Текст книги "Этюды о Вселенной"

Автор книги: Тулио Редже

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 12 страниц)

Несостоявшаяся звезда

Юпитер образовался при сжатии той же газовой туманности, из которой образовалось Солнце, и по своему химическому составу он тоже схож с Солнцем. При этом масса Юпитера едва достигает одной тысячной массы Солнца, что очень много по земным масштабам, но недостаточно, чтобы зажечь термоядерные реакции, которые вырабатывают тепло в недрах Солнца. Так что здесь мы имеем дело с «несостоявшейся звездой». в этом смысле Солнечная система включает в себя двойную звезду (или даже тройную, если считать Сатурн). Процесс сжатия Юпитера еще не закончен, и тепло, вырабатываемое этим непрерывным гравитационным сжатием вещества Юпитера, излучается атмосферой планеты в инфракрасной области спектра, невидимое для человеческого глаза, но вполне заметное для астрономических приборов.

Воспринимаемый в инфракрасном свете, Юпитер светится сам и излучает в три раза больше энергии, чем получает от Солнца.

Конвективные движения

Температура планеты увеличивается по мере продвижения внутрь, достигая нескольких десятков тысяч градусов в самом центре. Такие высокие температуры вызывают конвективные движения в оболочке планеты, движения, напоминающие то, что мы видим в кастрюле, поставленной на огонь: глубинные массы жидкости горячее и легче и поэтому перемещаются к поверхности. Достигнув ее, они излучают тепло во внешнее пространство, охлаждаются и опускаются вниз; цикл начинается снова.

В телескоп видно, что поверхность Юпитера разделена на горизонтальные полосы (параллельные экватору). Темные полосы чередуются со светлыми. Считается, что в пределах светлых полос горячее вещество выходит на поверхность, в то время как на темных полосах охлажденное вещество начинает свой спуск вниз. Данные, полученные «Вояджером», показали, что эта теория при всех ее достоинствах должна быть усовершенствована с учетом поразительных структур, усложняющих и украшающих атмосферу Юпитера гирляндами, вихрями и громадными омутами всевозможных расцветок. Еще Кассини видел на поверхности планеты знаменитое Красное Пятно, названное так, как говорит Азимов, из-за яркого красновато-оранжевого цвета. с близкого расстояния видно, что это красное пятно не единственное и что имеется еще одно, намного меньшее. Разумеется, большое пятно остается самым знаменитым: все-таки оно было обнаружено лет триста назад. Рядом с этими пятнами расположено множество других разноцветных пятен, имеющих, по-видимому, разные физические и химические составы.

«Вояджер» сфотографировал атмосферу Юпитера через множество цветных светофильтров; затем были восстановлены трехцветные изображения, но в «смещенном цвете», так, чтобы инфракрасный «цвет» был представлен как красный; другие цвета были изменены тоже. на этих фотографиях различные по химическому составу компоненты атмосферы окрашены в разные цвета, что дает возможность ученым разобраться в сложных метеорологических условиях Юпитера.

Красное Пятно

Исследования показали, что Красное Пятно – это большой вихрь, занимающий площадь, в три-четыре раза превышающую всю площадь поверхности Земли. на некоторых «ускоренных» кинокадрах прекрасно видно вихревое движение пятна, проглатывающего более мелкие пятна и возвращающего их назад невредимыми, как после круга на карусели. Похоже, что Красное Пятно возвышается как гигантский сплющенный купол над средним уровнем окружающей его поверхности Юпитера. Полосатая структура этой поверхности объясняется быстрым вращением планеты, совершающей один оборот немногим меньше чем за десять часов; в полярных зонах влияние вращения уменьшается, и вместо полос видно множество мелких пятен, где горячее вещество появляется из глубин.

Сильнейшее магнитное поле Юпитера захватывает излучение Солнца, создавая смертельный поток заряженных частиц, подобный радиационным поясам Земли и опасный даже для электронного оборудования; такой поток почти мгновенно привел бы к смерти любой формы земной жизни.

Автоматический зонд зафиксировал полярные сияния и ослепительные молнии, которые постоянно меняли очертания в неистовом бурлении атмосферы Юпитера, где бушевали беспрерывно сменявшие друг друга ураганные ветры со скоростями до, 400 км/ч.

