Наука и религия. Взгляд православного христианина. Беседы 14-18.
кандидат физико-математических наук С.Н. Хворостовский.

-14-

Итак, первая проблема – это проблема эфира. Для физиков это среда, которая заполняет всю Вселенную и в этой среде движутся все тела. Как они там движутся это отдельный вопрос, но если это так, то с такой средой можно связать абсолютную систему отсчета и относительно этой системы найти абсолютные скорости любых тел во Вселенной. В конце концов принцип относительности говорит, что нельзя найти абсолютные скорости механическими опытами, а о других опытах он ничего не говорит.
Далее. Согласно теории электромагнетизма, разработанной Максвеллом, эта среда неподвижна и, следовательно, такая система отсчета является инерциальной (ИСО). Казалось, найдено решение проблемы, над которой бились многие ученые, начиная с Ньютона. Появилась реальная возможность построить «абсолютную систему отсчета». Ведь вся классическая физика строилась под такую систему, все ее законы выполняются только в ней, а самой системы не было. Были только ее приближенные представления (например, система, связанная с удаленными звездами) и законы классической физики выполнялись в них только приблизительно.
Но как можно использовать такую систему отсчета, связанную с эфиром? После создания теории электромагнетизма возникла возможность использовать оптические явления – распространение световых сигналов – для измерения скорости света (метод, предложенный Олафом Ремером, был все-таки грубоват) и на его основе скорости движения тел в пространстве. Движение тела в пространстве можно определить по его перемещению относительно вездесущего эфира.
В частности, предполагалось, что скорость Земли относительно эфира можно определить следующим образом. Поскольку Земля движется вокруг Солнца, а само Солнце движется относительно центра Галактики, которая, в свою очередь, движется во Вселенной, то скорость Земли относительно эфира должна меняться. Наблюдатель, находящийся на Земле, воспринимает происходящее как то, что эфир движется относительно него. Измерить скорость этого движения – такова была задача экспериментаторов.
Были предложены весьма остроумные проекты определения скорости эфирного потока. В 1887 г. был проведен самый знаменитый из этих экспериментов: его осуществили два американских ученых Майкельсон и Морли. Принцип этого эксперимента лучше всего пояснить с помощью аналогии с обыкновенной рекой. Пловец, пересекающий реку поперек от одного берега реки до другого и обратно, возвратится назад раньше, чем его приятель, плывущий с той же скоростью относительно воды, но покрывающий такое же расстояние, двигаясь сначала вверх по течению, а затем возвращаясь вниз по течению реки. Для ученика 9-го класса, успевающего по физике, решение такой задачи не составит труда, и он может убедиться, что времена получаются разные и находятся именно в том соотношении, о котором я сказал.
В качестве «пловцов» Майкельсон и Морли использовали лучи света, которые «путешествовали» в потоке эфира взад и вперед во взаимно перпендикулярных направлениях. Затем, наложив оба луча друг на друга после их возвращения, можно было точно определить разность времен их «путешествия». Результаты этого опыта были поистине ошеломляющими. Хотя наименьшее влияние, которое могло оказать движение Земли по орбите, вполне соответствовало чувствительности установки Майкельсона и Морли, они не обнаружили отличия времен «путешествия» лучей! Получалось, что никакого эфира не существует. Не существует среды для распространения электромагнитных волн, она просто не нужна. Не существует никакого препятствия для движения небесных тел. Но и не существует абсолютной системы отсчета и надо опять возвращаться к системе, связанной с удаленными звездами. Течение эфира остановилось и с тех пор уже не возобновлялось. Эфир вслед за алхимией и флогистоном стал объектом чисто исторического интереса. Хотя до сих пор можно услышать выражения типа: «выход в эфир», «мы в эфире» и т.п., которые часто употребляют дикторы радио и телевидения, но как объект физического исследования, он перестал существовать.
Результаты опыта Майкельсона и Морли имели и другие далеко идущие последствия. Главным из них было распространение принципа относительности Галилея на другие области физики. Оказалось, что не только механическими опытами нельзя обнаружить абсолютную скорость, но и электромагнитными опытами тоже, т.е. никакими опытами нельзя отличить одну ИСО от другой. Скорость света относительно любой ИСО одна и та же – 300 000 км в сек. Оказывается, что само понятие равномерного прямолинейного движения в фиксированном пространстве – бессмыслица. Практические выводы из этого, казалось бы, чисто абстрактного утверждения оказались поистине невообразимыми с точки зрения нашего повседневного опыта.

-15-

В 1905 г. была опубликована новая теория, которую Эйнштейн, автор этой теории, назвал частной (или специальной) теорией относительности. Основной принцип теории относительности как раз и утверждает, что скорость света всегда и везде одинакова. Но это означает, что свет имеет одну и ту же скорость вне зависимости от того, измеряется ли она на Земле или на быстро движущейся ракете, покоится ли источник света, летит навстречу наблюдателю или удаляется от него. Этот принцип поначалу кажется бессмысленным, потом предельно озадачивает.
Действительно, представим себе такую картину. На перроне стоит начальник станции. Мимо него проносится скорый поезд. И в тот момент, когда кабина машиниста поезда поравнялась с начальником станции, оба, и машинист, и начальник станции включают каждый свой фонарик и посылают каждый свой луч света вдоль направления движения поезда. Какова скорость света, посланного машинистом? 300 000 км в сек. А какова скорость света, посланного начальником станции? Тоже 300 000 км в сек. А какова скорость света, посланного машинистом, относительно начальника станции? Казалось бы, 300 000 км в сек плюс скорость поезда. Но если начальник станции измерит скорость света, посланного машинистом, то он получит ровно 300 000 км в сек. А что получит машинист, если он измерит скорость света, посланного начальником станции? Ведь он же движется в том же направлении, что и свет, т.е. скорость света должна быть для него меньше. Оказывается тоже 300 000 км в сек! Как все это понимать?
