Пошук остаточних законів природи
Цей сайт присвячений великій інтелектуальній пригоді - пошуку остаточних законів природи. Мрія про остаточну теорію багато в чому надихає роботи в області фізики високих енергій. Хоча ми й не знаємо, як можуть виглядати остаточні закони або скільки років пройде, перш ніж вони будуть відкриті, все-таки ми думаємо, що вже в сучасних теоріях уловлюються проблиски контурів остаточної теорії.
Сама ідея остаточної теорії суперечлива і є в наші дні предметом інтенсивних суперечок. Це протиріччя вже досягло комітетських кабінетів конгресу США: фізика високих енергій стає усе більше дорогою наукою й обіг учених за суспільною підтримкою частково обґрунтовується історичною місією відкриття остаточних законів
Із самого початку в наміри входив виклад тих питань, які виникають у зв'язку із самою ідеєю остаточної теорії як частини інтелектуальної історії нашого часу, розраховане на людей без спеціальної підготовки по фізиці й вищій математиці. Мова йде про ключові ідеї, що лежать в основі сучасних фундаментальних досліджень по фізиці. Але це не підручник по фізиці, і Ви не зустрінете окремих глав, повністю присвячених часткам, взаємодіям, симетріям і струнам. Навпроти, тут уплетені поняття сучасної фізики в обговорення того, що таке остаточна теорія і як ми збираємося неї шукатися
Остаточна теорія
ГЛАВА V. Розповіді про теорію й експеримент
Коли ми старіємо,
Мир нам здається дивним. Усе складніше
Зрозуміти смерть і життя. Адже життя
Не спалах без до й після,
А пожежа без кінця й початку.
Т. Элиот. Ист Кокер
Я хочу тепер розповісти три історії про успіхи фізики ХХ в. Із всіх цих історій можна витягти повчальний
висновок: фізики дуже часто керуються почуттям прекрасного, причому це проявляється не тільки при створенні нових
теорій, але навіть тоді, коли вони судять про застосовність уже створених. Схоже, що ми постійно вчимося тому, як
угадувати красу природи на найглибшому рівні. Немає нічого прекрасніше свідомості, що ми дійсно
просуваємося вперед до розкриття остаточних законів природи.
* * *
Моя перша розповідь - про загальну теорію відносності (ВІД), інакше кажучи эйнштейновской теорії тяжіння.
Эйнштейн створив свою теорію в 1907-1915 р. і представив її миру в серії статей 1915-1916 р. Якщо говорити дуже
коротко, те замість ньютоновской картини тяжіння як притягання між всіма масивними тілами загальна теорія
відносності описує тяжіння як ефект, обумовлений кривизною простору-часу, що створюють і
речовина, і енергія. До середини 1920-х рр. ця революційна теорія стала загальноприйнятої як правильна теорія тяжіння,
і з тих пор така точка зору не змінилася. Як це трапилося?