Спутники Юпитера

«Вояджер» передал на Землю не только снимки самой планеты, но и превосходные фотографии ее спутников. из основных спутников (галилеевы спутники) ближайшим к планете является Ио, на котором обнаружено целых восемь действующих вулканов; кора Ио, таким образом, находится в состоянии высокой активности. По этой причине на нем нет следов бомбардировок метеоритами, какие видны на Луне, Марсе и почти на всех небесных телах Солнечной системы, обладающих твердой корой. Напомним, что, согласно общепринятой теории, лунные кратеры представляют собой результат таких интенсивных бомбардировок, происходивших около трех миллиардов лет назад при зарождении Солнечной системы и с меньшей интенсивностью продолжающихся вплоть до наших дней. на Ио непрерывные потоки извергавшейся лавы стерли все следы прошлого, оставив покрывало красного цвета, состоящее, по всей вероятности, из серы и различных сернистых соединений; местность неуютная еще из-за высокого уровня опасного излучения поясов, подобных радиационным поясам Земли. Открытие действующих вулканов явилось полным сюрпризом для планетологов и одним из наиболее значительных результатов, полученных «Вояджером».

Что касается состава остальных спутников Юпитера, то, по всей видимости, они содержат больше льда и меньше тяжелых каменистых материалов, причем это обогащение льдом и уменьшение доли тяжелых веществ тем заметнее, чем дальше от планеты находится спутник. Число достоверно известных спутников Юпитера превышает дюжину; в большинстве своем это ледяные шары около сотни километров в диаметре, едва видимые с Земли. Подсчет их числа, проведенный аккуратно, без спешки с помощью стационарного искусственного спутника Юпитера, наверняка выявил бы сотни более мелких спутников. Таким образом, система Юпитера напоминает Солнечную систему в миниатюре.

Столь же плодотворным оказался визит космического зонда к Сатурну. Как и ожидалось, поверхности Сатурна и Юпитера схожи по характеристикам; судя по всему, наличие желтоватых лент, расположенных вдоль экваторов, связано с присутствием метана.

В астрологических руководствах можно прочесть, что Сатурн приносит несчастье, его влияние всегда связано с большим горем. в книгах по астрономии написано в более прозаическом стиле, что среднее расстояние от Солнца до этой планеты составляет 1427 млн. км (почти в десять раз больше, чем расстояние до Земли) и что один оборот вокруг Солнца она совершает примерно за 30 лет.

Открытие колец Сатурна

В 1610 г. Галилей, разглядывая Сатурн с помощью телескопа, заметил, что планета выглядит довольно странно, и решил, что он видит два тела, сопровождающие основную планету и расположенные по обеим сторонам от нее. о своем открытии он сообщил анаграммой «Smaisnermiclmbpobtalevmibvneuvgttaviras», над которой долго ломал голову Кеплер, тщетно пытаясь найти для нее решение. Наконец, Галилей разъяснил смысл написанного: «Altissimum planetam tergeminum observavi» («Я обнаружил, что самая дальняя планета тройная»). Несколько лет спустя из-за относительного движения Сатурна и Земли кольца оказались повернутыми в профиль и поэтому стали практически невидимыми. Галилей решил, что он ошибся и прекратил заниматься Сатурном. Он умер, так и не узнав о существовании колец.

Кольца были открыты Гюйгенсом в 1659 г., о чем он объявил следующим образом: «aaaaaa, cccc, d, eeeee, g, h, iiiiiii, llll, mm, nnnnnnnnnn, oooo, pp, q, rr, s, ttttt, uuuu», что означало: «Anulo cingitur tenui, nusquam coherente, ad eclipticam inclinato» («Она окружена легким кольцом, нигде не касающимся светила и наклоненным относительно эклиптики»).

Мы избавим читателя от других анаграмм и подробного рассказа об истории этих исследований. Сатурн представляет собой громадную планету, имеющую в диаметре 119300 км, чуть меньше Юпитера. Система колец имеет внешний диаметр свыше 240000 км и с течением времени изменялась.