Дело в том, что принцип, положенный Эйнштейном в основу специальной теории относительности, будет явно лишен смысла, если только не отказаться от самой мысли о ньютоновских абсолютных, единых и независимых пространстве и времени. Все должно быть очень необычно, если, например, ракета не способна даже на мгновение догнать световой луч, какими бы мощными ни были ее двигатели.
Но следствия, возникающие из этого основного принципа специальной теории относительности еще более удивительны. Рассмотрим опыт, который проводится в одном из вагонов поезда. Предположим, что пассажир, находящийся в этом вагоне, установил точно в его середине лампочку и в тот момент, когда вагон и он вместе с ним проносится мимо начальника станции, стоящего на перроне, включает ее на короткое время. Что увидит пассажир? Свет от лампочки пошел в разные стороны, в том числе в начало и конец вагона, и достиг их одновременно. Если там стоят специальные фотоэлементы, то передняя и задняя двери вагона откроются тоже одновременно. А что увидит начальник станции? С его точки зрения свет распространяется в обе стороны с одинаковой скоростью 300 000 км в сек, но относительно него! Вагон тоже движется относительно него, и задняя стенка вагона как бы набегает на световую волну, а передняя от нее удаляется. Поэтому задней стенки вагона свет достигнет несколько раньше, чем передней, т.е. неодновременно, и, соответственно, двери вагона откроются тоже неодновременно.
Таким образом, получается, что интервалы времени между двумя событиями разные в разных системах отсчета (пассажир и начальник станции). На первый взгляд кажется, что это полная чушь, события происходят либо одновременно, либо нет – третьего не дано. Да, все правильно. Именно это и утверждает ньютоновская механика со своими представлениями о пространстве и времени. А мы интуитивно, автоматически полностью ее поддерживаем. И это понятно, потому что при скоростях, которые нам доступны, заметить различие интервалов времени мы не можем – очень уж они малы. А двигаться с большими скоростями, близкими к скорости света, мы пока не можем и поэтому наш жизненный опыт протестует против утверждения, что временные интервалы для пассажира и начальника станции – разные.
А что по этому поводу говорит специальная теория относительности? Оказывается, согласно теории относительности верны оба утверждения. Нельзя, например, сказать, что прав начальник станции, а пассажир не прав, потому что он движется. С тем же успехом можно было бы сказать, что поезд стоит, а Земля движется относительно него в противоположном направлении. В этом смысле привилегированных систем отсчета не существует. Отсюда следует, что одновременность двух пространственно разделенных событий не есть абсолютное свойство самих событий, а лишь следствие способа их рассмотрения.
Еще более поразительные следствия принципа относительности обнаруживаются, если в приведенный ранее эксперимент включается идущий в том же направлении по параллельному пути второй поезд. Если этот поезд движется быстрее первого, то нетрудно понять, что для пассажира, в нем находящегося, последовательность событий (открывания дверей вагона) станет обратной той, которую наблюдает начальник станции. С его точки зрения на световую волну набегает передняя (а не задняя) дверь, она и откроется раньше. Таким образом, теория относительности дискредитирует характеристики «до» и «после» для событий, разделенных в пространстве. Она не нарушает, однако, такой последовательности для тех событий, которые происходят в одном и том же месте (в одной системе отсчета). Два пассажира, едущие в одном вагоне, воспримут последовательность событий совершенно одинаково.
При первом знакомстве это новое представление о времени кажется довольно странным. В классической механике считалось, что время одно для всех – и для пассажиров поезда, и первого, и второго, и для начальника станции, и для космонавта в ракете. Ньютоновское время абсолютно и всеобще; оно не зависит от состояния движения наблюдателя и фиксировано во всей Вселенной. К сожалению, такой взгляд на время оказался ошибочным. Понятие всеобщего «одного и того же» момента времени не существует. Хочу успокоить радиослушателей, для повседневной жизни это утверждение имеет мало пользы – слишком мал этот сдвиг времени. И если вы вздумаете объяснить директору ваше опоздание на работу тем, что ехали на машине с очень большой скоростью и поэтому по вашим часам время другое, то вам резонно заметят, что ваше двадцати минутное опоздание вряд ли укладывается в тот ничтожный сдвиг по времени, который мог бы иметь место. В противном случае вас давно бы остановило ГАИ за превышение скорости.
Можно привести и другие, не менее парадоксальные, примеры подобных релятивистских эффектов. Наиболее известный можно отметить, так называемый, «парадокс близнецов». Но это еще не все. Оказывается, что при движении тела со скорость, близкой к скорости света, заметным образом меняются не только временные интервалы, но и размеры тела (оно, с нашей точки зрения, как бы «сжимается» в направлении движения), а также и масса тела (она растет, причем растет до бесконечно большой величины при стремлении скорости тела к скорости света). Но тогда для разгона тела до скорости света требуется бесконечно большая энергия (т.к. масса тела становится бесконечно большой), что недостижимо, т.е. существует некий «световой барьер», преодолеть который невозможно.
Отсюда часто делают вывод, что движение со сверхсветовой скоростью невозможно. Строго говоря это неверно. Нельзя только ускорить тело так, чтобы оно преодолело «световой барьер». Однако у нас нет оснований утверждать, что невозможно существование таких тел, которые всегда движутся со сверхсветовыми скоростями и которые невозможно замедлить до скорости меньше скорости света. Такие тела, точнее микроскопические частицы, даже получили название – тахионы. Их разыскивают уже несколько десятков лет, но пока безуспешно. Эти частицы должны обладать удивительными свойствами. Ожидается, что тахионы должны взаимодействовать с обычным веществом только неконтролируемым способом. На основании теории относительности можно показать, например, что тахионы способны путешествовать вспять во времени, т.е. из будущего в прошлое. Отсюда и требование неконтролируемости их взаимодействия с обычным веществом – иначе их можно было бы использовать в качестве носителей информации в прошлое.
