Текст книги "Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 24 страниц)

Звезды и атомы

Современные представления об эволюции звезд смог» возникнуть только после создания квантовой физики. Ученые задолго до овладения ядерной энергией теоретически изучили ядерные реакции, в ходе которых протон и нейтроны объединяются в ядра гелия и других легки элементов. Такие реакции приводят к выделению столь большого количества энергии, что оно вполне покрывает энергетические потери звезд во время главных этапов их эволюции. Цикл ядерных реакций, способный удовлетворить всем данным наблюдательной астрономии, пережил целый ряд увлекательных метаморфоз.

Может показаться удивительным, что вывод о том что энергия, уносимая излучением Солнца и звезд, выделяется в ходе ядерных реакций синтеза, был получен до того, как ученые поняли, каким образом можно искусственно создать условия, необходимые для протекания таких реакций.

Причиной такой непоследовательности оказалось бурное развитие ядерной физики, обеспеченное как исследованиями космических лучей, так и созданием ускорителей заряженных частиц. Обилие экспериментальных результатов, полученных из этих двух источников, вызвало поток теоретических исследований, в свою очередь стимулировавших экспериментаторов. Именно такая непосредственная связь теории и эксперимента обеспечила прорыв в микромир, а это в свою очередь открыло новые перспективы в астрофизике.

Однако все эти успехи не продвинули ученых к пониманию таинственных процессов рождения звезд и планет. Возможность продвижения в эту область обеспечили не столько результаты астрономических наблюдений, сколько прогресс в развитии электронных вычислительных машин. Только ЭВМ помогли разобраться в том, как туманности превращаются в звезды, в недрах которых начинаются ядерные реакции. При помощи ЭВМ удалось понять, как исчезают парадоксы, заставившие ученых отказаться от Ю – Лапласа.

Основной экспериментальный материал, заложенный в математические модели, которые переработали ЭВМ, собран радиоастрономами. Радиоволны и отчасти инфракрасные волны позволили получить сведения о внутреннем состоянии и процессах в туманностях, в которые невозможно проникнуть при помощи оптических телескопов. При этом радиоволны приносят сведения о начальных этапах, когда туманность очень разрежена и почти однородна. Инфракрасные лучи позволяют обнаружить начальные этапы возникновения звезд в глубинах этих туманностей. Плотность вещества в туманности и в молодой протозвезде различается в 1020 раз (в сто миллиардов миллиардов раз). Все, что мы знаем о процессах, протекающих при рождении протозвезд из туманностей, сообщили нам ЭВМ, «перемоловшие» огромную информацию. Впервые этот путь исследования выбрал Р. Ларсен из Йельского университета.

Процесс начинается так, как описывал Ньютон в письме к Р. Бентли: ограниченная масса вещества стягивается силами тяготения в плотный сгусток. Теперь мы называем такой процесс гравитационным коллапсом и знаем, как развивается этот процесс. На первом этапе под влиянием тяготения облако сжимается и постепенно становится более плотным, а его температура повышается за счет энергии гравитации.

Инфракрасное излучение еще выходит из глубин облака, унося энергию и приводя к тому, что температура повышается только до 10 К*, когда выделение гравитационной энергии уравновешивается ее потерями в результате излучения.

Давление излучения, предсказанное Максвеллом открытое П. Н. Лебедевым, еще мало и не препятствует гравитационному коллапсу. По мере развития этого процесса плотность вещества увеличивается без увеличен его температуры до тех пор, пока излучение уносит наружу всю энергию, выделяющуюся в ходе коллапса. Но когда плотность облака возрастает настолько, что оно становится непрозрачным для инфракрасных лучей, энергии прекращается, давление и температура облака возрастают, и коллапс прерывается совместным действием давления излучения и вещества. В это плотность внутренней части облака достигает 1014 частиц на кубический сантиметр, а температура в нем поднимается до 100 К. Радиус этой плотной области, образующей будущее ядро, примерно в 5 раз превышает расстояние от Земли до Солнца.