Состав и структура колец Сатурна

Шотландец Дж.К. Максвелл был первым, кто в 1850 г. в работе, ознаменовавшей собой начало его блестящей научной карьеры, серьезным образом поставил вопрос о природе колец Сатурна. с помощью неопровержимых доводов, основанных на законах небесной механики, он показал, что кольца не могут быть ни твердыми, ни жидкими. Оставалась гипотеза пыли, т.е. множества вращающихся по орбите вокруг планеты астероидов, столь мелких и многочисленных, что они воспринимаются как непрерывное кольцо. Спустя столетие модель пыли все еще считается справедливой, и оценки среднего диаметра «пылинок» дают значение порядка одного метра. Кроме того, похоже, что они состоят из льда. Из-за возмущений, вызываемых спутниками Мимасом и Энцеладом, некоторые орбиты нестабильны и остаются поэтому незаполненными. По этой причине пыль собирается в сложную систему концентрических колец, щели между которыми, вероятно, не превышают одного километра; для сравнения можно сказать, что толщина листа бумаги окажется равной 25 м, если пропорционально увеличить все размеры на Земле до размеров на Сатурне.

Теория Голдрайха и Тремайна, которая должна была объяснить детали структуры колец, оказалась (после получения данных от зонда) слишком упрощенной и должна быть теперь пересмотрена, хотя она в принципе остается справедливой, и на ее основе уже получены некоторые важные результаты. Недавние снимки, переданные зондом, свидетельствуют, что структура системы колец очень сложна; возможно, некоторые эффекты объяснимы только на основании предположения о существовании других спутников Сатурна, помимо дюжины уже обнаруженных.

Эта теория, как и всякая другая, основана на законе всемирного тяготения Ньютона и, по сути, представляет собой сложный пример приложения этого закона.

Существует ли жизнь на газовых гигантах Солнечной системы?

В интересной статье Солпитера и Сагана, опубликованной в серьезнейшем периодическом издании «The Astrophysical Journal», обсуждается одна такая возможность. Эти два автора считают, что Юпитер мог бы быть местом обитания гигантских упорядоченных организмов, вроде огромных шаров, наполненных водородом и плавающих в атмосфере планеты. Эти организмы могли бы питаться веществами, которые выносятся из недр планеты мощными восходящими потоками, упомянутыми нами выше. Не исключены случаи каннибализма. Красное Пятно могло бы оказаться идеальным местом для обитания этих организмов, что в свою очередь могло бы объяснить его окраску. Здесь мы имеем захватывающую рабочую гипотезу, для подтверждения или – будем реалистически смотреть на вещи – полного провала которой потребуются многие годы. Аналогичные соображения могут быть предложены и для Сатурна. Высказывалась мысль, что и в нагретой вулканами атмосфере Титана, самого большого спутника Сатурна, могла бы существовать жизнь, однако «Вояджер» обнаружил, что атмосфера Титана холодна и вряд ли может этому способствовать. Будущее, однако, всегда может приготовить нам какой-нибудь сюрприз.

5. Человек на Луне

Высадка первого человека на Луне 21 июля 1969 г. осуществила мечту нескольких поколений читателей Жюля Верна. Это памятное событие привлекло внимание всей мировой общественности и приковало к экранам телевизоров миллионы людей. Жюль Верн предугадал общий ход событий, но он не мог предвидеть ни грандиозный размах и огромную стоимость дела, предпринятого НАСА, ни фантастическую сложность всей аппаратуры, управляющей запуском и полетом. Если бы он поглубже изучил физику, то, возможно, избежал бы некоторых занимательных ошибок, из-за которых ряд его идей следует, скорее, отнести к археологии научной фантастики.

Итак, что же обнаружили астронавты на Луне и каков итог всего предприятия? Многие вещи уже заранее были известны специалистам; но, поскольку спектакль был хорошо разыгран, широкую публику они смогли удивить. Было известно, что Луна почти лишена атмосферы; количество газа, оставленного на Луне двигателями спускаемого модуля, сравнимо с тем его количеством, которое там уже было.

Отсутствие атмосферы на Луне объясняется слабостью ее гравитационного поля, которое в шесть раз меньше земного; вторая космическая скорость на Луне равна примерно 1 км/с – пуля, пущенная из ружья, наверняка сумела бы преодолеть лунное притяжение. Молекулы любого газа находятся в непрерывном тепловом движении; скорость лунной молекулы неизбежно, а вовсе не случайно оказалась бы больше космической, так что молекула исчезла бы в пространстве. Возможно, Луна все же имела атмосферу в эпоху зарождения Солнечной системы, но к настоящему времени на ней остались лишь ничтожные следы тяжелых газов.

