Вся физика в 15 уравнениях - Бруно Мансулье

Эволюция Вселенной

После появления общей теории относительности и благодаря развитию ядерной физики были установлены механизмы свечения и производства энергии звездами. Ученые также поняли, что почти все химические элементы, окружающие нас сегодня, не существовали при рождении Вселенной, а были произведены в ядерных реакциях в процессе эволюции звезд или во время их взрывов, таких как сверхновые звезды. Это придает конкретный смысл выражению «мы все — звездная пыль»… Только несколько «первичных» элементов, таких как водород и гелий, появилось в самые первые минуты существования Вселенной, и модель Большого взрыва способна описать условия синтеза этих первых атомных ядер. Измерение в середине XX в. относительного содержания различных элементов в космосе обеспечило весьма яркое (вот уж действительно!) подтверждение модели Большого взрыва. С тех пор при помощи многочисленных наблюдений и измерений эта модель многократно проверялась на прочность и все эти испытания выдерживала на «отлично».

Если мы отбросим креационистские тезисы и начнем полагаться только на экспериментальные наблюдения, то сама идея «возраста Вселенной» будет выглядеть революционной. Если опираться на человеческий опыт, то что может быть более постоянным, чем движение планет и звезд? Смена времен года, положения планет, затмения — все указывает людям, что их пребывание на Земле — лишь крошечный миг в неизменной Вселенной. Согласитесь, наша жизнь очень коротка по сравнению с почти 14 млрд лет Вселенной, но благодаря нашему знанию мы поняли, что Вселенная не всегда была такой, как сейчас. И мы смогли это осознать лишь благодаря размышлениям и наблюдениям. В результате чего вновь освободили самих себя от чувств и интуиции…

Черные дыры: лаборатория… в воображении

Благодаря современной технике для оптических наблюдений с их компьютерной обработкой некоторые эффекты общей теории относительности теперь можно увидеть наглядно, причем самым впечатляющим образом: световые лучи от далеких галактик, следуя за пространственно-временным континуумом, искаженным присутствием материи, проецируют гравитационные миражи, грандиозные светящиеся дуги или множественные изображения типа гало. Не так давно, используя необычайно чувствительный измерительный прибор[49], физики обнаружили прохождение через Землю гравитационных волн, возникших при слиянии двух очень далеких черных дыр. Это наблюдение опять-таки оказалось очередным подтверждением общей теории относительности.

Хорошо известные широкой публике черные дыры являются прямым следствием уравнения Эйнштейна. Они представляют собой настолько сконцентрированную массу, что пространство-время искривляется, формируя замкнутую поверхность, из-за которой наружу не могут вырваться даже лучи света. Теперь нам кажется, что эти дыры есть везде, начиная с центра нашей галактики, Млечного Пути, где находится черная дыра «среднего» размера весом почти 4 млн солнечных масс — пустяк по сравнению с 17 млрд солнечных масс самой гигантской черной дыры, известной на сегодня…

Черные дыры — это в первую очередь необычные астрофизические объекты, но они также являются прекрасной областью исследований для фундаментальной физики. В чрезвычайно компактном мире черной дыры, замкнутом на себя, все законы меняются. Это касается также и понятия об информации: что происходит с информацией о природе, энергии, направлении движения частиц или объектов, когда они попадают в черную дыру?

Данная загадка до сих пор смущает ученых, тем более что благодаря Стивену Хокингу мы знаем о медленном испарении черных дыр… и, как только черная дыра полностью испаряется, куда исчезает информация, которую несли все поглощенные ею частицы? Наверное, здесь надо заметить, что испарение Хокинга является чисто квантовым эффектом, а общая теория относительности находится в ужасном противоречии с квантовой механикой. Черная дыра — действительно лучшее место, чтобы противопоставить, пусть пока лишь мысленно, два столь разных представления о мире: общую теорию относительности, идеальную, гладкую и геометрически выверенную, и квантовую механику, такую странную, зыбкую и неопределенную.

Здесь и сейчас

Революционным аспектом в открытии общей теории относительности стала, пожалуй, возможность (или, по крайней мере, намерение) рассматривать всю Вселенную как объект для измерений и исследований. Может быть, это всего лишь очередная суета, и люди будущего будут относиться к нам так же, как мы относимся к нашим предкам из Средневековья, которые думали, что населяют плоскую землю под бархатным навесом, усыпанным хрустальными звездами.

Может быть. Но давайте подытожим эти честолюбивые умозаключения: благодаря наблюдениям и их интерпретации в рамках общей теории относительности Вселенная теперь имеет возраст (13,8 млрд лет), форму (однородно плоская, без кривизны), плотность (10-26 кг/м3, что соответствует примерно 6 атомам водорода на кубический метр, легко запоминающееся число!). Модель Большого взрыва позволяет описать эволюцию ранней Вселенной, начиная с нескольких наносекунд после ее рождения и до сегодняшнего дня.

Вселенная как измеримый объект все еще является чистым листом для различных видов творчества. Согласно некоторым теоретическим моделям, Вселенная может быть скручена или замкнута сама на себя; некоторые ее конфигурации таковы, что ни один автор научной фантастики не осмелился бы предложить такое! Однако все эти модели вступают в противоречие с наблюдениями, и кажется весьма вероятным, что наша Вселенная настолько простая и плоская, насколько это возможно.

И это все? Бесконечная плоская Вселенная, постепенно становящаяся все более разреженной и холодной? Некоторые ученые несколько разочарованы. Правда, вместо разочарований и сетований мы должны быть счастливы, что нам «повезло» жить в эпоху, когда силы, управляющие динамикой Вселенной, гармонично уравновешивают друг друга и когда она все еще содержит достаточно места и материи, чтобы разместить удобную галактику, в пригороде которой мы живем, на безопасном удалении от чудовищной центральной черной дыры…

Глава 13

Уравнение Дирака

(iY^d^ — m)ф = 0

Это уравнение все еще волнует меня, как ребенок… Самый красивый, самый чистый из всех. Более красивый, чем E = mc2, и не забрызганный кровью истории.

Даже если кто-то не любит математику или у кого-то ровные линии и рациональные пропорции вызывают некоторое неприятие, изящество символической записи этого уравнения не может не восхищать: гармоничная округлость γ, обходительное д, резкое i, деликатные индексы μ, записанные как апподжатуры[50], и окутанное глубокой тайной ψ.

Признаюсь, данное уравнение немного конфиденциальное, поскольку изучается лишь на последних курсах университета, требуя хорошей подготовки в области физики и математики, а именно теории относительности и квантовой механики.

И Дирак создал антиматерию

Как мы узнаем позже, Поль Дирак смог разглядеть в своем уравнении гораздо больше того, для чего оно изначально было создано: он открыл антиматерию, совершив опять же концептуальную и практическую революцию. В этом смысле уравнение Дирака является прекрасным примером власти разума над материей — любому фанату буддизма следует пройти пятилетний университетский курс, чтобы понять его суть.

В 1928 г.