Начинается сравнительно спокойный этап, при котором внутреннее давление в ядре удерживает его от дальнейшего сжатия.

Вещество внешних частей облака продолжает падать на ядро, а оно постепенно становится более плотным горячим. Нагреванию способствует и то, что в плотной чает облака атомы водорода пролетают так близко один от другого того, что они с большой вероятностью соединяются в молекулы, а этот процесс сопровождается выделением энергии

Но даже после образования молекулярного водорода нагревание ядра продолжается главным образом за гравитационной энергии внешних частей облака, падающих на его центральную часть. Так продолжается до тех пока температура в центральной части не достигнет 2000 К, а его плотность увеличится еще в 100 раз. При этой температуре молекулярный водород, содержащийся здесь, диссоциирует – молекулы распадаются на атомы. Этот процесс поглощением энергии, а значит, температура вновь уменьшается. При этом давление излучения и вещества уже не может уравновешивать силу тяготения. Начинается вторая стадия гравитационного коллапса. Вещество внутренних слоев быстро падает к центру до тех пор, когда концентрация достигнет 10²⁴ частиц на 1 см³, а температура – 100 000 К. При этом давление в центральной части уравновесит силу тяготения. Второй этап коллапса прекращается. Вблизи центра облака образуется более плотное ядро. Оно сравнительно мало, лишь в несколько раз больше современного Солнца, и содержит только малую часть массы облака. Процесс при этом становится спокойным. Вещество из внешних частей облака постепенно выпадает на новое ядро. Его масса и температура медленно увеличиваются. Так рождается звезда, последующее сжатие которой под давлением силы тяжести поднимает температуру в ее центральной части до нескольких миллионов градусов. При этом в центре звезды начинаются термоядерные реакции и ее дальнейшая эволюция идет по хорошо изученному пути эволюции большинства звезд. Это, конечно, очень упрощенная картина.

В действительности процесс усложняется тем, что первоначальная туманность в большинстве случаев вращается в пространстве. При этом в коллапсе участвуют лишь внутренние области туманности. Внешние области удерживаются центробежной силой и не падают к центру. Процесс приобретает сходство с моделью Канта – Лапласа: облако становится похожим на двояковыпуклую линзу или диск. Но в наше время знание законов термодинамики и газодинамики вместе с вычислительными возможностями ЭВМ позволяют разобраться в процессе более подробно, чем это было доступно Лапласу и последующим ученым вплоть до первой половины семидесятых годов нашего века.

ЭВМ показали, что в ходе коллапса вещество вращающегося облака расслаивается. В коллапсе участвует малая центральная часть облака, остальная часть вещества отрывается от внутренней части, сжимаясь в огромные бублики, вращающиеся внутри дискообразного облака еще Максвелл, изучая строение колец Сатурна, установлено, что такие бублики неустойчивы. ЭВМ подтвердили вы Максвелла и показали, что вещество бубликов распадается на огромные куски, каждый из которых коллапсирует к своему центру. Так из большинства туманностей возникает звездная система, содержащая иногда сотни звезд. При этом эволюция может складываться и из более чем двух бурных стадий гравитационного коллапса, разделенных спокойными стадиями.

ЭВМ позволили проследить и дальнейшие стадии эволюции. Оказалось, что Солнечная система может родиться по крайней мере двумя путями: путем дальнейшей эволюции одного из фрагментов, возникших в результате последовательных коллапсов вращающегося облака или в ходе эволюции менее крупного, медленно вращающегося облака.

И в том и другом случае вещество облака приобретает форму вытянутого веретена или, скорее, форму огурца концы которого слегка согнуты в форме зародыша спирали, фигурирующей в теории Канта – Лапласа. Но, в отличие от этой теории, теперь установлено, что избыток вращательного движения центральной части облака пере дается в его внешние части. Поэтому вращение внутренне части замедляется, а скорость движения внешних облаете! постепенно увеличивается, так что итогом этого процесс; может оказаться медленно вращающаяся центральная звезда, окруженная планетами. Недавнее открытие уплощенной газопылевой оболочки вокруг звезды, которую астрономы обозначают – «бета» созвездия Живописца, может рассматриваться как реализация одной из стадий описанного процесса: центральная часть газопылевого облака уже сколлапсирована в плотное тело, внутренняя температура которого достаточна для начала термоядерной реакции, а в неустойчивом газово-пылевом диске начинается образование планет.