На Земле любой камень содержит какие-то следы воды; эту воду всегда можно извлечь, нагревая камень. Огромные лунные просторы, покрытые пылью с редкими вкраплениями камней, лишились всяких следов воды за миллиарды лет пребывания в пустом пространстве. Эта пыль выглядит очень темной; будучи исследована уже на Земле, она оказалась совершенно бесплодной, похожей по составу на земные базальты. Лунная поверхность примечательна разве что присутствием некоторого количества титана – металла будущего. Имеющиеся данные, таким образом, не могут вызвать энтузиазма у людей, мечтавших об использовании богатых залежей лунных минералов.

Будем все же осторожны. на Земле полезные ископаемые сконцентрированы в зонах с ограниченной площадью, и, чтобы их извлечь, необходима большая исследовательская работа на местности. Если бы мы вдруг спустились на Землю и стали изучать минералы, подобранные в дюжине разных мест, то перспектива их использования тоже не показалась бы нам заманчивой.

Разглядываемая с Луны Земля кажется неподвижно подвешенной в небе и имеет фазу, дополнительную по отношению к фазе Луны, разглядываемой в то же время с Земли. Солнце освещает Луну непрерывно две недели подряд, затем следуют две недели темноты; сложенные вместе, они как раз и составляют лунный месячный цикл. Лунная почва, исключительно горячая днем, становится ледяной ночью. Так что Луна представляет собой чрезвычайно неприветливое место, и только ценой огромных и непрерывных материальных затрат можно было бы создать на ней базу, где астронавты имели бы минимум комфорта. Картины, предложенные зрителям авторами фильма «Космическая Одиссея», очень далеки от реальности, и, возможно, мы никогда и не увидим такого, если не сможем найти выхода из наступившего энергетического кризиса.

Какую пользу принесли человечеству экспедиции на Луну? Всего несколько лет прошло после их осуществления, но чувство разочарования и потеря интереса у большинства людей очевидны. Наверно, все ожидали чего-то похожего на открытие Америки: исследована новая территория, и, однажды преодоленные, ее границы должны стать открытыми для всех желающих. Но Луна, увы, не Клондайк, и массовая доставка людей на нее еще весьма далека от реализации, даже несмотря на то, что введение в строй космического корабля многократного использования должно значительно снизить стоимость таких полетов.

Научных данных о нашем спутнике накоплено огромное количество, и только часть их обработана. Можно надеяться, что на основе этих данных будет получен более точный ответ на вопрос о происхождении Солнечной системы. Действительно, на Луне, поверхности которой не коснулись ни разрушительное действие атмосферы, ни катаклизмы, как, например, те, которые происходят в земной коре, сохранились древнейшие камни (их возраст 4 млрд. лет), своим происхождением восходящие ко времени рождения самой Солнечной системы.

По-видимому, еще десяток лет потребуется, чтобы на основе данных о Луне и непрерывно поступающих данных о других планетах сделать какие-то определенные заключения о происхождении Солнечной системы. Тогда мы сможем точнее узнать, было ли образование нашей системы событием из ряда вон выходящим или, как мы предполагаем, речь идет об образовании рядовой планетной системы, каких много во Вселенной.

В последнем случае увеличилась бы вероятность найти где-то во Вселенной жизнь, возможно, и разумную. Ответы на фундаментальные вопросы о нашем далеком прошлом не имеют денежного эквивалента, их нельзя оценивать только с точки зрения экономической.

Лунные приключения нельзя считать растратой общественных средств (хотя бы и «дяди Сэма»). Они способствовали развитию космической технологии, а множество совершенных ошибок позволило осознать опасности, поджидающие нас в космосе; наступило время, когда спутник, метеорологический или связи, щедро вознаграждает нас за средства, затраченные на его создание.

Заглядывая в ближайшее будущее, нужно иметь в виду, что запасы полезных ископаемых на Земле подходят к концу; если бы весь мир потреблял свинец с такой же интенсивностью, как Соединенные Штаты, его хватило бы всего на три года; такие же цифры характерны для положения почти со всеми минералами, а о нефти лучше и не вспоминать.