Первоначальная реакция многих людей на столь, казалось бы, нелепые идеи замедления времени и сокращения размеров тела – категорическое неприятие. Теория относительности потрясла все наши представления о пространстве и времени, которые прочно укоренились в нашей интуиции и житейском опыте. Поэтому неспециалисты часто ищут спасение в решительном скептицизме. Когда я говорю – неспециалист – я имею ввиду человека, который теорией относительности вплотную не занимался. Это может быть очень образованный человек, профессор, даже академик, который составил впечатление о теории относительности по книгам, в которых разбираются основы теории относительности, часто в популярной форме и не более. Что можно ответить таким людям?
Во-первых, эффект замедления времени был проверен непосредственно как на субатомном, так и в макроскопическом масштабе – в процессе кругосветного полета с часами. Во-вторых, конструирование некоторых приборов, установок (например, синхрофазотрон) невозможно без проведения определенных инженерных расчетов по формулам теории относительности. В настоящее время собран богатый экспериментальный материал, подтверждающий выводы теории относительности, и поэтому физики весьма спокойно относятся, а чаще всего никак не реагируют на любые попытки опровергнуть ее основы. А такие попытки время от времени повторяются с завидным упорством.
Главное, что мы должны учесть при дальнейшем рассмотрении специальной теории относительности, это то, что любой объект имеет протяженность как в пространстве, так и во времени, что любой процесс обладает интервалом как во времени, так и в пространстве. Замедление времени и сокращение размеров можно рассматривать как взаимно связанные: сокращение пространственной протяженности выливается в увеличение протяженности во времени (то, что мы называли замедление времени). Пространство и время на самом деле следует рассматривать, как объединенные в единый континуум, единое «пространство-время», имеющее 4 измерения – к трем пространственным измерениям добавляется четвертое, временное.
Очень часто это единое пространство-время изображают графически: по вертикальной оси располагают время, точнее пропорциональную ему величину, а по горизонтальной оси (или осям) – координатную ось (или координатные оси). Все три координатные оси, конечно, не разместить, но общее представление получить можно. Чем удобна такая (а мы к ней обратимся еще не раз) диаграмма? Любое событие на такой диаграмме изображается точкой (время и координаты), причем событие «здесь и сейчас» — это точка в начале координат. История частицы (или тела), история ее движения, изображается линией, которая называется мировой линией; начало этой линии совпадает с началом координат. Если частица движется равномерно и прямолинейно, то история ее движения (мировая линия) – прямая линия; чем меньше скорость частицы, тем ближе эта линия к вертикальной (временной) оси. Если на такой диаграмме построить мировую линию для светового луча, то это будет прямая, проходящая через начало координат и идущая под углом 45 градусов. Линий таких будет бесконечное количество (свет может распространяться по всем направлениям) и они образуют конус в 4-х мерном пространстве-времени. Конус расширяется вверх вокруг вертикальной оси – будущее, и вниз – прошлое. Этот конус делит все 4-х мерное пространство на две области: внутреннюю (внутри конуса, вдоль вертикальной оси) и внешнюю (все остальное). Но мировую линию можно провести только внутри конуса (внутренняя область), т.к. скорость движения частицы (или тела) всегда меньше скорости света. События, происходящие внутри конуса, связаны (или по крайней мере могут быть связаны) понятиями «причина» и «следствие». Вне конуса события этими понятиями не могут быть связаны принципиально. Хотя события в этой (внешней) области могут иметь место, порядок их относительно начальной (нулевой) точки не фиксирован.
В связи с этим как не вспомнить одно место из Евангелия от Иоанна (8 глава), беседа Спасителя с иудеями. Спаситель говорит: «Авраам, отец ваш, рад был увидеть день Мой; и увидел и возрадовался». А что отвечают Ему иудеи: «Тебе нет еще пятидесяти лет, — и Ты видел Авраама?» Это даже не вопрос, это сомнение в словах Спасителя. Действительно, как Он мог видеть Авраама, жившего несколько тысяч лет назад, когда Ему еще нет пятидесяти лет? С точки зрения любого жителя этого мира, не знакомого с теорией относительности, это невозможно. Все события для такого человека находятся только внутри конуса. А что сказал бы человек, который с теорией относительности знаком? События такие возможны, но для нас, простых смертных, недоступны. И здесь следует ответ Спасителя: «истинно, истинно говорю вам: прежде нежели был Авраам, Я есмь». Смотрите: первая фраза Спасителя и последняя – в них события, с точки зрения принципа причинности, поменялись местами. И Спаситель говорит, как о чем-то обычном! С точки зрения физики это не только проповедь Иисуса Христа, это еще и первая лекция (хотя и краткая) по теории относительности.
В связи с изложенным хотелось бы остановиться вот на чем. Довольно часто, в том числе и в передачах радио «Град Петров», можно услышать такое утверждение: Бог, мир горний существуют вне времени и вне пространства. Вообще говоря, такое утверждение является формулировкой определенной физической модели. Эта модель, как и любая другая, разумеется, имеет право на существование. Не совсем, правда, понятно, на основании какого места (или каких мест) из Священного Писания автор строит такую модель. Давайте, рассмотрим возможные следствия, вытекающие из такой модели. Отсутствие времени. Это означает, в первую очередь, что отсутствуют какие-либо изменения, отсутствует последовательность событий, да и сами события тоже отсутствуют. Но тогда непонятно, каким образом душа человека, отошедшего в мир иной сначала пребывает в мире ангельском (до 9-го дня), а потом в мире темных духов (мытарства). Такое чередование событий, происходящих с душой, невозможно при отсутствии времени. Время обязательно должно быть. Возможно, конечно, что эти события происходят вне конуса событий, возможно, что они вообще происходят в каком-то другом времени, нашему восприятию, восприятию людей живущих в нашем грехопадшем мире, недоступному. Но время обязательно должно быть, если происходят какие-то события.
