Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

Тем временем Кембриджский университет получил крупное пожертвование от наследников Генри Кавендиша (1731–1810), известного своими исследованиями электричества. Деньги были предназначены для создания физической лаборатории. До того времени физики Университета проводили свои опыты в собственных кабинетах. На вновь учрежденную профессорскую должность в 1871 году был избран Максвелл. Он стал первым в знаменитой плеяде кавендишских профессоров, о которых мы поговорим позднее: Джон Стретт, более известный как лорд Рэлей, а также Джозеф Томсон и Эрнест Резерфорд. Около 30 ученых Кавендишской лаборатории стали в разные годы лауреатами Нобелевской премии по физике, химии и физиологии.

Рис. 13.8. Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), предвидевший электромагнитные волны, и Генрих Герц (1857–1894), продемонстрировавший их существование.

Максвелл объединил отдельные законы электромагнетизма, открытые Кулоном, Ампером и Фарадеем, в то, что теперь известно как уравнения Максвелла, представляющие электричество и магнетизм как единый феномен — электромагнетизм. Из уравнений Максвелла можно увидеть, что колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут распространяться в пространстве с большой скоростью, которую вычислил Максвелл. Ее значение оказалось столь близким к скорости света, что Максвелл в длинном письме Фарадею (1861) писал: «Независимо от того, верна моя теория или нет, я думаю, мы сейчас имеем все основания считать, что светоносная и электромагнитная среда едина…» А в более позднем письме он говорил: «Совпадение результатов, по-видимому, доказывает, что свет и магнетизм являются свойствами одной и той же субстанции и что свет есть электромагнитное возмущение, распространяющееся по полю в соответствии с законами электромагнетизма».

Таким образом, свет состоит из электрического и магнитного полей, которые колеблются перпендикулярно к направлению распространения в соответствии с ранее обнаруженной поляризацией. В знаменитом эксперименте 1887 года Генрих Герц проверил гипотезу Максвелла об электромагнитных волнах. Он сумел создать и зарегистрировать иной вид электромагнитного излучения — радиоволны. Единственное различие между радиоволнами и светом состоит в том, что в потоке света колебания электрического и магнитного полей происходят с гораздо большей частотой, чем в радиоволне. При быстрых колебаниях длина волны получается малой: у обычного света гребни волн разделены половиной микрометра (= 0,0005 мм). В радиоволнах гребни волн разделены расстоянием от 1 мм и больше, вплоть до волн длиной в километры.

Между радио и светом находится инфракрасное тепловое излучение с длиной волн от микрометра до миллиметра. Очень короткие, невидимые глазу волны, лежащие сразу же за границей фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) случайно открыл рентгеновские лучи, легко проходящие сквозь любое вещество. Положив руку перед источником этих лучей и экраном, Рентген был удивлен, увидев кости своей руки (первое рентгеновское обследование). Но и рентгеновское излучение тоже оказалось электромагнитным с длиной волн короче ультрафиолетового. Самое коротковолновое излучение называется гамма-излучением; его открыли несколькими годами позже при исследовании радиоактивных элементов (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Разные типы электромагнитных волн и их длина (рисунок: NASA).

Глава 14 Время и пространство

Обсуждая успехи небесной механики, мы уже цитировали Томаса Хаксли: «Наука — это не что иное, как обученный и организованный здравый смысл». За 1700-е и 1800-е годы здравый смысл добрался и до атома. Вслед за Ньютоном мы можем представить себе атомы в виде маленьких бильярдных шариков, взаимодействующих путем соударения друг с другом. Во многих случаях такого представления было достаточно. Но в начале прошлого века выяснилось, что при попытках описать природу на атомном уровне наши представления о некоторых явлениях микромира, а также о высокоскоростных явлениях «теряют смысл». Как гласит надпись при входе на один из физических факультетов в Англии: «Осторожно! Физика может развить ваши умственные способности![4]»

Первый «бессмысленный» физический результат получили американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в 1887 году, пытаясь измерить движение Земли в пространстве, определяя, с какого направления свет приходит с наибольшей скоростью. Естественно, ожидалось, что свет быстрее всего приходит с того направления, куда мы движемся. Это вытекает из нашего каждодневного опыта движения сквозь воздух. Майкельсон и Морли вычислили, что время, необходимое лучу света для преодоления пути туда и обратно между двумя параллельными зеркалами, должно иметь максимальное значение, когда линия, соединяющая центры зеркал, параллельна направлению движения Земли; и это время будет минимальным, когда луч света между зеркалами распространяется перпендикулярно движению планеты (рис. 14.1 и 14.2).