Увеличение численности населения земного шара так же, как и развитие мировой экономики современными темпами в течение ближайших нескольких десятков лет, просто немыслимо; более того, кризис природных ресурсов уже стучится в нашу дверь, хотя – вот парадокс! – в Солнечной системе почти наверняка полным-полно полезных ископаемых, пусть и не на Луне. Маленькие внешние спутники Юпитера представляют собой не что иное, как большие шары, состоящие из смерзшихся камней, льда и углеводородов. Кроме того, возможно, что многие из астероидов, расположенных между Юпитером и Марсом, состоят из сплава железа и никеля, подобного центральному ядру Земли. Одного такого осколка диаметром в километр хватило бы для удовлетворения наших нужд на столетия вперед. По этой причине исследование остальных небесных тел Солнечной системы и изучение механизма ее образования приобретает не только академический интерес, но может дать вполне определенную практическую выгоду в будущем.

Подобные рассуждения справедливы и для Солнца, по разным причинам еще недостаточно изученного. Например, минимальное изменение его светимости может привести к различным изменениям земного климата и к потрясениям, катастрофические последствия которых можно было бы ограничить, зная о них заранее. и в этой области ожидаются в высшей степени интересные результаты, связанные с использованием космического «челнока» для вывода телескопа на орбиту.

Итак, наши приключения только начинаются, и, даже если мы еще далеки от создания космических колоний типа описанных американским драматургом О'Нилом, виды Юпитера, посланные на Землю космическими зондами и поразившие наше воображение, заставляют задуматься над исключительностью нашего времени и над значением всех уже имеющихся данных для будущего человечества.

Глава 3. О современной физике

1. Вводные замечания

Предмет физики

Что такое материя? в настоящее время не существует исчерпывающего ответа на этот вопрос, да и разъяснить его непосвященным на нескольких страницах было бы невозможно. Что еще хуже, в своих рассуждениях мы могли бы дойти до принципиальной невозможности определить абсолютным образом сущность материи.

Здесь я могу дать ответы только на какие-то частные вопросы, которые прольют свет на уже имеющиеся результаты исследований и перспективы развития физики, да рассказать об усилиях, которые предпринимаются для достижения синтеза наших знаний. По определению, физика – это наука о материи (веществе), и она призвана заниматься выработкой теорий, которые сжато и ясно объясняли бы все более расширяющийся спектр явлений; она должна, кроме того, подвергать эти теории экспериментальной проверке, прежде чем дать им путевку в жизнь.

Итак, вещество наблюдают и изучают, выделяя какие-то его физические свойства и определяя, как со временем меняется его состояние. Для физика само вещество отождествляется с совокупностью всех наблюдаемых свойств, но такой жесткий подход ослабляется нашей неспособностью определять и изучать все возможные характеристики вещества.

Среди наиболее важных свойств вещества имеются такие, которые меняются непрерывно и смысл которых интуитивно особенно очевиден. Таковы, например, положение, скорость и энергия материального тела. Существуют другие, дискретные, свойства, они называются квантовыми: мы можем сделать выбор между серой и кислородом, но промежуточной возможности просто нет.

Положение тела задается в трехмерном пространстве, и это отражает очевидный эмпирический факт; согласно теории относительности, время следует рассматривать как четвертое измерение. Таким образом, сценой, или ареной, для физики служит четырехмерное пространство-время. Вполне возможно, что в не слишком далеком будущем структура пространства-времени сможет быть понята на основе постулатов более простых и фундаментальных, чем современные.

Идеальная теория должна быть способна вычислять силы, с которыми действуют друг на друга разные составные части вещества. Согласно жесткой детерминистской схеме, или схеме Лапласа, зная распределение вещества в какой-то заданный момент времени, мы должны иметь возможность с помощью уравнений движения предсказать это распределение в последующие моменты времени. По разным причинам такую программу осуществить не удается. Мы не можем задать состояние вещества полностью: чтобы определить состояние некоторого объема, потребовался бы устрашающе длинный список всех отдельных атомов в химических соединениях, а составить такой список мы заведомо не в состоянии. Судя по современному уровню научных исследований, в ближайшие годы почти наверняка будут выявлены какие-то новые, еще не открытые свойства материи. Так что физические теории всегда имеют дело с неполным набором экспериментальных данных; хорошо известным примером этого является ньютоновская теория тяготения.

