Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

2,5 метра. ( Примеч. ред. )

В 1908 году Генриетта Левитт открыла одно свойство цефеид: чем больше период их пульсации, тем выше их собственная светимость. Соответственно, светимость цефеиды всегда можно вычислить по периоду её пульсации. Зная, насколько яркой она должна выглядеть с Земли и в каком виде наблюдается на самом деле, астрономы могут рассчитать расстояние до неё.

«Космос большой. Очень большой. Даже представить себе невозможно, какой он большой, огромный, колоссальный, сокрушительно-исполински-великанский». Дуглас Адамс, «Автостопом по Галактике», глава 8.

Частота (или высота) звука полицейской сирены повышается, если полицейская машина приближается к вам, и понижается, когда она начинает удаляться. Точно так же и частота света, излучаемого атомами в звезде, может становиться выше или ниже в зависимости от того, движется эта звезда по направлению к Земле или от неё. Измерив величину этого «доплеровского смещения» для атомов распространённых элементов, таких как водород, астрономы могут определить скорость движения звезды.

Для формирования элементов требуются высокие температуры, потому что атомные ядра имеют положительный заряд. Одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, поэтому ядра яростно сопротивляются любому сближению. Но если столкнуть их на очень высокой скорости, можно преодолеть силу отталкивания и два ядра могут оказаться достаточно близко друг к другу, чтобы в дело вступили силы ядерного взаимодействия. А высокая скорость — это синоним высокой температуры, ведь температура — это всего лишь микроскопическое движение.

Артур Эддингтон, разработавший теорию о внутреннем строении звёзд, полагал, что, когда звёзды вращаются, потоки газа внутри них перемешиваются. Звезда превращает своё водородное топливо в гелиевый пепел, а побочным продуктом этой реакции является солнечный свет. В ходе данного процесса водород распределяется внутри звезды, и так происходит до тех пор, пока звёздный свет не тускнеет и не исчезает окончательно. Но Эддингтон был не прав. Никакого смешения не происходит. Вместо этого гелиевый пепел оседает в центре звезды, где сжимается и нагревается. Когда водородное топливо заканчивается, гелий пережигается в углерод, который тоже падает в центр звезды, сжимается и нагревается. В результате звёздный материал оказывается вовсе не равномерным, сами звёзды не потухают, а становятся химически дифференцированными, а их центр в течение миллионов и миллиардов лет становится всё плотнее и горячее. Возникают благоприятные условия для формирования элементов.

Все существующие в природе элементы не могли возникнуть в момент Большого взрыва, потому что огненный шар материи слишком быстро расширился и остыл. Условия, необходимые для формирования элементов, действовали примерно с первой до десятой минуты жизни Вселенной. Тем не менее этого было достаточно для возникновения атомов самых лёгких элементов, например лития и бериллия. В частности, Большой взрыв должен был превратить около десяти процентов атомов водорода в атомы гелия. Именно такое соотношение наблюдается сегодня во Вселенной, и это ещё один аргумент в пользу теории Большого взрыва. Почти все прочие, более тяжёлые элементы, от железа в нашей крови и кальция в костях до кислорода, которым мы дышим, родились внутри звёзд уже после Большого взрыва.

Чёрное тело впитывает все попадающее на него тепло. Оно распределяется между всеми его атомами в ходе постоянных столкновений быстрых атомов с более медленными. В результате чёрное тело излучает тепло вне зависимости от того, из какого вещества оно состоит. «Излучение чёрного тела» имеет универсальный спектр, который зависит лишь от одной величины — температуры.

Chown M. Afterglow of Creation. — London: Faber & Faber, 2010.

Schulman L. S. Source of the observed thermodynamic arrow // Journal of Physics: Conference Series. — 2009. — Vol. 174. — 012022. — arXiv:0811.2787.

Сам Эйнштейн никогда не верил в чёрные дыры. В октябре 1939 года он опубликовал работу, в которой (ошибочно) заявил, что для образования чёрной дыры из скопления звёзд они должны вращаться вокруг друг друга со скоростью больше скорости света, что невозможно в соответствии со специальной теорией относительности. См. Einstein A. On a Stationary System With Spherical Symmetry Consisting of Many Gravitating Masses // Annals of Mathematics. Second Series. — 1939. — Vol. 40. — No. 4. — P. 922 ( https://www.jstor.org/stable/1968902).

См.: Chown M. Quantum Theory Cannot Hurt You. — London: Faber & Faber, 2014.

Строго говоря, квантовая теория описывает не малые, а «изолированные» тела, то есть тела, на которые не оказывает влияния их окружение. На практике, однако, это всё-таки делает квантовую теорию теорией малых тел, так как атом гораздо легче выделить из окружающей среды, чем более крупное тело — например, вас, ведь в вас постоянно будут врезаться молекулы воздуха и частицы света.

Einstein A. Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation // Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften. — Berlin: Verlag der Königlichen Akademie der Wissenschaften, 1916. — P. 696. (Также переиздано в книге: Einstein A. The Collected Papers of Albert Einstein / Volume 6 — The Berlin Years: Writings, 1914–1917. — Princeton: Princeton University Press, 1996. — 32. Approximate Integration of the Field Equations of Gravitation. — P. 347 ( https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol6-doc/375))

Bragg W. Electrons and Ether Waves (The Robert Boyle Lecture 1921) // Scientific Monthly. — 1922. — Vol. 14. — P. 158.

Эту фразу Нильс Бор сказал Вольфгангу Паули после презентации нелинейной теории поля элементарных частиц Гейзенбергом и Паули в Колумбийском университете в 1958 году. См.: Dyson F. Innovation in Physics // Scientific American. — September 1958. — Vol. 199. — No. 3. — P. 74.

Гамма-лучи переносят ещё больше энергии, чем рентгеновские. Они были открыты французским физиком и химиком Полем Вилларом в 1900 году, а название им дал новозеландский физик Эрнест Резерфорд в 1903 году. Источником гамма-лучей являются ядра атомов, содержащие огромные объёмы энергии.

Когда свет попадает на поверхность определённого металла, с неё выбиваются электроны, и чем больше объём (выше интенсивность) света, тем больше электронов высвобождается. Но если энергия света имеет значение меньше порогового, высвобождения электронов не происходит. Согласно Эйнштейну, этот «фотоэлектрический эффект» можно объяснить тем, что свет состоит из фотонов, и только те из них, которые обладают достаточной энергией, в состоянии выбить электроны из атомов металла.

Как только были подтверждены существование атомов и их крохотные размеры (десять миллионов атомов могут поместиться в точку в конце этого предложения), учёные задумались о парадоксе. Длина волны видимого света примерно в 10 000 раз больше размеров атома. Как же он может поглощать или излучать свет? Всё дело в том, что свет локализуется в фотонах, имеющих атомные размеры.