Рис. 14.1. (а) Альберт Майкельсон (1852–1931) и (б) Эдвард Морли (1838–1923).

Рис. 14.2. Интерферометр Майкельсона. Свет от источника расщепляется на два луча с помощью полупрозрачного зеркала. Лучи расходятся в перпендикулярных направлениях и отражаются от двух зеркал. Отраженные лучи направляются через тоже полупрозрачное зеркало в телескоп. Анализируя интерференционные полосы, возникшие при сложении этих двух лучей, можно определить, как зависит скорость света от движения Земли в пространстве.

По оценкам Майкельсона и Морли, разность времен прохождения света в их опыте должна быть маленькой, но измеряемой. Однако в эксперименте никакой разницы замечено не было. Пришлось сделать вывод, что свет распространяется всегда с одинаковой скоростью, независимо от движения измерительного прибора. Определяя скорость света, покоящийся наблюдатель получает такое же значение, как и те, которые приближаются или удаляются от источника света.

Путешествие на лодке по реке служит хорошей аналогией этого опыта, иллюстрирующего странную нечувствительность движения света к «эфирному потоку». В соревновании двух лодок одна из них движется туда и обратно поперек реки, а вторая проходит такое же расстояние вниз по течению и обратно. Предполагается, что обе лодки имеют одну и ту же скорость относительно воды. Скорость второй лодки увеличивается, когда она плывет вниз по реке, и уменьшается, когда она движется против течения. Простые вычисления показывают, что лодка, пересекающая течение, совершает свой заплыв быстрее, чем ее соперница, плывущая вдоль реки. Но свет не ведет себя так же «логично».

Майкельсон и Морли, а также и другие экспериментаторы, доказали, что свет не является обычной волной, распространяющейся в обычной среде. Если бы эти эксперименты проводились со звуковыми волнами или любыми другими волнами, распространяющимися в среде (типа воды), то всегда можно было бы определить разность скоростей и направление движения. Максвелл считал, что свет можно представить как колебания электромагнитного поля, и полагал, что эти колебания происходят в эфире. Но теперь возникла необходимость ввести новое представление о природе пространства и времени, что и было сделано Альбертом Эйнштейном.

Эйнштейн родился в городе Ульм (Германия) в семье ювелира. Альберт с трудом вписывался в школьную систему и был вынужден покинуть школу в 16 лет. Его отец, надеясь, что сын займется бизнесом, искал иные пути продолжения его образования. Технический университет в Цюрихе принял Альберта без аттестата немецкой школы, но лишь со второй попытки. В 1900 году, в возрасте 21 года, он окончил университет, но далеко не сразу нашел работу. После двух лет поисков он стал техническим служащим в Патентном бюро г. Берн. Эта работа оказалась для него вполне подходящей: между делом Эйнштейн закончил свою диссертацию и защитил ее, преодолев некоторые проблемы.

Далее в карьере Эйнштейна не происходило ничего такого, что могло бы предвосхитить чудо 1905 года: три статьи в солидном журнале Annalen der Physik, сделавшие Эйнштейна, возможно, самым знаменитым ученым прошлого века и приведшие его к Нобелевской премии. Эти статьи были о броуновском движении, о «световом газе» и о частной (специальной) теории относительности. Первая статья приводила неопровержимые аргументы в пользу вещества, состоящего из атомов, факт, который никак не признавался в то время. Вторая статья давала новую интерпретацию природы света, и третья, наиболее известная статья, обсуждала новое виденье пространства и времени и, кроме всего остального, позднее привела к предсказанию огромных резервов энергии, скрытой в материи.