Гипотезы и заблуждения, о которых должен знать современный человек - Елена Трибис

Сам Эйнштейн говорил, что физические законы должны быть настолько универсальны, чтобы их можно было применять для систем отсчета, движущихся произвольным образом. Именно поэтому была разработана общая теория относительности, углубленно рассмотревшая явление всемирного тяготения. Действительно, ни Галилей, ни Ньютон, описывавшие тяготение, не смогли описать природу самого этого явления. Впервые в рамках теории относительности Эйнштейну удалось проникнуть в тайны притяжения тел, обладающих массой.

Эйнштейн проанализировал идею, выдвинутую в свое время Махом, о том, что частица обладает инерцией только при взаимодействии с остальным веществом Вселенной, причем это взаимодействие, судя по всему, и является гравитационным по своей сути. Ускорение, придаваемое разным по инерционности частицам Вселенной, является следствием воздействия на частицу некоего поля тяготения, являвшегося по своей природе результатом взаимодействия относительного движения нескольких тел. Таким образом, ускорение также является относительным.

Коренным отличием специальной теории относительности от общей является то, что в первой обосновывалась относительность пространства-времени с прямыми световыми лучами, тогда как во второй пространственно-временное измерение считалось изначально искривленным, что было теоретически блестяще доказано выдающимися математиками Лобачевским и Риманом (именно общая теория относительности «включила в жизнь» теоретические разработки неевклидовой геометрии).

Итак, Эйнштейн разрабатывает математический аппарат своей теории, с помощью которого высчитывает кривизну времени и пространства, создаваемого Солнцем в Солнечной системе. Важным и неопровержимо доказывающим правильность новой теории являются следующие данные: уже давно было известно, что в силу влияния взаимного тяготения планеты движутся по эллиптическим орбитам, которые к тому же медленно поворачиваются относительно своей оси, это явление получило название прецессии перигелия.

В случае планеты Меркурий экспериментальные данные показывали, что поворот эллиптической орбиты происходит на 43 угловые секунды в столетие быстрее, чем это должно было бы быть согласно теоретическим выводам законов Ньютона. Расчеты же с позиций общей теории относительности полностью теоретически подтверждали данные измерений, определяя, помимо величины отклонения, и направление поворота эллипса.

Вдохновленный успехом, Эйнштейн вычисляет угол отклонения световых лучей при прохождении вблизи Солнца под влиянием его поля гравитации. Теоретически это отклонение должно было составлять приблизительно 1/4000 углового диаметра Солнца при наблюдении с Земли. Во время полного солнечного затмения в 1919 г. группе астрономов во главе с голландцем Эддингтоном удалось сделать телескопические фотографии, по которым в последующем были определены положения звезд в тот момент, когда рядом на небосводе не было Солнца. Оказалось, что смещение световых лучей, проходящих в непосредственной близи от Солнца, полностью идентично вычисленному теоретически.

Прецессия перигелия Меркурия, просчитанная А. Эйнштейном

С этого момента общая теория относительности получила всемирное признание, ее называли не только выдающимся достижением человеческого гения, но и «… величайшим произведением искусства», поскольку стройность, красота всех ее положений и доказательств сочетались с простотой исходных принципов, создающих картину мира совершенной гармонии, в которой Эйнштейн был глубоко убежден.

А что же время и пространство? Именно с момента создания Эйнштейном теории относительности время потеряло статус незыблемого и непознаваемого, существующего вне человеческого представления о нем абсолюта, отныне это «всего лишь» одно из 4-х измерений, существующее только при наличии материи во Вселенной и прекращающее свое существование с исчезновением этой самой материи.

Да, время для некоего объекта способно замедляться с увеличением скорости движения, иными словами, для человека, «мчавшегося» в пространствах Вселенной и вернувшегося на Землю, времени пройдет гораздо меньше, нежели для остальных землян. Следствие, ставшее основополагающим для огромного количества фантастических романов и кинофильмов, — реальный и теоретически доказанный факт, ожидающий опытного подтверждения от человечества вот уже почти 90 лет.

Вещество можно охладить до абсолютного нуля

Теплота тела всегда была важной характеристикой в оценке человеком того или иного предмета. Мы ощущаем степень нагретости тела при прикосновении и можем с достаточной уверенностью сказать, какое тело теплее, а какое холоднее. Уже давно люди задумывались над тем, что же представляет собой само понятие «тепло» и что происходит в процессе нагревания или охлаждения, однако точного ответа не находилось вплоть до XIX в.