Так современная наука, объединив при помощи ЭВМ наблюдения астрономов с механикой, термодинамикой и ядерной физикой, пришла на новом уровне к пониманию процесса образования звезд и планетных систем. В новом сценарии рождения звездных систем можно усмотреть сходство с теорией Канта – Лапласа в начальной стадии процесса и с теорией Шмидта на заключительном этапе.

Обсуждая проблему образования Солнечной системы, мы следовали логике науки, но нарушили хронологию. Теперь нам придется возвратиться к началу века.

Эволюционная астрофизика изучает не только длительные плавные изменения космических объектов, но и катастрофические процессы, возникающие на определенных стадиях эволюции и приводящие к возникновению ярких и очень ярких новых и сверхновых звезд. Она включает в свои задачи и ключевой вопрос о том, как и из чего возникли звездные скопления – галактики, как и из чего возникла вся Вселенная.

Уже на рубеже нашего века ученые не сомневались в том, что и Вселенной в целом свойственно развитие. Но серьезные ученые не брались за изучение эволюции Вселенной. Они не имели ни нужного для этого наблюдательного материала, ни соответствующей теории, основанной на известных, твердо установленных законах природы.

Новый фундамент

Ситуация изменилась, когда Эйнштейн создал теорию относительности. Он разрабатывал ее не с целью изучения эволюции Вселенной. Эйнштейн поставил перед собой другую цель: разработать теорию, способную устранить противоречие между механикой и электродинамикой, между законами движения вещества и свойствами света.

В 1905 году Эйнштейн показал, что достаточно изменить процедуру измерения времени и расстояний, чтобы устранить эти противоречия. При этом Эйнштейн выяснил что предложенный им метод измерения времени и длины вместе с предположением о постоянстве скорости света позволяет расширить область применимости принципа относительности за пределы механических движений, изученных Галилеем. Он установил, что принципу относительности подчиняются и оптические процессы. Такое расширение приводит к замене простого уравнения, выражающего принцип относительности Галилея, другими уравнениями, совпадающими с преобразованиями, полученными Лоренцом и теперь носящими его имя.

Так Эйнштейн устранил противоречия между механикой, описывающей движение всех тел, и электродинамикой, управляющей движением света и силами, действующими между электрическими зарядами и магнитами. Он достиг этого путем сравнительно небольшого усложнения уравнений движения.

Теория удовлетворяла всем требованиям, предъявляемым к научной теории: она была непротиворечива и однозначна, описывала все известные явления и предсказывала неизвестные, которые затем подтверждались опытом.

Теория была вскоре признана большинством ученых. Им пришлось примириться с непривычными уравнениями и со странной зависимостью размеров тел, их масс и интервалов времени от скорости относительного движения этих тел. Следовало научиться пользоваться новыми уравнениями, позволяющими глубже проникнуть в тайны природы. Неожиданный вывод Эйнштейна о том, что между массой вещества и энергией, заключенной в нем, существует жесткая связь, казался в то время несколько странным, но не связанным с тем, что можно наблюдать в природе и в специальных опытах.

Все были довольны тем, что наконец устранены противоречия между электродинамикой и механикой, что исчезли парадоксы, возникавшие раньше при попытках применить электродинамику к движущимся телам. Довольны были все, за исключением Эйнштейна. Его с самого начала тревожила необходимость ограничивать новую теорию случаем равномерных и прямолинейных движений. Ускоренные и вращательные движения оставались за ее пределами. Доведя построение теории до конца и получив из нее ряд интересных результатов, он продолжал обдумывать суть ограничений, заложенных в теории, причины их возникновения, возможные пути устранения.