Пределы применимости физики Ньютона

«Мир» Ньютона состоял из материальных тел, единственной характеристикой которых, если не считать положения, скорости и энергии, служила масса m. Для измерения m к телу прикладывают известную силу F, затем измеряют ускорение тела а и вычисляют массу, используя знаменитую формулу F = ma; таким образом, величина m служит мерой инерции тела, его сопротивления движению под действием заданной силы. Чудесным образом оказалось, что силу притяжения между ньютоновскими телами можно определить, зная только их массы и расстояния между ними. Этого достаточно также для описания их движения.

Такая идеализация допустима, если тела не рассматриваются на слишком близком расстоянии: так, Земля не является точкой, она имеет океаны, твердую кору и жидкие недра. на ней рождаются приливы и отливы, которые хоть и незначительно, но все же влияют на движение Земли вокруг Солнца, да и на движение Луны. Насколько существенны такие эффекты, зависит от состава земного вещества и его атомной структуры. Но силы, действующие между атомами, не гравитационной природы, и поэтому здесь теории Ньютона недостаточно.

Вплоть до 1900 г. свойства материи и наличие исключительного разнообразия форм ее проявления объясняли химическим взаимодействием примерно ста элементов, соответствующих различным атомам. Как свидетельствует огромное количество химических опытов, речь идет о феноменологическом описании, основанном на понятии валентности и вполне подходящем с точки зрения многих технических приложений.

Открытие электрона в конце прошлого столетия положило конец мифу о неделимости атома. Согласно модели Бора – Резерфорда, атом подобен миниатюрной солнечной системе, состоящей из положительно заряженного тяжелого ядра, вокруг которого вращаются электроны, заряженные отрицательно. в целом атом нейтрален.

Электромагнитные и ядерные силы

Таким образом, мы столкнулись с силой нового типа – электромагнитной силой. в нашем введении мы не будем рассказывать об историческом пути, приведшем в 1859 г. к открытию Дж.К. Максвеллом уравнений электромагнитного поля, открытию, стоящему в одном ряду с теорией Ньютона. Согласно теории Максвелла, материальное тело характеризуется еще одним свойством – электрическим зарядом. Зная его, мы знаем, как тело взаимодействует с электрическим и магнитным полями, а также как оно их создает. Противоположные заряды притягиваются, а заряды одинакового знака отталкиваются. Итак, существуют положительные и отрицательные заряды; в теории же Ньютона массы всегда положительны и всегда притягиваются.

Внутри вещества положительные заряды (ядра) стремятся к отрицательным (электроны), чтобы вместе создать нейтральное вещество (атомы); оставленное в покое вещество стремится «спрятать» электромагнитное поле. с другой стороны, большому количеству вещества, собранного вместе, свойственны большая масса и, следовательно, гравитационное притяжение. Поэтому, даже если электрическая сила взаимодействия электрона и ядра несравнимо больше сил тяготения, в конце концов начинают доминировать именно последние, когда в игру вступают большие количества вещества.

Атом Бора вмиг свел химию к одной из глав физики, а классификацию элементов – к классификации атомных ядер. в свою очередь оказалось, что ядра состоят из нуклонов, положительных (протонов) и нейтральных (нейтронов), с массой примерно в две тысячи раз большей массы электрона. Но, как сказал Фейнман, успех физической теории определяется не столько задачами, которые с ее помощью решаются, сколько значением новых задач, возникающих на ее основе.

Гравитоны, фотоны, и пионы

Одна из первых задач касалась природы сил, за счет которых нуклоны держатся вместе внутри ядра; вскоре оказалось, что они примерно в сто раз больше электрических и что на расстояниях в несколько ферми (1 ферми равен одной триллионной доле миллиметра) их действие прекращается. Другой вопрос касался самой природы электромагнитного поля. Выдающимся достижением Максвелла было осознание того, что световые волны наряду с радиоволнами, рентгеновским и γ-излучением представляют собой очень быстрые колебания электромагнитного поля; все они имеют одну и ту же природу и различаются только частотой.

