Тема 13. Третья научная картина мира

1. Основные черты современного естествознания

2. Вещество и поле

3. Первые модели атома

4. Элементарные частицы

5. Новый взгляд на пространство и время

6. Природа всемирного тяготения

7. Планеты, звезды, галактики

8. Гипотеза Большого взрыва

9. Этапы космической эволюции

10. Живая и неживая природа

11. Теория биологической эволюции

12. Гипотезы происхождения жизни

1. Основные черты современного естествознания

На рубеже прошлого и нынешнего столетий произошла третья в истории человечества научная революция. Вспомним, что временем первой называют 5 в. до н.э., а научную картину мира, ставшую ее результатом, – древней, или античной, или натурфилософской, или аристотелевской. Вторая научная революция произошла приблизительно в 16 - 17 вв. и сформировала вторую научную картину мира, которая называется классической. или механистической, или ньютоновской. Просуществовав около трех столетий и добившись огромных научных результатов, классическое естествознание исчерпало свои возможности и уступило место третьей научной картине мира, которая стала называться неклассической, или современной, или эйнштейновской – по имени ее наиболее выдающегося представителя – знаменитого ученого 20 в. Альберта Эйнштейна.

Если характерной чертой первой научной картины мира был геоцентризм, а второй – гелиоцентризм, то одной из важных особенностей третьей научной картины мира стал релятивизм (вспомним, латинское слово “relativus” переводится как “относительный”) – представление, по которому ни Земля, ни Солнце, ни какой-либо другой объект не может быть центром Вселенной, потому что у нее вообще нет центра; а вернее таким центром можно считать любую точку, только этот центр будет условным, или относительным. Если вторая научная революция ознаменовала собой переход от геоцентризма к гелиоцентризму, то естествознание, сформированное третьей научной революцией, принципиально отказалось от всякого центризма вообще, полагая, что “привилегированных”, или особенно выделенных систем отсчета во Вселенной нет, т.к. все они равноправны. Причем любое утверждение имеет смысл, только будучи “привязанным” к какой-либо конкретной системе отчета, соотнесенным с ней; а это означает, что любое наше представление, в том числе и вся научная картина мира, релятивны, или относительны.

В силу геоцентрического взгляда, равно как и гелиоцентрического, Вселенная, у которой есть центр, также имеет и границы (одно обусловливает другое). С точки зрения релятивизма она безгранична (отсутствие центра неразрывно связано с невозможностью границ и наоборот). Важно отметить, что понятия “безграничность” и “бесконечность” часто воспринимаются как равнозначные, а утверждение о безграничности Вселенной отождествляется с тезисом о ее бесконечности. В естествознании вышеупомянутые понятия обозначают не одно и то же. По современным научным представлениям Вселенная безгранична, но не бесконечна. Это положение кажется, на первый взгляд, довольно странным и непонятным. Для того, чтобы разобраться в нем, рассмотрим простой пример.

Представим себе отрезок и зададимся вопросом: безграничен ли он? Конечно же, нет, т.к. у него есть границы – точки, между которыми он заключен. Так же отрезок и не бесконечен, потому что его длину можно измерить и выразить в какой-либо конечной числовой величине (10 мм, 5 см, 2 м, 1 км и т.п.). Теперь мысленно искривим этот отрезок и замкнем его, соединив концы. Что получилось? Отрезок превратился в окружность. Вновь зададимся вопросом: есть ли у этого кривого, замкнутого отрезка, или окружности границы? У окружности (обратите внимание – речь идет об окружности, а не о круге!) никаких границ нет (нельзя сказать где она начинается и где заканчивается), т.е. она безгранична. Однако ее длина является такой же, как длина отрезка, из которого она образована, т.е. конечной. Получается, что окружность безгранична, но не бесконечна.

Обратимся еще к одному примеру. Представим себе сферу (обратите внимание – не шар, а сферу, т.е. искривленную плоскость, являющуюся поверхностью шара) и мысленно разомкнем, “распрямим” ее, чтобы она превратилась в плоскую геометрическую фигуру. Будут ли у последней границы? Да, будут. Теперь вновь искривим ее, свернем и замкнем в сферу. Есть ли у сферы границы? Конечно же, нет: она, как и окружность, нигде не начинается и нигде не заканчивается, т.е. является безграничной. Однако площадь сферы можно посчитать и выразить некой конечной величиной, так же, как и площадь плоской геометрической фигуры, в которую можно превратить сферу путем ее развертки на плоскости. Таким образом, сфера не бесконечна. Тем не менее она безгранична.