Мы знаем из Священного Писания, что после Страшного Суда произойдет воскресение мертвых, причем воскресение во плоти. Да, это будет другое тело, оно будет обладать удивительными свойствами (вспомните появление Господа нашего Иисуса Христа перед учениками после Воскресения), но оно, тело, обязательно будет! А если нет пространства, то о каком теле может идти речь. Можно привести и другие возникающие недоумения, если принять за основу предложенную для горнего мира модель пространства и времени.
Возможно автор такой физической модели просто оговорился. Возможно он имел ввиду, что существа мира горнего, и уж конечно Господь, могут существовать в любом времени и в любом пространстве. Переход для них, например, из внешней части конуса событий во внутреннюю и наоборот не представляет каких-либо затруднений. Если понимать высказывание автора в таком смысле, то, конечно, никаких возражений оно не вызывает. Но если понимать, как какое-то ограничение Воли Божией, как существование только вне времени и пространства и никак иначе, то… Здесь я комментировать не берусь.
Подытоживая наше рассмотрение специальной теории относительности, важно отметить следующее: эта теория не перечеркивает классическую механику Ньютона, но ставит границы ее применимости. А если и перечеркивает, то исключительно понятия «абсолютное пространство» и «абсолютное время». Если тело движется со скоростью много меньшей, чем скорость света, все упоминавшиеся нами ранее релятивистские эффекты, хотя и существуют, но ничтожно малы и в обычной жизни незаметны. И только при движении со скоростью, сравнимой со скоростью света, они становятся заметны и применение законов механики в их классическом виде не позволяет адекватно описывать наблюдаемые явления.

-16-

Вышеизложенное справедливо и для самой специальной теории относительности – она тоже имеет свои границы применимости. В 1915 г. Эйнштейн опубликовал свое второе открытие и стало ясно, что специальная теория относительности – всего лишь приближенная форма общей теории относительности. В общей теории относительности Эйнштейн учел кроме вышеизложенного влияние тяготения на пространство и время и поэтому выводы специальной теории относительности верны лишь приближенно, когда гравитацией можно пренебречь. Вследствие этого специальную теорию относительности еще называют частной теорией относительности. Я должен огорчить некоторых слушателей: общая теория относительности отнюдь не возвращает нас к удобным представлениям дорелятивистской эры; наоборот, она создает еще более «странную» картину мира.
И опять все упирается в способы построения ИСО. Мы уже говорили с вами о том, что все ИСО движутся с постоянной скоростью и считаются механически эквивалентными и только в них выполняются законы Ньютона. Но достигнуть состояния равномерного движения, и создать ИСО, можно только в том случае, если устранить все силы, действующие на тело (или на систему), т.е. само существование ИСО зависит от возможности добиться такого состояния движения, когда исключены все силы.
Современная физика знает четыре фундаментальных вида сил, существующих в природе, которые и определяют, в конечном итоге, все силы, знакомые нам. Но на макроскопические тела действую только две из них: электромагнитные и гравитационные. Как же исключить действие этих сил?
Исключить электромагнитные силы сравнительно несложно – надо сделать систему электрически нейтральной. Причем в большинстве случаев это достигается автоматически, потому что все тела состоят из элементарных частиц с разными по знаку электрическими зарядами, нейтрализующими друг друга в пределах одного тела. Все гораздо сложнее для гравитационных сил. Как избавиться от них? И можно ли от них избавиться? Наблюдения показывают, что все тела падают вниз. Неизвестно ни одного вещества, которое падало бы вверх (кроме как в фантастических рассказах). Антигравитация – это предмет научной фантастики. И вот здесь надо вспомнить Галилея и его опыты, который открыл принцип: все объекты падают с одинаковым ускорением.
В действительности Галилей установил гораздо более общий принцип, а именно: два свойства тела – быть тяжелее и обладать большей инерцией – всегда в точности компенсируют друг друга (помните, гравитационная и инертная массы). Сила тяготения оказывает большее воздействие на скалу, чем на булыжник, но булыжник легче поддается притяжению и поэтому ускорения будут одинаковы. Принцип Галилея обычно называют принципом эквивалентности (имеется ввиду эквивалентность гравитационной и инертной масс). Здесь Галилей опровергал учение Аристотеля, для которого инертная масса была неизвестна и движение тела зависело только от силы тяжести, что и привело его к неверному выводу – тяжелые тела падают быстрее, а легкие медленнее.
Принцип эквивалентности можно «почувствовать», если вспомнить, что гравитационная масса определяет силу тяжести, а инертная масса – силу инерции, связанную с ускоренным движением. Отождествление этих двух величин приводит к физической эквивалентности сил тяжести и инерции. Например, на вращающейся карусели центробежная сила ощущается в точности как сила тяжести (с той разницей, что она направлена горизонтально). Или, например, если заключить наблюдателя в непрозрачный ящик, то он не сможет сказать, стоит ли он неподвижно на поверхности Земли или движется вверх с ускорением 1g далеко в космосе, где земное притяжение не чувствуется.