Два года прошло в мучительных раздумьях и безуспешных попытках. Не найдя выхода, Эйнштейн высказал свою тревогу в докладе перед собранием ученых, а затем и в статье, направленной в ведущий физический журнал.

Эйнштейн обращал внимание физиков на ограниченность теории. Ее нельзя применять, если в изучаемых процессах участвуют вращающиеся тела или если они подвержены простому прямолинейному ускорению, например, при движении в поле тяжести.

Потребовались годы упорной работы, в ходе которой Эйнштейн продумывал и проверял различные способы расширения теории, основанные на известных свойствах природы. Он комбинировал различные варианты уравнений, воплощающих эти свойства.

Ключом, открывшим Эйнштейну путь к решению задачи, стал известный эксперимент венгерского физика Р. Этвеша, выявивший с чрезвычайной точностью пропорциональность между массой, связанной с ускорением тел (ее называют инертной массой), и их тяжелой (гравитационной) массой, определяющей вес тел в поле тяготения.

Именно из-за этой связи все тела падают с одинаковым ускорением (факт, установленный Галилеем). Это со своей стороны, приводит к тому, что масса, входящая во второй закон Ньютона (закон ускорения), и масса, входящая в закон тяготения, являются двумя проявлениями единой сущности.

Ни механика Ньютона, ни первоначальный вариант теории относительности не объясняли этого равенства Пропорциональность инертной и гравитационной массы всех тел присутствовала в обеих теориях. Обе теории учитывали этот факт, а поэтому не противоречили ему. Ученые признали, что пропорциональность инертной и гравитационной массы является одним из глубинных свойств природы, и смирились с тем, что причины этой пропорциональности оставались неизвестными.

Но Эйнштейн не мог примириться с таким положением. Он чувствовал, что здесь проявляется не известная ему фундаментальная закономерность, и настойчиво пытался ее понять.

Глубокий физический анализ, опирающийся на интуицию и на твердую уверенность в том, что все тайны природы могут быть познаны, привел Эйнштейна к цели. Он понял, что в опытах, производимых в лабораториях, имеющих малые размеры по сравнению с радиусом Земли, а таковы практически все лаборатории, совершенно невозможно установить различие между действием ускорения и действием тяготения. Он увидел в этом возможность развития первоначального варианта теории относительности. Новый вариант объяснял, почему в изолированной лаборатории не только при помощи механических опытов, но и на основе оптических экспериментов невозможно определить, покоится ли лаборатория или она перемещается с постоянной скоростью, постоянной и по величине и по направлению.

Теперь Эйнштейн осознал истинный смысл опыта Этвеша. Опыт Этвеша указывал на то, что и о равномерно ускоренном движении лаборатории нельзя судить по опытам, производимым внутри этой лаборатории без привлечения к опыту тел, находящихся вне ее. Эйнштейн иллюстрировал это знаменитым мысленным экспериментом в лифте. Приборы, расположенные в лифте, не могут различить, покоится ли лифт в поле тяжести, например в гравитационном поле Земли, или лифт находится в космическом пространстве вдали от крупных небесных тел, где поле тяготения исчезающе мало, а какая-то постоянная сила, приложенная извне, движет лифт с постоянным по величине и направлению ускорением.

Но теперь Эйнштейн не мог ограничить теорию случаем постоянного ускорения. Он понимал недостаточность этой полумеры. Нужно было создать теорию, применимую в случае любых ускоренных движений и любых полей тяготения. Ведь эквивалентность ускорения и поля тяготения существует только в небольших областях пространства, в небольших лабораториях. Невозможно, придавая общее ускорение, заменить поле тяготения Земли в двух лабораториях, находящихся в противолежащих точках земной поверхности. Для того чтобы достичь цели, пришлось бы ускорять эти лаборатории в противоположных направлениях, тянуть каждую в зенит, но в антиподах эти направления противоположны.

Решающий шаг

Ценой огромных усилий, изучив и применив не известное ему ранее тензорное исчисление (разработанное специально для решения сложных задач механики твердых тел), Эйнштейн пришел к системе уравнений, объединяющей все механические и электромагнитные процессы.