Мы заметили, что искривление какого-либо геометрического объекта способно сделать его безграничным, но не бесконечным. Прямую линию можно условно назвать одномерным пространством, потому что она имеет только одно измерение, или, иначе говоря, задается только одной координатной осью – “х” или “у”. Плоскость можно условно назвать двухмерным пространством, т.к. она имеет два измерения, задается двумя прямыми, или двумя координатными осями – “х” и “у”. Привычное нам пространство, то, в котором мы находимся, является трехмерным, потому что оно задается тремя прямыми, или тремя координатными осями – “х”, “у”, “z”. Вселенная представляет собой трехмерное пространство. Искривление одномерного пространства (прямой линии) делает его замкнутым (окружность) и безграничным (но не бесконечным). Искривление двухмерного пространства (плоскости) приводит к тому, что оно становится замкнутым (сфера) и не имеет границ (но остается конечным). Так же и искривление нашего трехмерного пространства, или Вселенной превращает его в замкнутое и безграничное (но не бесконечное). Здесь может возникнуть вопрос: что такое искривление трехмерного пространства? Как его себе представить? Мы можем представить искривление одномерного пространства (прямая линия превращается в окружность) или – двухмерного (плоская фигура становится сферой), но мы принципиально не можем представить себе искривление трехмерного пространства, потому что сами являемся трехмерными существами. Для пояснения приведем пример. Представим себе, что в некой плоскости живут двухмерные существа, которые передвигаются по ней во всех направлениях, но не могут покинуть ее, оторваться от нее (например, подняться над ней) в силу своей двухмерности. Теперь представим, что эта плоскость искривилась и замкнулась, превратившись в сферу. Двухмерные жители по-прежнему скользят по своей плоскости (теперь – сфере) во всех направлениях. Будут ли они замечать ее появившуюся кривизну? Не будут – для них она остается плоскостью. Если бы кто-то сказал им, что она искривлена, они не смогли бы себе это представить. Двигаясь по искривленной поверхности, они не воспринимают ее таковой. Кстати, это приводит к удивительным для них результатам. Отправляясь в своей плоскости строго вперед и двигаясь исключительно по прямой (как им кажется) линии, никуда не сворачивая, они, к своему величайшему изумлению, через какое-то время окажутся в той же точке, из которой начинали свой путь. Как двухмерные существа не в состоянии заметить, а также представить кривизну и замкнутость своей плоскости, так и мы – существа трехмерные – не можем заметить и представить кривизну своего трехмерного пространства и его замкнутость. Как то ни удивительно, но отправляясь по прямой линии в бескрайние глубины Вселенной, мы через некоторое время попадем туда же, откуда начинали свое путешествие. Этот необычный эффект обусловлен тем, что Вселенная представляет собой (с точки зрения современного естествознания) искривленное и замкнутое трехмерное пространство и является безграничной, но не бесконечной.

По поводу всего вышесказанного может возникнуть вопрос: каким образом в науке появился вывод об искривленности трехмерного пространства, если человек не в состоянии ни заметить, ни представить себе это. Такой вывод был сделан умозрительно. Там, где бессильны органы чувств и самое живое воображение, на помощь приходит умозрение: то, что нельзя увидеть глазами и наглядно представить, можно вывести умозрительным путем, т.е. усмотреть умом, помыслить. Например, почему мы запросто пользуемся понятием бесконечности, хотя ни увидеть ее, ни вообразить не можем? Потому что вполне способны уловить ее разумом, “увидеть” с помощью мысли.

Итак, одной из характерных черт современной научной картины мира является релятивизм. Другая такая черта – это математизация естествознания, которая, начавшись еще в 16 - 17 вв., продолжается до настоящего времени и играет в нынешней науке гораздо большую роль, чем в эпоху Галилея и Ньютона. Современная исследовательская мысль начала проникновение в такие области природы, где использование математического языка становится единственно возможным. Например, объекты микромира (атомы и элементарные частицы) вообще не поддаются точному описанию и объяснению с помощью естественного языка и поэтому представляют собой в сегодняшнем естествознании, по преимуществу, набор сложных математических записей, понятных и доступных только специалистам в этой отрасли науки.