Аналогично такому способу имитации силы притяжения подобный метод можно использовать и для компенсации тяготения, т.е. для имитации отсутствия силы тяготения. Для этого надо предоставить системе возможность свободно падать. Если сбросить уже упоминавшийся непрозрачный ящик с высокого утеса, наш злополучный наблюдатель, падая вместе с ящиком, не будет ощущать тяготения. Он сможет наблюдать безгравитационную среду, все предметы вокруг него будут плавать в воздухе, как бы потеряв вес, и он не сможет сделать заключения о наличии тяготения Земли. Конечно, он узнает о существовании Земли, когда ящик ударится о подножие утеса, мощные (уже не гравитационные) силы вызовут большие относительные ускорения в его теле и… Pax vobiscum.
В настоящее время похожий метод (разумеется, за исключением последней фазы) используется при тренировке космонавтов на привыкание к невесомости. Да и на самих космических станциях космонавты не ощущают тяготения, хотя земное притяжение, безусловно, сохраняется.
И все-таки заметить влияние гравитации, даже в таком ящике, можно. Дело в том, что все тела падают не вниз, а к центру Земли, и при этом сила тяготения в пространстве меняется от точки к точке, траектории их падения будут сходящимися радиальными линиями и расстояние между телами, падающими по соседним радиальным линиям, будет уменьшаться. Если ящик небольшой и находится далеко от центра Земли, то это заметить трудно. Но если он приближается к центру Земли, то этот эффект становится заметным. А что мы будем наблюдать в ящике?
Представьте себе, что в ящике кроме наблюдателя находятся два мяча – справа и слева от него. Тогда по мере падения такого ящика, допустим, в глубокой вертикальной шахте, наблюдатель заметит, что мячи начинают сближаться и приближаться к центру ящика. И тогда получается, что единственным физически обнаружимым следствием гравитационного поля является его изменение от точки к точке.
Обратите внимание, мы говорим о вещах сравнительно простых, их, по крайней мере частично, изучают в средней школе. Но тогда возникает вопрос, что же Ньютон не знал обо всем этом, не догадывался? Почему он ничего этого не использовал при построении своей механики? Конечно, знал! Но он избрал другой способ построения ИСО. Он был убежден в существовании абсолютного пространства и считал, что если рассматриваемая область удалена от всех источников гравитационных, электромагнитных и других сил, условия в ней становятся близкими к условиям, выполняющимся в ИСО. Такую систему он строил, используя очень удаленные звезды, она должна находиться очень далеко от Земли. Использовать такую систему, конечно, невозможно, но опираясь на нее, опираясь на наблюдение этих далеких звезд, можно построить другую (или другие) ИСО в любой точке Вселенной. Отсюда следует, что взяв в этой удаленной области далекий равномерно движущийся объект, достаточно с Земли наблюдать его движение, чтобы определить скорость, а главное, ускорение любой системы отсчета на поверхности Земли, вызванное всеми силами, включая гравитационную, действующими на эту систему.
Смотрите, какой простой и удобный способ! Не нужно никаких ящиков, не нужно следить, чтобы ящик не разбился при падении. Зачем все усложнять? Да, действительно, способ очень простой, но, к сожалению, не осуществимый. А причина этого кроется в эквивалентности массы и энергии, которая описывается знаменитой формулой Эйнштейна (Е = мс2), в силу которой свет обладает еще и массой (a вот этого Ньютон даже представить себе не мог). Но если свет обладает массой, то гравитационные поля должны действовать на него также, как и на любые другие тела.
Искривление лучей света гравитационным полем было одним из главных предсказаний теории Эйнштейна. Этот эффект нашел блестящее подтверждение в результатах наблюдений сэра Артура Эддингтона во время солнечного затмения 1919 г. Оказалось, что луч света не такая уж прямая линия, как это представлялось ранее – проходя вблизи тела с большой массой, он отклоняется от прямой линии, а это автоматически исключало возможность использования световых сигналов для наблюдения движения удаленных тел из области с заметным гравитационным полем, т.к. результаты наблюдений в таком случае искажаются. Но другого способа построения прямой линии в пространстве, кроме как вдоль луча света, не существует, что, свою очередь, исключало возможность построения ИСО по методу Ньютона. Круг замкнулся: частная теория относительности поставила крест на абсолютной системе отсчета, связанной с эфиром, а общая теория относительности перечеркнула методику построения ИСО, опирающуюся на наблюдение удаленных звезд. Падающий ящик оказался единственным методом построения ИСО, точнее ее приближения. Но тогда получается, что теория всемирного тяготения, построенная Ньютоном, не находит себе применения в физике. Более того, фундамент «здания» классической физики стал куда-то из-под здания уходить. И тогда, чтобы укрепить здание физики, Эйнштейн предпринял попытку построить новую теорию тяготения взамен теории Ньютона. Мотив его действий был прост: пожертвовать частью, чтобы сохранить целое. К сожалению, этой «частью» оказались наши представления о пространстве и времени.
Чем же, все-таки плоха теория тяготения Ньютона? Если рассматривать процессы, происходящие вблизи Земли, то ничем не плоха, ей пользовались и пользуются до сих пор и не жалуются. В пределах солнечной системы уже можно обнаружить небольшие отклонения между теоретическими расчетами и результатами наблюдений. А за пределами солнечной системы и, тем более за пределами нашей Галактики, астрономы обнаружили такие объекты и такие процессы, которые, с точки зрения ньютоновской теории, не поддаются никакому разумному объяснению.
Что же конкретно было неточного или неправильного в теории Ньютона. Во-первых, в основе ее лежал принцип мгновенного действия на расстоянии, который потерял всякий смысл, лишь только обнаружилась относительность одновременности событий и предельный характер скорости света (никакие взаимодействия не могут распространяться быстрее скорости света). Во-вторых, источником гравитационного поля является, так называемый, гравитационный заряд, гравитационная масса, которую Ньютон считал неизменной. А по теории относительности масса тела изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой: частица становится все тяжелее по мере того как ее скорость приближается к световой. И, наконец, принцип эквивалентности масс. Ньютон считал это просто совпадением, а Эйнштейн постарался включить его в сам фундамент своей теории.