Свет, падая на металлическую поверхность, может поглотиться и передать свою энергию электрону, который при этом вылетает из атома (фотоэлектрический эффект). в своей первой работе, опубликованной в 1905 г., Эйнштейн объяснил некоторые расхождения наблюдавшегося фотоэлектрического эффекта с теорией Максвелла. в сущности, Эйнштейн выдвинул гипотезу о существовании новой частицы – кванта света, или фотона, гипотезу, принявшую окончательный вид к концу 1923 г.

Энергия электромагнитной волны не может передаваться непрерывно, а выдается, согласно закону Планка, пакетами (квантами) определенной величины, пропорциональной частоте. Частота радиоволн столь низка, и соответствующие пакеты столь малы, что создается впечатление непрерывного излучения. в случае же γ-излучения фотон ведет себя как настоящая частица, как «атом света». Фотон имеет двойственную природу: он одновременно представляет собой и частицу, и волну. Даже гравитационные волны, предсказываемые общей теорией относительности, должны быть квантованы: им соответствует гравитон.

Итак, существовали частицы «нормальные», к которым относились электрон и протон, и «частицы-волны», как фотон и гравитон. из необходимости обойти эту неприятную асимметрию и родилась квантовая механика, постулирующая двойственную природу волна – частица всей материи. Электроны и протоны также представляют собой волны; их волновая природа проявляется только тогда, когда они находятся в ограниченной области пространства (как в атомах или ядрах) или в столкновениях со столь же мелкими препятствиями. Таким образом, стирается грань между материей (веществом) и светом, свет выступает как особая форма материи.

Исключительно сложная теория, называемая квантовой электродинамикой и развитая в послевоенные годы Фейнманом, Томонагой, Швингером и Дайсоном, дает очень точное описание сложного пространственно-временного пинг-понга, происходящего в мире, состоящем из электрических зарядов и фотонов. Заряды обмениваются фотонами; эти последние ответственны за электромагнитные силы взаимодействия самих зарядов. в сущности, отменяется ньютоновское мгновенное действие на расстоянии, фотоны выступают как «носители» силы или, если угодно, как электромагнитный «клей». Точно таким же образом гравитационным клеем служит гравитон. Ядерные силы можно представить как результат обмена л-мезонами, предсказанными Юкавой и названными пионами. Пионы образуют семейство из трех частиц (положительной, нейтральной и отрицательной), которые все рождаются в ядерных реакциях на наших ускорителях.

Дуализм волна – частица

Квантовая механика глубоко затронула наши представления об атоме и вообще любой системе, где частицы, объединенные чрезвычайно большой силой, находятся в очень маленьком объеме. Нельзя и дальше считать частицы материальными точками, которые перемещаются по орбитам, строго определяемым их взаимным притяжением. Наоборот, электрон в атоме Бора рассматривается как волна, а поле притяжения – как линза, которая ее загибает и заставляет вращаться вокруг ядра. Атом становится резонансной полостью для электронных волн. Именно такое сравнение должно навести на мысль, что внутри атома возможны не любые колебания. Еще во времена Пифагора знали, что натянутая струна или труба органа могут колебаться, издавая звук только определенной основной частоты и ее гармоник.

Итак, электрон может обращаться вокруг ядра только в соответствии с дискретной (прерывистой) последовательностью возможных частот колебаний, каждая из которых соответствует в общем одной классической орбите старой планетарной модели. Говорят о «квантовании» орбит и их энергии. Самый низкий тон, испускаемый струной, соответствует колебанию без каких-либо узлов (если бы в середине струны был узел, то струна выглядела бы как две струны половинной длины, колеблющиеся с удвоенной частотой). в атоме также существует состояние минимальной энергии (основное состояние), соответствующее наименьшей из орбит, которые электрон может описывать вокруг ядра. Если передать атому достаточно энергии, то он «возбуждается» и электрон перемещается в состояние с более высокой энергией, чтобы затем снова вернуться в основное состояние, излучив при этом разность энергий в виде фотона (света). Этому свету присущ определенный цвет, зависящий от происшедшего перехода и представляющий собой «автограф» атома. Так, красный цвет рекламных огней выдает присутствие неона. Свет звезд, опровергая злополучное предсказание Конта, раскрывает их химический состав.