Відразу ж, в 1915 р., Эйнштейн помітив, що його теорія дозволяє старий конфлікт між спостереженнями в Сонячної
системі
74
і ньютоновской теорією. Ще в 1859 р. було встановлено, що поводження орбіти планети Меркурій не укладається в
рамки ньютоновской теорії. Якщо припустити, що у Вселеної немає нічого, крім Сонця й однієї єдиної
планети, те, відповідно до механіки Ньютона і його ж теорії тяжіння, ця планета повинна рухатися навколо Сонця по
ідеальному еліпсу. Орієнтація еліпса, тобто розташування його великої й малої півосей у просторі, ніколи не
змінюється; все виглядає так, начебто орбіта планети закріплена в просторі. Насправді в Сонячній системі
є інші планети, які трохи спотворюють гравітаційне поле Сонця, так що в результаті еліптичні
орбіти всіх планет прецессируют71, тобто повільно повертаються в просторі. В XIX в. стало відомо, що орбіта
Меркурій повертається на кут, рівний приблизно 575 кутовим секундам за сто років. (Нагадаємо, що один градус дорівнює 3
600 кутових секунд.) Однак ньютоновская теорія пророкувала, що орбіта Меркурія повинна прецессировать на кут,
рівний усього лише 532 кутовим секундам за сто років. Таким чином, виникла розбіжність в 43 кутові секунди за
сторіччя. Інший спосіб усвідомити цей результат такий: якщо ви почекаєте 225 ТОВ років, те еліптична орбіта
Меркурій, зробивши повний оборот на 360°, повернеться у вихідне положення, у той час як ньютоновская теорія
пророкує, що це займе 244 ТОВ років. Здавалося б, розбіжність не так вуж і великий, але воно тривожило астрономів на
протязі більш ніж напівстоліття. Коли Эйнштейн в 1915 р. почав розглядати наслідки своєї нової теорії, він відразу ж
зумів пояснити додаткову прецесію орбіти Меркурія, рівним 43 кутовим секундам за сто років. (Один з ефектів,
дающих внесок у цю прецесію в теорії Эйнштейна, це додаткове гравітаційне поле, породжене енергією
самого гравітаційного поля. У ньютоновской теорії тяжіння гравітаційне поле породжується тільки масою, а не
енергією, тому такого додаткового гравітаційного поля не виникає.) Пізніше Эйнштейн згадував, що, одержавши
цей результат, він протягом декількох днів був у нестямі від радості.
Після Першої світової війни астрономи піддали загальну теорію відносності подальшої експериментальної
перевірці, вимірявши відхилення світлових променів Сонцем під час повного сонячного затьмарення 1919 р. Згідно
эйнштейновской теорії фотони у світловому промені відхиляються гравітаційними полями. Це схоже на поводження комети,
прилетевшей у Сонячну систему з далекої відстані. Комета відхиляється гравітаційним полем Сонця, робить
навколо Сонця оборот і в результаті знову йде в міжзоряний простір. Звичайно, відхилення променя світла набагато
менше, ніж відхилення комети, тому що світло поширюється набагато швидше. Швидкі комети теж відхиляються
менше, ніж повільні. Якщо загальна теорія відносності вірна, то відхилення світлового променя,
75
минаючого поблизу поверхні Сонця, повинне становити 1,75 кутові секунди або приблизно п'ять домський
часток градуса. (Щоб виміряти відхилення променя, астрономи змушені чекати сонячного затьмарення, тому що вони
намагаються спостерігати скривлення світлових променів, що приходять від далеких зірок і проходять поблизу Сонця. Зрозуміло, що
важко побачити зірки поблизу Сонця, якщо тільки сонячне світло не екранується Місяцем, як це й буває під час
затьмарення. Таким чином, астрономи вимірюють положення декількох зірок на небесній сфері за шість місяців до
затьмарення, коли Сонце перебуває на іншій стороні неба, а потім шість місяців чекають цього затьмарення й вимірюють,
наскільки промені світла від тих же самих зірок скривили свій шлях у результаті проходження поруч із Сонцем, що
проявляється в зрушенні видимого положення зірок на небі.) В 1919 р. британські астрономи спорядили експедиції для
спостереження сонячного затьмарення у двох місцях: у маленькому місті в північно-східній частині Бразилії й на острові в
Гвінейській затоці. Вони виявили, що в межах експериментальних погрішностей відхилення променів світла від
декількох зірок відповідає пророкуванням Эйнштейна. Із цього моменту загальна теорія відносності одержала
гучну популярність в усьому світі й стала предметом бесід у салонах.
Так хіба незрозуміло, чому ВІД витиснула ньютоновскую теорію тяжіння? Нова теорія пояснила одну давно
відому аномалію, додаткову прецесію Меркурія, і потім пророчила новий разючий ефект -
відхилення променя світла Сонцем. Чого ж ще?
Звичайно, аномальна прецесія Меркурія й відхилення променя світла були дуже важливою частиною всієї цієї історії. Але,
[...]
Початок
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127]
У світі фізики
Наука та техніка