Мы не будем рассматривать полностью общую теорию относительности, это очень сложно, да и не требуется для наших дальнейших выводов. Я стараюсь не выходить за рамки знаний физики в объеме средней школы. Рассмотрим только некоторые выводы из этой теории. В частной теории относительности мы говорили о 4-х мерном пространстве событий (включая ось времени), о том, что равномерное движение (свободное движение) может изображаться на такой диаграмме прямой линией (мировая линия). Теперь же оказывается, что свободное движение может изображаться на такой диаграмме прямой линией только в ограниченной области. Полностью мировая линия никогда не будет прямой из-за наличия во Вселенной гравитационных центров, мировые линии должны сходиться в таких центрах, т.е. параллельных линий, как у Евклида реально не существует. Да и о каких прямых линиях можно говорить, если даже луч света в таком пространстве искривляется.
Поскольку такое отклонение от прямой одно и то же для всех частиц независимо от их природы, то возникает мысль рассматривать тяготение, вызывающее искривление мировых линий, как свойство самого пространства-времени, а не как некое воздействие на его фоне, т.е. в действительности пространство-время не плоское, как мы привыкли считать, но искривленное. К сожалению, это не просто одна из возможных реакций на общую теорию относительности, эта мысль не имеет альтернативы. Мы просто не можем считать по-другому. Мы говорили о том, что луч света, проходя мимо тела большой массы искривляется. Относительно чего он искривляется? Как провести ту эталонную прямую линию, сравнивая с которой мы можем сказать, что данная линия есть кривая? Мы не можем этого сделать. Мы можем сделать только одно: считать, что луч света – это по-прежнему прямая линия, мировая линия. Это утверждение лежит в основе геометрии нашей Вселенной. Но тогда мы должны понимать, смириться с тем, что пространство, в котором распространяется луч света, и в котором находится наша Вселенная, не то, которое мы изучали в школе на уроках геометрии. В этом пространстве параллельные линии сходятся. В этом пространстве сумма углов треугольника не равна 180 градусам и теорема Пифагора в известном нам виде неверна (она здесь имеет другой вид), и площадь прямоугольника не равна произведению его сторон и т.д.
Вблизи поверхности Земли аксиомы и теоремы геометрии Евклида выполняются с хорошей точностью, потому что кривизна пространства здесь очень мала и мы к этому привыкли, но применение их при изучении Вселенной приводит к ошибочным результатам. Как представить себе «кривизну пространства»? Это довольно сложно и требует специальной подготовки. Но, в конце концов, когда вы включаете радиоприемник, вряд ли вы задумываетесь о том, как он работает. Вы слушаете передачу, и все!
Используя представление об искривленном пространстве-времени, мы можем совершенно иначе рассматривать движение тел. С этой точки зрения, когда яблоко падает, мы считаем, что оно движется свободно в пространстве, т.е. силы на него не действуют. Силы возникают, только когда оно соприкасается с поверхностью Земли. Разумеется, это уже будут негравитационные силы. Или другой пример. Земля описывает вокруг Солнца искривленную орбиту не потому, что какие-то силы препятствуют ее прямолинейному движению, а потому, что она беспрепятственно скользит (свободно движется) в искривленном пространстве-времени в окрестностях Солнца.
Наиболее эффективно использовать такие представления о пространстве можно только при изучении движения тел в масштабах не меньших, чем солнечная система. Одним из подтверждений общей теории относительности был расчет прецессии орбиты Меркурия. Дело в том, что планета Меркурий вращается вокруг Солнца и параметры ее орбиты были рассчитаны еще Ньютоном. Но оказалось, что сама орбита (а это эллипс) очень медленно тоже поворачивается вокруг Солнца – совершает прецессию. Полный оборот орбиты происходит за 3 миллиона лет. Это явление было замечено, но в теории Ньютона объяснения не нашло, а в теории относительности не только нашло свое подтверждение, но и расчет совпал с наблюдаемой величиной.
Одним из важных выводов теории относительности является то, что гравитационные поля влияют на течение времени. Например, вблизи поверхности больших масс часы идут медленнее, чем такие же часы, но удаленные от этих масс на значительное расстояние.

-17-

В последние годы стало очевидным, что во Вселенной вполне могут существовать фантастические объекты, которые создают столь сильное тяготение, что свойства пространства-времени в их окрестностях меняются совершенно удивительным образом. В средней школе решают такую задачу: с какой минимальной скоростью должна стартовать с поверхности Земли ракета, чтобы удалиться от нее на бесконечно большое расстояние? Оказывается, что эта скорость (она называется второй космической скоростью) не зависит от массы ракеты (что естественно – работает принцип эквивалентности), а зависит только от массы Земли и ее радиуса. Совершенно очевидно, что подобную скорость можно рассчитать для любого небесного тела: для Юпитера, Марса и даже Солнца (жарковато, конечно, но если ночью взлетать…). А если по-другому поставить вопрос: каков должен быть радиус небесного тела заданной массы, чтобы ракета, стартуя с максимально возможной скоростью, скоростью света, удалилась от него бесконечно далеко.
Этот радиус тоже можно рассчитать для любого небесного тела, он называется гравитационным радиусом или радиусом Шварцшильда. Сама по себе эта величина носит формальный характер и обычно гравитационный радиус существенно меньше реальных размеров небесного тела. Но если вдруг оказывается, что гравитационный радиус больше радиуса небесного тела, то это тело приобретает совершенно невероятные свойства. Во-первых, оказывается, что никакое тело, никакая частица, и даже свет, никогда не смогут вырваться из сферы притяжения этого небесного тела. Более того, любое другое тело, если попадет в сферу притяжения этого массивного тела, будет им захвачено и на него упадет. Такие объекты во Вселенной получили название черных дыр. Почему такое странное название? Вероятно потому, что свет от такого тела никогда не сможет его покинуть, и если мы посмотрим на него из любой точки пространства, то в этой точке Вселенной увидим черный провал. Правда, нетрудно подсчитать, что плотность вещества такого небесного тела должна быть в раз больше плотности воды. Замедление времени на поверхности такого объекта, окажется почти бесконечным, время как бы остановится.