Новые уравнения показали существование удивительных связей: свойства пространства зависят от распределения в нем вещества. В свою очередь движения материальных тел зависят от свойств этого же пространства.

Теперь стало понятно: движение любого тела во Вселенной, если на него действуют только силы тяжести, определяется лишь расположением рассматриваемого тела относительно всех остальных тел, разбросанных в пространстве. Конечно, основное воздействие оказывают близкие тела. Новые уравнения описывают любые движения, и поэтому они сложнее прежних.

Несмотря на сложность уравнений, Эйнштейну удалось решить их. Он обнаружил, что они объясняют одно непонятное явление и предсказывают два неизвестных явления.

Простейшей задачей вычислительной астрономии является исследование движения планеты вокруг Солнца. Конечно, она становится простой, только если пренебречь влиянием остальных планет на движение рассматриваемой планеты. Эту задачу впервые решил Ньютон.

Оказалось, что установленные им законы механики, включая закон всемирного тяготения, приводит к движениям по орбитам, форму которых установил Кеплер. Планеты движутся по эллипсам. В одном из фокусов этих эллипсов находится Солнце. Ньютон получил этот результат не из наблюдений, как Кеплер, а из закона тяготения и уравнений механики.

Естественно, что Эйнштейн начал проверку своих новых уравнений с решения той же задачи. Он не сомневался в том, что придет к результату, полученному Ньютоном. Это подтвердило бы правильность новых уравнений. Будь результат другим, он противоречил бы наблюдениям астрономов.

Результат оказался неожиданным. Конечно, он был близок результату Ньютона. В первом приближении, на первом этапе приближенного решения новых уравнений получалось, что планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых расположено Солнце. Однако было и различие. На втором этапе, при уточнении полученного решения, оказалось, что эти эллипсы не неподвижны. Они сами очень медленно вращаются вокруг Солнца.

Все знали, что это не так. Знал это и Эйнштейн. Но он верил в правильность новых уравнений и в то, что при их решении не допущена ошибка. Он не пал духом. Может быть, астрономы просто не заметили этого медленного вращения?

Эйнштейн начал тщательно изучать статьи астрономов, исследовавших движение планет. И был вознагражден. Несколько астрономов сообщали о странном и необъяснимом движении орбиты планеты Меркурий. Это вращение не могло быть следствием влияния других известных планет. Такие гипотезы не подтверждались расчетами. Оставалась единственная гипотеза: может быть, между Меркурием и Солнцем существует еще одна планета, орбита которой очень близка к Солнцу? Столь близка, что ее не удается увидеть на фоне зари. Но астрономы с сомнением относились к этой гипотезе. Они просто приняли к сведению, что существует еще не объясненное медленное вращение орбиты планеты Меркурия, в результате которого Меркурий описывает в пространстве сложную кривую. Эйнштейн понял всю важность этого факта для его теории. Ведь уравнения новой теории относительности предсказывали медленное смещение орбиты Меркурия. Замечательно, что полученная величина скорости вращения орбиты точно совпала с величиной, известной из непонятных ранее астрономических наблюдений.

Итак, новая теория объяснила загадку Меркурия. Теперь о предсказаниях. Из теории следовало, что луч света проходящий вблизи края диска Солнца, должен изменить свое направление – искривиться, – причем величина этого искривления складывается из двух равных величин. Первая возникала из-за того, что, в соответствии с первоначальной теорией относительности, кванты света (фотоны) обладают определенной массой и поэтому притягиваются к Солнцу. Вторая величина, равная первой, обусловлена тем, что само пространство вблизи Солнца искривлено силой тяготения. Эти две причины приводят к тому, что лучи света, распространяющиеся вблизи Солнца, перестают быть прямыми и искривляются вместе с искривлением пространства.

Это предсказание было блестяще подтверждено специальной экспедицией астрономов, наблюдавшей под руководством А. Эддингтона солнечное затмение 1919 года.

