы и энергии в отличие от курса обмена разных национальных валют должен быть постоянным. Энергия Ей масса т могут меняться, но коэффициент, связывающий эти фундаментальные понятия, всегда равен с 2, квадрату скорости света. Огромное числовое значение этого коэффициента означает, что в очень небольшой массе может быть запасена чудовищная энергия. Это доказали не только взрывы атомных бомб, но и тот факт, что полет «Аполло-11» на Луну потребовал, строго говоря, не очень много энергии (читатель может, кстати, сопоставить мощь многоступенчатой ракеты, запущенной с мыса Канаверал во Флориде, с энергией той скромной установки, которая позволила вернуть «Аполло-11» с Луны на Землю).

Проблема гравитации в полной мере привлекла всеобщее внимание в связи с разработкой в 1915 г. общей теории относительности, которая не нуждалась в понятии эфира. Этой теорией Эйнштейн окончательно порвал с ньютоновскими силами. Созданная Ньютоном модель Вселенной была статичной, а Эйнштейн предложил динамичную модель мира, в соответствии с которой само пространство обладало «упругостью» и было способно искривляться, растягиваться и даже деформироваться под действием массы тел. Оказалось, что гравитационное поле Солнца искажает пространство и искривляет проходящие вблизи него лучи света. Более крупные звезды еще сильнее деформируют пространство, а черные дыры, как стало в конце концов ясно, влияют на пространство совершенно немыслимым образом. Идея Эйнштейна заключалась в том, что материальные тела искривляют пространство.

Математический аппарат теории Эйнштейна был чрезвычайно изящным, что весьма высоко оценивается физиками. Однако эффекты, предсказываемые новой теорией, было необходимо проверить на опыте. Такая возможность представилась спустя три года, когда знаменитый английский астроном Артур Эддингтон организовал экспедицию на остров Принсипи (близ берегов Экваториальной Африки) для наблюдений полного солнечного затмения 29 мая 1919 г. Согласно общей теории относительности, в короткий период полного затмения должно было наблюдаться смещение положения некоторых звезд, расположенных вблизи солнечного диска. Зарегистрированные астрономами смещения полностью совпали с предсказаниями теории относительности. На вопрос, что бы он сделал, если бы наблюдения не подтвердили его теорию, Эйнштейн ответил: «Я бы выразил Богу свои соболезнования. Моя теория точна!» Похоже, Эйнштейн вовсе не был столь скромным и застенчивым, каким его принято представлять.

Теория гравитации Эйнштейна вовсе не уничтожила ньютоновскую механику, которая по-прежнему точно описывает поведение тел в Солнечной системе и, естественно, в окружающей нас повседневной жизни. Проблемы с ньютоновской механикой возникают, лишь когда мы пытаемся использовать ее для описания крупномасштабных явлений и тел. Например, мы не можем в рамках механики Ньютона рассчитать поведение черных дыр, гравитационные поля которых столь велики, что свет не может вырваться из них наружу. Теория Эйнштейна четко предупреждает о возникновении необычной ситуации в условиях, когда сверхвысокая плотность вещества будет приводить к «захвату» света.

С развитием физики роль ньютоновской гравитации стала более скромной. Во времена Ньютона гравитационные силы, управляющие движением звезд и планет, казались наиболее существенным фактором. Однако современная наука выяснила, что гравитация, хотя и играет важную роль, способствуя определенному порядку во Вселенной, оказывается лишь одним из четырех видов взаимодействий, существующих в природе, причем самым слабым. Для характеристики этих сил представим себе бейсбольный матч на стадионе, электроснабжение которого обеспечивает атомная станция. Движение мяча по стадиону определяется гравитационными силами Земли, работу светящегося табло на стадионе обеспечивают электромагнитные силы, а электричество вырабатывается на АЭС под действием ядерных сил (они проявляются при распаде атомных ядер). И наконец, всё на этой картине (включая зрителей, поедаемые ими бутерброды, скамейки, скамьи, биты, мячи и т. д.) построено из атомов, включающих атомные ядра, внутри которых существует сильное взаимодействие.

При изучении элементарных частиц можно полностью пренебречь гравитационными силами. Электрон и протон объединяются в атом водорода не за счет взаимного гравитационного притяжения, а под действием значительно более сильного электромагнитного взаимодействия, причем электрические силы превосходят гравитационные примерно в 1040 (единица с сорока нулями!) раз. Французский физик и писатель вьетнамского происхождения Трин Хуан Туан замечает по этому поводу: «Если бы электрическое взаимодействие отсутствовало, то атом водорода под воздействием гравитационной силы стал бы «разбухать» и «размазываться» по всей Вселенной. Гравитационное притяжение настолько слабо, что оно удерживало бы электрон и протон на расстоянии в десятки миллиардов световых лет».

Лишь в случае немыслимо большого количества собранных вместе атомов возникают достаточно заметные гравитационные силы. Притяжение между горой Эверест и человеком совершенно ничтожно. Те очень смелые или очень глупые люди, которые любят лазить по горам, должны полагаться лишь на собственные силы. Поднимаясь на вершину, они преодолевают тяготение не Эвереста, а всей планеты. Именно притяжение Земли может сорвать альпиниста со скалы и даже лишить его жизни, но с физической точки зрения гравитационные силы играют незначительную роль. Листок бумаги спокойно лежит на столе, несмотря на притяжение всей массы Земли. Гравитация — самое слабое из четырех известных типов взаимодействий, однако именно она по иронии судьбы создает одну из самых сложных проблем современной физики.

Дело в том, что квантовая физика, на которой основана теория Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, предсказывает наличие определенного единства лишь трех фундаментальных взаимодействий, которые принято называть слабыми, сильными и электромагнитными, тогда как гравитация (и в ньютоновской, и в эйнштейновской трактовке) оказывается в изоляции. Между тем физики мечтают об объединении гравитации с тремя другими фундаментальными взаимодействиями в «теорию всего сущего». Физики уже затратили массу усилий, чтобы включить в квантовую механику электромагнитные силы. Для этого пришлось разработать специальные методы «перенормировки», позволяющие избежать появления в расчетах так называемых расходимостей, т. е. бесконечно больших величин, бич современной физики. Ныне покойный Ричард Фейнман, не только блестящий физик, но и автор популярных и остроумных книг, когда-то даже пошутил, что Нобелевскую премию ему присудили за то, что ему удалось «убрать бесконечности подобно тому, как хозяйка заметает мусор под коврик».