Как могут образоваться такие объекты? Считается, что, в процессе эволюции, звезды некоторого класса могут перейти, в конце концов, в состояние, называемое нейтронная звезда, вещество которой состоит исключительно из нейтронов. При достаточно большой массе нейтронная звезда уже не может находиться в состоянии равновесия и наступает коллапс звезды, ее сжатие, после чего она и становится черной дырой. С точки зрения наблюдателя, находящегося на поверхности такой звезды, она проваливается сама в себя за малые доли секунды. Удаленный же наблюдатель увидит все по-другому. Он увидит коллапс все более замедляющимся, пока не перестанет замечать каких-либо изменений. Дальнейшее увидеть стороннему наблюдателю не дано. Дело в том, что гравитационный радиус определяет, так называемый, «горизонт событий», отделяющий события на звезде, видимые из внешнего мира, от невидимых. Проникнуть за этот горизонт событий извне невозможно. Также невозможно вырваться через него изнутри. Черная дыра перестает влиять каким-либо образом на процессы, происходящие во Вселенной, она как бы покинула Вселенную. Оставшаяся черная сфера подобна дыре в пространстве.
Все, о чем мы говорили, это только некоторые следствия теории относительности. Но уже этого достаточно, чтобы убедиться — наши обыденные представления об окружающем мире далеки от истины. Они хороши для жизни на Земле, терпимы при изучении солнечной системы, но не пригодны для изучения процессов, происходящих во Вселенной, в мегамире, в мире галактик и звездных скоплений. И получилось это из-за нашей привычки обыденные, привычные представления о макромире экстраполировать на все процессы, происходящие, в том числе, и в мегамире. Ну, что ж, будем привыкать к новым представлениям.
Но вот, что интересно отметить. Давайте проанализируем, каким образом теория относительности повлияла на классическую механику, каким образом изменила ее, науку, основы которой заложил сам Ньютон. И здесь необходимо отметить главное: теория относительности перечеркнула понятия «абсолютного пространства» и «абсолютного времени». Но и только! Правда, закон «всемирного тяготения», открытый Ньютоном, тоже претерпел некие изменения, но в целом сохранился. Сохранились также законы динамики, сформулированные Ньютоном, причем к чести Ньютона нужно заметить, что сохранились даже в теории относительности, правда, в той форме, какой их представил Ньютон, а не как они приводятся в учебниках по физике для средней школы. Оказалось, что этих абсолютных понятий, введенных Ньютоном, и введенных для обоснования своих еретических (унитарианских) воззрений не существует. Как мудро и как своевременно вразумляет Господь неразумных чад Своих! Представьте себе, что кто-нибудь из современников Ньютона опубликовал идеи, близкие к идеям теории относительности. Его в лучшем случае подняли бы на смех, а в худшем этот человек закончил бы свои дни в темнице, а то и на плахе. Даже в настоящее время идеи теории относительности многими ставятся под сомнение, хотя они и проверены многократно.
И еще одно очень важное обстоятельство. Физика, отказавшись от этих «стержневых» идей «абсолютных пространства и времени», не рассыпалась на фрагменты, на отдельные главы. не превратилась в целиком прикладную науку. Мне представляется, да простит мне Господь мою самоуверенность, что, так называемая «революция в физике» это не изменение уже существовавшей в то время науки, а появление новой современной физики, свободной от прежних еретических заблуждений, к сожалению, правда, не всех, которая существует параллельно классической физике. Конечно, новая современная физика еще младенец. Она постоянно подвергается воздействию сил «мира сего». Но теперь эти силы действуют не через еретические учения, а через учения языческие, оккультные. Эти учения даже терминологию заимствовали из физики: «космические энергии», «биополе» и т.п. Причем трактуются эти термины подчас как некие новые, неизвестные науке поля и энергии. Да поможет нам Господь устоять против этих сил, отразить их нападения!

-18-

Похожая на вышеописанную картина стала складываться, когда развитие атомистической теории, которая пользовалась представлениями и законами макромира, привело к проникновению в микромир, мир микрочастиц, мир, масштабы которого близки к размерам атома и даже меньшим. Мы уже говорили о планетарной модели атома, разработанной Резерфордом, которая очень напоминала модель солнечной системы. Она выглядела очень красиво и логично, но свойства атома, построенного на основе законов классической физики, имели мало общего со свойствами атома реального. Но началось все с, казалось бы, мало связанной с моделью атома уже упоминавшейся «ультрафиолетовой катастрофы». Напомню вкратце суть этой проблемы. Излучение «абсолютно черного тела» (АЧТ), т.е. тела, которое может только излучать подводимую к нему энергию, а не отражать, по классической модели должно бесконечно расти с уменьшением длины излучаемой электромагнитной волны, нарушая тем самым основной закон физики – закон сохранения энергии.
Выход из создавшегося тупика нашел Макс Планк. Он предположил, что излучаемая энергия не может меняться непрерывно, а только на величину, кратную определенной порции энергии, которую он назвал «квант». Что это значит? А это значит, что, во-первых, никакими физическими методами получить количество энергии меньше, чем квант, невозможно, а, во-вторых, если бы даже и удалось каким-то невообразимым образом получить такую величину, то передать ее какому-либо телу или какой-либо системе невозможно; тело (или система) просто не воспримут такую величину энергии, в какой бы форме ее ни передавали. Энергия тела (или системы) при этом останется неизменной. Для классической физики это невероятно, в ней энергия передается в любых количествах.