Сообщение о том, что луч света – символ прямизны – искривился в соответствии с предсказанием теории, вышло за пределы ученых собраний и разнеслось по всему миру, порождая славу создателю удивительной теории, ранее известному только узкому кругу специалистов.

Новая теория получила название «Общая теория относительности», а первоначальную теорию начали называть «Специальная теория относительности», так как она относится только к специальному случаю равномерных и прямолинейных движений.

Создатель теории понимал то, что еще оставалось скрытым от многих. Общая теория относительности есть прежде всего теория тяготения. Она впервые объяснила тайну тяготения, мучившую Ньютона. Ньютон был вынужден считать, что сила тяготения мгновенно и полностью схватывает все мировое пространство, что она распространяется бесконечной скоростью. Он не мог объяснить, как она действует, как возникает.

Бесконечную скорость распространения силы тяжести отвергала уже Специальная теория относительности. В ее основе лежало убеждение Эйнштейна в том, что нет и не может быть движений или передачи сигналов со скоростью, превышающей скорость света. Общая теория относительности объяснила, как и почему возникает сила тяготения. Это объяснение казалось парадоксальным даже крупным ученым. Теперь нам кажется естественной суть теории и ее вывод: сила тяготения есть не что иное, как проявление искривления пространства под действием массивных тел. Это искривление распространяется во все стороны не бесконечно быстро, а со скоростью света. Таково второе предсказание теории относительности – предсказание существования гравитационных волн. Эти волны действуют на материальные тела очень слабо, и поэтому, несмотря на все усилия, до сих пор их не удалось обнаружить в земных лабораториях.

Но Эйнштейн понимал, что, несмотря на малую величину энергии, уносимой гравитационными волнами, они приводят к важному ограничению созданной им Общей теории относительности. Здесь прослеживается аналогия с ситуацией, приведшей к возникновению квантовой механики.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом после открытия им атомных ядер, противоречила электродинамике Максвелла. Электрон, вращающийся вокруг ядра, в соответствии с уравнениями Максвелла обречен излучать электромагнитные волны, затрачивая на это энергию своего движения. Если это так, электрон постепенно приблизится к ядру атома и в конце концов упадет на ядро. Это должно привести к разрушению всех атомов, что противоречит опыту.

Как известно, Бор устранил это противоречие, предположив, что теория Максвелла неприменима к атомам что в микромире действуют иные законы, не приводящий к излучению электромагнитных волн электронами, вращающимися по устойчивым орбитам вокруг ядра. Впоследствии первоначальный вариант квантовой механики, созданной Бором, был существенно переработан, но стабильность атомных систем заложена и в уравнениях современной квантовой физики.

Эйнштейн понимал, что гравитационные волны, излучаемые вращающимся электроном, тоже приводят к нарушению стабильности атома. Поэтому, указывал он, Общая теория относительности тоже должна быть ограничена какими-то квантовыми процессами. Это труднейший этап развития физики. Эйнштейн не сумел преодолеть его. Только после его смерти ученые начали продвигаться к созданию квантовой теории гравитации, к объединению Общей теории относительности с квантовой теорией.

Недавно астрономы косвенно подтвердили существование гравитационных волн, наблюдая один из пульсаров – особый тип звезд. Такие звезды испускают короткие цуги электромагнитных волн, следующие один за другим с точностью, которой могут позавидовать кварцевые часы. К удивлению астрономов, период, с которым следовали цуги, излучаемые этим пульсаром, в отличие от других, постепенно уменьшался. Эти изменения нельзя объяснить иначе, чем признав, что пульсар движется в паре с другой невидимой звездой. Измерения позволили вычислить период вращения этой пары вокруг общего центра масс невидимой звезды и пульсара. Ученые не нашли другого объяснения сокращению периода вращения этой пары звезд, чем признание того, что запас энергии ее вращения постепенно уменьшается. Уменьшается по мере того, как часть этой энергии непрерывно уносится в мировое пространство гравитационными волнами.