Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

В 1905 году лорд Рэлей (Джон Стретт, 1842–1919) и Джеймс Джинс (1877–1946), используя классическую волновую теорию, определили спектр излучения абсолютно черного тела. Расчеты основывались на предположении, что излучение порождается колебаниями заряженных частиц внутри тела. Чем короче длина волны, тем большее количество электромагнитных волн может поместиться внутри тела. Рэлей и Джинс определили, что график спектральной плотности черного тела резко сужается в четвертом порядке длины волны.

Однако модель Рэлея — Джинса имела серьезный недостаток. В соответствии с ней с уменьшением длины волны график спектральной плотности будет расширяться до неопределенных пределов. Это следствие получило название ультрафиолетовой катастрофы. На самом деле кривая спектральной плотности любого черного тела резко спадает с обеих сторон.

Третье наблюдаемое явление, необъяснимое в рамках волновой теории, имеет отношение к ультрафиолетовому излучению. Физики, в частности Герц, открыли множество явлений, при которых ультрафиолетовый свет, направленный на различные металлы, порождает электрический ток. Живительным было то, что существует пороговое значение длины волны, соответствующее виду металла, выше которого электрический ток не возникает. Волновая теория света не объясняла природу этого явления.

Но это были еще не все проблемы, связанные с волновой теорией света. Если свет — электромагнитная волна, то в какой среде распространяются эти волны? Общепринятое предположение заключалось в том, что электромагнитные волны представляют собой вибрации в невидимом, не создающем трения веществе, которое беспрепятственно наполняет всю Вселенную. Это вещество отождествляли с аристотелевской квинтэссенцией, эфиром. Но, как отметил сам Максвелл, ничто в его теории электромагнетизма не подтверждает существования эфира. В отличие от математического описания звуковых волн, которое начинается с предположения о существовании эластической среды, прогнозы Максвелла касательно электромагнитных волн существования такой среды не предполагали. Она просто не вписывается в его уравнения для электромагнитного поля.

Начиная с 1887 года американские физики Альберт Майкельсон (1852–1931) и Эдвард Морли (1863–1923) проводили серию экспериментов, в которой пытались выявить присутствие эфира путем измерений ожидаемых различий в скорости света двух перпендикулярно направленных лучей, которые, согласно принципу относительности Галилея, предположительно, должны были с разной скоростью проноситься Землей сквозь эфир. Если Земля движется вперед относительно эфира со скоростью v, скорость света должна равняться v + с, если назад, то v — с. И эти ученые, и их последователи, проводя все более точные эксперименты, так и не увидели ожидаемого изменения скорости света. Вместо этого у них все время получалась одно и то же значение — c.

Итак, хотя к началу XX века физика достигла невообразимых высот, оставались некоторые проблемы, которые впоследствии привели к ее дальнейшим невероятным достижениям и покорению новых рубежей.

Глава 6.

ВТОРАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ 

Всему найдено объяснение? Не совсем

Из главы 5 мы узнали, что к концу XIX века физика была близка к тому, чтобы найти объяснение всем явлениям и процессам материального мира. Считалось, что Вселенная состоит из частиц, движущихся в пространстве и сталкивающихся между собой согласно законам механики, тяготения и электромагнетизма.

Часто упоминают фразу, якобы произнесенную выдающимся физиком лордом Кельвином (Уильямом Томсоном) в выступлении перед Британской ассоциацией содействия развитию науки в 1900 году: «Ничего нового в физике открыть невозможно. Остается только проводить все более точные измерения». Однако данных, подтверждающих, что он действительно сделал такое заявление, нет{98}. Хотя Кельвин, возможно, и не говорил ничего подобного, эта фраза отражает общепринятую точку зрения тех времен. В любом случае фактически это не было правдой. Как мы уже знаем, в 1900 году оставалось несколько наблюдаемых явлений, которые невозможно было объяснить с точки зрения волновой теории света.

Как стало ясно из главы 5, представления древних атомистов о мире, состоящем из элементарных частиц, движущихся в абсолютной пустоте, противоречили физической картине, сложившейся в XIX веке. В представлении ученых, мир был заполнен сплошным однородным невидимым веществом, эфиром, в котором двигались частицы.