Предположение Макса Планка о квантовании энергии имело далеко идущие последствия для развития физики, не говоря уже о том, что оно весьма необычно. Допустим, вы поднимаете чемодан. Вы прикладываете постоянное усилие, а чемодан поднимается не равномерно, а скачками. Вот как это выглядит на опыте. Согласитесь, это как-то мало согласуется с тем, что вы наблюдаете в жизни. Это предположение противоречит основным положениям классической физики и вообще говоря требует пересмотра всех ее выводов. Но на самом деле положение оказалось не столь трагично.
Надо заметить, что величина кванта энергии крайне мала и для макромира два различных утверждения, что энергия предается непрерывно и энергия передается квантами, практически не отличаются друг от друга. Поэтому скачки чемодана настолько малы, что вы их просто не замечаете. А вот для микромира, где энергии частиц малы и близки к величине кванта, выбор между двумя этими утверждениями важен принципиально. Так возник принцип «квантования энергии» и так возникла «квантовая механика». И первым успехом применения этой новой теории было разрешение такой важной проблемы, как «ультрафиолетовая катастрофа» – расчет мощности излучения АЧТ в соответствии с новыми принципами позволил получить блестящее согласие результатов этого расчета и данных измерений и, что самое главное, удалось «спасти» закон сохранения энергии. Таким образом еще одну тучу на светлом горизонте физики удалось рассеять.
Но это было не единственным успехом новой теории. Применение принципа квантования позволило датскому ученому Нильсу Бору уточнить модель атома Резерфорда. Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, а вокруг него расположены отрицательно заряженные неподвижные электроны. Но долго они так находиться не могут и должны, согласно классической электродинамике, постепенно приближаться к ядру и, в конце концов, на него упасть, после чего атом перестанет существовать. Тогда Резерфорд предположил, что электроны вращаются вокруг ядра и, в соответствии с законами классической механики, они могут находиться в таком состоянии сколь угодно долго. Но классическая электродинамика снова напоминает о себе – вращающийся электрон движется с ускорением, а значит излучает электромагнитную волну, следовательно, теряет энергию и в конце концов упадет на ядро. Не получается в рамках классической механики построить устойчивую модель атома!
И здесь Нильс Бор нашел выход. Дело в том, что электрон, вращаясь вокруг ядра, излучает энергию, по классической электродинамике, непрерывно, а по квантовой механике этого быть не может, он ее должен излучать порциями (квантами). А если такой порции нет, то и излучения нет, т.е. когда электрон вращается, то он не излучает. А когда же он излучает, что можно сказать о механизме излучения в такой модели? Откуда вообще берется излучение атома? Ведь он должен отличаться от механизма излучения, предлагаемого классической физикой! Оказывается, атом излучает только в том случае, когда электрон переходит с одной орбиты на другую. Такая модель атома была устойчива и объясняла многие явления.
Итак, при переходе электрона с одной орбиты на другую атом излучает энергию. А можно сказать и по-другому. Ведь согласно теории относительности, энергия объекта и его масса связаны между собой известной формулой (Е = мс2) и тогда можно утверждать, что при переходе электрона с одной орбиты на другую атом излучает частицу. А почему бы и нет? Мы знаем энергию этой частицы и значит мы можем рассчитать ее массу, а также импульс – основные характеристики микрочастицы. Альберт Эйнштейн в 1905 г. даже дал название этой частице – фотон. Но тогда возникает вопрос, что же такое свет и вообще электромагнитное излучение: поток частиц (фотонов) или, как мы раньше считали, волна? Ответ поистине обескураживает: свет – это такое явление, которое одновременно и поток частиц, и волна, т.е. сочетает в себе свойства частицы и волны. В некоторых опытах проявляются, главным образом, волновые свойства света, в других же преобладают корпускулярные свойства. Наши представления, что частица и волна – объекты совершенно различные, оказываются неверными. Рухнул еще один абсолютный постулат.
Проведенные позже исследования показали, что и электрон тоже одновременно и частица, и волна, сочетает в себе их свойства. Волновые свойства электронного пучка (потока частиц), того самого, который используется в кинескопе обычного телевизора, можно при определенных условиях наблюдать в лабораторном эксперименте. В настоящее время волновые свойства электронного пучка используются, например, в электронном микроскопе. Позже удалось установить, что такой двойственной природой обладают все микрообъекты, а значит и макрообъекты. Это явление получило название корпускулярно-волновой дуализм, который стал основанием квантовой механики.
А можно ли рассматривать электрон только как частицу, приписав ей некоторые дополнительные свойства? В этом случае вступает в действие принцип неопределенностей, сформулированный немецким физиком Гейзенбергом. Согласно этому принципу невозможно одновременно измерить сколь угодно точно такие параметры частицы, как ее координаты и скорость. Или ее энергию и время, а также ряд других. Вы можете, например, измерить очень точно координаты электрона, но тогда вы не сможете определить его скорость, узнать, куда он летит. И дело не в том, что современные приборы не позволяют этого сделать. Это невозможно принципиально, даже при наличии совершеннейшего измерительного прибора. Можно говорить только о вероятноститой или иной скорости электрона в данном случае. А это означает, что пространственно-временное описание микрообъектов и принцип причинности несовместны; можно говорить только о вероятности того или иного поведения микрочастицы.
Успех новой теории был головокружительным. Одним махом она дала точное количественное описание целого ряда явлений и объектов: структуры атома, процесса образования молекул, внутренних свойств ядра, взаимодействия электромагнитного излучения с веществом и многих других.