Если с высокими температурами все было более или менее ясно («нагрев» Солнца сам по себе должен быть огромным), то вот относительно возможного уровня охлаждения единого мнения не было. С введением единой шкалы температур за нижний порог была взята температура в -273,16° С — т. н. абсолютный нуль. С этого момента тысячи физических лабораторий по всему миру пытались получить «абсолютно холодное тело», что, как оказалось, было глубочайшим заблуждением. Попытаемся доказать, что достижение абсолютного нуля невозможно в принципе.

Наверное, логичнее будет начать разговор с того, как именно сформировывалось представление людей о структуре вещества вообще, поскольку именно в этом заключается «тайна» теплоты. Многие века человек был вооружен только собственными глазами, а значит, проникнуть в тайны микромира не представлялось возможным. Однако мыслители в своих суждениях уходили гораздо дальше простой констатации увиденного. Так, еще в античные времена (V–IV в. до н. э.) философы Левкипп и Демокрит предположили, что любое тело состоит из каких-то простых составляющих — мельчайших частичек, различных в разных веществах.

Однако приоритет первого обоснованного учения о структуре вещества принадлежит М. В. Ломоносову — великому отечественному ученому, опередившему свое время во многих областях науки. Им впервые было доказано, что все без исключения тела состоят из корпускул — атомов и молекул. Так в XVII в. были заложены основы молекулярно-кинетической теории строения вещества — фундаментального учения физики.

На протяжении почти всего последующего века к выводам Ломоносова в научных кругах не возвращались. Только в XIX в. благодаря работам ученых-физиков Д. Джоуля, Л. Больцмана, Р. Клаузиуса и других вновь возродился интерес к внутреннему строению тел, и молекулярно-кинетическая теория стала стремительно развиваться и дополняться новыми данными и теоретическими выводами.

Ломоносов, как, впрочем, и Демокрит, только предположил, что вещество не монолитно, однако наглядного представления, способного убедить скептиков, предоставить не смог. Впервые увидел при помощи светового микроскопа мельчайшие составляющие вещества английский ботаник Броун, решивший посмотреть на взвесь цветочной пыльцы в капле воды. Неожиданность и удивление ожидали ботаника — мельчайшие пылинки приводились неизвестными силами в движение, не прекращающееся ни на минуту и совершенно беспорядочное. Таким образом в 1827 г. мир впервые узнал о броуновском движении.

Выводы, которые были сделаны из увиденного, говорили о следующем: мельчайшие составляющие любого твердого нерастворимого вещества в жидкости, как, впрочем, и в газе, находятся в постоянном движении, причем чем мельче частицы и выше температура среды, тем быстрее движутся атомы и молекулы. И наоборот, чем крупнее взвешенная частица, тем больше ее «бомбардируют» ее же «соотечественницы» со всех сторон одновременно, значит, и ее смещение будет в ответ минимальным. Жидкость и газ, являющиеся средой для взвешенных частиц, также состоят из молекул, подверженных броуновскому движению, поэтому при попадании под «их влияние» собственное непрерывное движение частиц твердого вещества становится заметнее.

Следующим наглядным подтверждением сложного строения вещества стало наблюдение диффузии — проникновения молекул одного вещества в пространство между частицами другого. Так, в стакане с водой капля чернил постепенно полностью растворяется, равномерно размещаясь по всему объему; пролитые в одной части комнаты духи начинают ощущаться в другой через считанные секунды. Все эти простые наблюдения опровергают представления о неделимости вещества.

Однако диффундировать могут не только «подвижные среды» — газы и жидкости, но и твердые вещества, хотя обнаруживается это далеко не так быстро. Для подтверждения сложного строения твердых тел был проведен следующий опыт. Две гладко отшлифованные пластины из золота и свинца были наложены друг на друга под значительным давлением. Спустя 5 лет пластинки исследовались, и обнаружилось то, что и ожидалось, — частицы свинца проникли в золотую пластинку на глубину в 1 см, частицы же золота — на аналогичную глубину в пластину свинца. Таким способом было выявлено, что процесс «обмена составляющими» протекает между твердыми телами вопреки воздействию всемирного тяготения, нарастая по мере увеличения нагрева тел.