Световые волны считались эффектом от вибраций эфира, подобно тому как звуковые волны возникают вследствие вибрации воздушной или водной среды. Тот факт, что воздух и вода не являются сплошными и однородными средами, а состоят из крошечных атомов, не представлял проблемы, так как уравнения звуковых волн можно вывести из законов ньютоновской механики материальной точки, применив их к дискретной среде. Майкл Фарадей, как и Ньютон до него, допускал, что эфир тоже может состоять из частиц. Более того, вспомним, что Джеймс Клерк Максвелл не предполагал наличия эфира, делая вывод о существовании электромагнитных волн, и что никому так и не удалось получить данные, подтверждающие присутствие эфира во Вселенной. Эфир никак не проявлял себя ни теоретически, ни в ходе экспериментов.

Что касается остальных разделов физики, та успешность, с которой ньютоновские законы механики и всемирного тяготения описывали движение, будь то движение планет или падающих яблок, свидетельствовала об универсальном характере этих законов. А наблюдение в свете звезд тех же спектральных линий, которые можно увидеть в лабораториях на Земле, доказывало, что в основе их появления лежат одни и те же вселенские законы.

При этом, поскольку свет является электромагнитной волной, можно сделать вывод, что и уравнения Максвелла универсальны. Однако из этих уравнений нельзя вывести механизм возникновения наблюдаемых узколинейчатых спектров. А в довершение всего в рамках волновой теории света нельзя объяснить спектр черного тела и фотоэффект.

Что касается корпускулярной природы атомов, мы выяснили, что многие ученые продолжали сомневаться в ней из-за косвенного характера лежащих в ее основе данных.

В следующих разделах я кратко обобщу революционные физические открытия, совершенные за период с 1900 года до конца Второй мировой войны — 1945 года, делая особый упор на их космологической значимости. Более детальные объяснения можно найти в моей книге «Бог и атом».

Специальная теория относительности

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности, и это спровоцировало коренной переворот в наших представлениях о пространстве, времени и материи. Альберту Майкельсону и Эдварду Морли не удалось эмпирически подтвердить ожидаемые различия в скорости света, связанные с движением Земли сквозь гипотетический эфир. Хотя Эйнштейн и не упомянул их результаты в своей работе, вероятно, он был осведомлен о них. Однако, вместо того чтобы сослаться на какие-либо результаты наблюдений, Эйнштейн выдвинул сугубо теоретический постулат, хотя стоит помнить, что его теория в конечном итоге основывалась на наблюдаемых явлениях, в частности на электричестве и магнетизме.

Электромагнитные волны, математическое описание которых выводилось из уравнений Максвелла, распространяются в вакууме с точной скоростью с, определенно нарушая тем самым принцип относительности Галилея, который, как мы узнали из главы 2, утверждает, что все скорости относительны. Таким образом, скорость источника света, движущегося относительно наблюдателя, должна была бы увеличивать или уменьшать скорость света, давая результат, отличный от с. Однако это не допускалось уравнениями Максвелла, а эксперименты Майкельсона и Морли этого не подтвердили.

Относительность времени и пространства

Но Эйнштейн не был готов поставить крест на принципе относительности. Итак, он задался вопросом: каковы будут последствия того, что принцип относительности действует, а скорость света в вакууме всегда равна c? На основе двух этих аксиом Эйнштейн доказал среди прочего, что временные и пространственные промежутки между двумя событиями не постоянны. То есть два наблюдателя, системы отсчета которых движутся друг относительно друга, получат при измерениях разные значения времени и расстояния.

Другими словами, время и пространство не абсолютны, хотя именно это подсказывает нам здравый смысл. С точки зрения наблюдателя, часы, движущиеся относительно него, замедляют свой ход (замедление времени), а любой объект, движущийся относительно наблюдателя, сожмется в направлении своего движения (сжатие Лоренца — Фицджеральда). Это не значит, что они действительно делают это. Часы не замедляют свой ход, а объекты не сжимаются для наблюдателя, находящегося на них. Только внешним наблюдателям из других систем отсчета кажется, будто происходят такие странные вещи.