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
відкидатися від Сонця в міжзоряний простір. У загальному випадку той факт, що й сили тяжіння, і сили інерції
пропорційні масі того тіла, на яке вони діють, і не залежать більше ні від яких властивостей тіл, дозволяє ввести в
кожній крапці довільного гравітаційного поля «вільно падаючу систему відліку», у якій не відчуваються ні
сили тяжіння, ні сили інерції, тому що вони точно врівноважують один одного для будь-яких тел. Коли ми відчуваємо сили
тяжіння або сили інерції, це означає, що ми не перебуваємо у вільно падаючій системі відліку. Наприклад, на
поверхні Землі вільно падаючі тіла прискорюються в напрямку до центра Землі із прискоренням приблизно 10 м/с2. Ми
відчуваємо тяжіння Землі доти, поки самі не почнемо рухатися долілиць із тим же самим прискоренням, тобто почнемо
вільне падіння. Эйнштейн зробив логічний стрибок і припустив, що якщо подивитися в корінь, то сили
тяжіння й сили інерції це те саме. Це твердження Эйнштейн назвав принципом еквівалентності інерції й
тяжіння, або коротко принципом еквівалентності. Відповідно до цього принципу, усяке гравітаційне поле повністю
задається описом того, яка система відліку є вільно падаючою в кожній крапці простору-часу.
Майже десять років після 1907 р. Эйнштейн провів у пошуках відповідним цим ідеям математичного апарата.
Нарешті йому вдалося знайти те, що було потрібно, у глибокій аналогії між ролями гравітації у фізику й кривизни в
геометрії. Те, що за допомогою вибору підходящої вільно падаючої системи відліку можна домогтися, що сила
тяжіння на короткий час зникає в малої окрест-
81
ности будь-якої крапки в гравітаційному полі, дуже схоже на властивість кривих поверхонь, що полягає в тім, що
завжди можна зробити карту цієї поверхні, на якій поблизу будь-якої крапки будуть правильно зображені весь відстані
і напрямку. Якщо поверхня крива, то жодна карта не здатна правильно відобразити відстані й напрямки
скрізь; усяка карта великої області є компромісом, у більшому або меншому ступені искажающим відстані й
напрямку. Знайома всім проекція Меркатора, використовувана при створенні географічних карт Землі, дає досить
точне подання про щирі відстані й напрямки поблизу екватора, але дивовижно спотворює картину поблизу
полюсів, так що в результаті Гренландія розпухає в багато разів більше свого щирого розміру. Точно так само одним з
ознак того, що ви перебуваєте в гравітаційному полі, є неможливість знайти єдину вільно
падаючу систему відліку, у якій скрізь повністю скомпенсовані гравітаційне поле й ефекти інерції79.
Почавши із цієї аналогії між тяжінням і кривизною, Эйнштейн дійшов висновку, що тяжіння є не що інше, як
прояв кривизни простору й часу. Для розвитку цієї ідеї йому потрібна була математична теорія
скривлених просторів, що узагальнює знайому геометрію сферичної двовимірної поверхні Землі. Эйнштейн був
найбільшим фізиком миру із часів Ньютона, природно, він знав математику так само, як і більшість фізиків його
часу, але все-таки математиком він не був. Зрештою точно те, що йому було потрібно, найшлося в повністю
розробленої Риманом і іншими математиками попереднього сторіччя теорії скривлених просторів. В
остаточній формі загальна теорія відносності стала просто новою інтерпретацією існуючої математичної
теорії скривлених просторів у термінах тяжіння, доповненої польовим рівнянням, що визначало кривизну,
створювану будь-якою даною кількістю речовини й енергії. Істотно, що для Сонячної системи з її малої
щільністю й малими швидкостями руху планет загальна теорія відносності приводила в точності до тих же
результатам, що й теорія Ньютона, так що дві теорії відрізнялися тільки крихітними ефектами начебто прецесії орбіт
або відхилення променя світла.
У мене є ще, що сказати далі із приводу краси загальної теорії відносності. Поки що я сподіваюся, що сказав
досить, щоб дати читачеві можливість відчути привабливість цих ідей. Думаю, що саме ця
внутрішня привабливість і підтримувала віру фізиків у ВІД у плині десятиліть, коли дані, отримані
після чергових сонячних затьмарень, виглядали усе більше разочаровывающими.
Таке враження ще більше підсилюється, якщо подивитися на те, як сприймали загальну теорію відносності в
перші роки її
82
існування до результатів експедиції по вивченню затьмарення 1919 р. Найважливішим було те, як сам Эйнштейн
сприймав свою теорію. У листівці, адресованої більше старшому теоретикові Арнольдові Зоммерфельду й датованої 8
лютого 1916р., Эйнштейн писав: «Ви переконаєтеся в справедливості загальної теорії відносності відразу ж, як тільки її
вивчите. Тому я ні єдиним словом не збираюся неї захищати». Я, звичайно, не можу знати, до якого ступеня успішне
обчислення прецесії орбіти Меркурія в 1916 р. вплинуло на впевненість Эйнштейна в справедливості ВІД, але ясно, що
задовго до того, як він зробив це обчислення, щось повинне було зміцнювати його віру в ідеї, які лягли в основу
теорії, і штовхало на подальшу роботу. Цим чимсь могла бути тільки привабливість самих ідей.
Не слід недооцінювати таку ранню впевненість. Історія науки знає незліченну кількість прикладів учених,
у яких були гарні ідеї, але вони не стали їх розвивати у свій час, хоча через багато років виявлялося (часто
зовсім іншими людьми), що ці ідеї приводять до помітного прогресу в науці. Загальнопоширеною помилкою є
припущення, що вчені обов'язково люто захищають власні ідеї. Дуже часто вчений, що висунув нову
ідею, сам піддає її необґрунтованій або надлишковій критиці тільки тому, що якщо почати цю ідею серйозно
розвивати, то тоді потрібно довго й завзято працювати, причому (що більше важливо) закинувши при цьому всі інші
дослідження.
Насправді загальна теорія відносності зробила глибоке враження на фізиків. Багато видатні
фахівці в Німеччині й інших країнах довідалися про ВІД і поставилися до неї як до багатообіцяючої й важливої теорії
задовго до експедиції 1919 р. Серед цих фахівців були не тільки Зоммерфельд у Мюнхені, Макс Борн і Давид
Гильберт у Г.ттингене й Хендрик Лоренц у Лейдене, з кожним з яких Эйнштейн спілкувався під час війни, але й Поль
Ланжевен у Франції й Артур Эддингтон в Англії (саме він організував експедицію 1919 р.). Дуже показові
пропозиції про присудження Эйнштейну Нобелівської премії, що надходили починаючи з 1916 р. Так, в 1916 р. Фелікс
Эренгафт висунув Эйнштейна на Нобелівську премію за його теорію броуновского руху, а також за спеціальну й
загальну теорії відносності. В 1917 р. А. Гааз висунув його за загальну теорію відносності (відзначаючи як
свідчення правильності теорії успішне обчислення прецесії орбіти Меркурія). У тім же 1917 р. Эмиль Вартбург
[...]
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]