Еще одна важная особенность третьей научной картины мира, отличающая ее от классического естествознания, заключается в антимеханицизме. Вспомним, ньютоновская наука характеризовалась прежде всего механицизмом, согласно которому все многообразие природных явлений, в конечном итоге, сводится к простым механическим взаимодействиям между физическими телами; и с помощью механики, следовательно, научное познание может охватить и исчерпать всю природу. С точки зрения современных естественнонаучных представлений Вселенная не является огромной механической совокупностью составляющих ее объектов, а представляет собой нечто неизмеримо более сложное, чем механизм, хотя бы даже грандиозный и совершенный. Многообразие природных явлений не сводится к механическим взаимодействиям, потому что последними объясняется далеко не весь окружающий мир (как казалось Ньютону), но только маленькая его часть. Более того, сами механические взаимодействия не являются в природе базисными, основными, исходными, а представляют собой следствия или проявления других, более глубоких, фундаментальных взаимодействий (сильных, слабых, электромагнитных, гравитационных), о которых речь впереди.

Следующая характерная черта современного естествознания – это глобальный эволюционизм. Вторая, или классическая научная картина мира утверждала, что Вселенная неизменна. Одной из главных идей третьей, или эйнштейновской научной картины мира является утверждение о том, что все ныне существующее есть результат длительной эволюции, грандиозного мирового развития – от физического вакуума и хаоса элементарных частиц до высокоразвитых форм жизни, включая человека разумного (Homo Sapiens). Раньше Вселенная была совсем не такой, как сейчас, считает современная наука. Вспомним, первую научную картину мира мы сравнивали с живописным полотном (все очень красиво, но сходство с реальностью минимальное), вторую – с черно-белой фотографией (сходство с действительностью достаточно большое, но неудобство причиняет статичность и безжизненность). Третью научную картину мира можно уподобить цветной киноленте, каждый кадр которой соответствует определенному этапу в эволюции Вселенной. Кроме того, если вторая научная картина мира считалась завершенной (и поэтому – классической), описавшей и объяснившей, в основном, всю природу, то современное естествознание вынуждено признать, что вслед за вечным изменением мира будут меняться и наши представления о нем. А это значит, что нынешняя научная картина мира в недалеком или отдаленном будущем уступит место иным научным представлениям. Единственно верную, абсолютно точную, полностью завершенную картину мира не удастся нарисовать никогда, говорит современная наука.

Вспомним, одной из характерных черт ньютоновского, или классического естествознания являлся механицизм, неизменными «спутниками» которого были детерминизм и идея стационарности мира. Глобальный эволюционизм также характеризуется наличием своих «спутников». Если, согласно идее глобального эволюционизма, Вселенная представляет собой грандиозную эволюцию, протяженностью в миллиарды лет – от хаоса элементарных частиц до сложных форм жизни и разумного человека, то это означает, что мировое развитие шло по восходящей линии – от более простого к более оформленному и структурированному; эволюция Вселенной представляет собой постепенное нарастание сложности материальных структур, их саморазвитие и самоорганизацию. Теория самоорганизации материальных объектов и систем называется синергетикой (греч. synergos - совместно действующий), которая и является одним из «спутников» глобального эволюционизма. Согласно синергетическим идеям, в развитии любой материальной системы (под материальной системой подразумевается любая – простая или сложная – структура – от атома до человеческого общества) есть так называемые точки бифуркации (лат. bifurcus – раздвоенный) – такие моменты или состояния, в которых система становится неустойчивой, и любой случайные факторы, называемые флуктуациями (лат. fluctuatio – колебание), могут «столкнуть» систему на какой-либо один из возможных, альтернативных путей дальнейшего развития. Таким образом, в точке бифуркации поведение системы становится непредсказуемым, а ее будущее – неопределенным. Вне точек бифуркации (или между ними) система является устойчивой, и случайные факторы не могут как-либо существенно повлиять на нее. В этих случаях поведение системы предсказуемо, а ее будущее является определенным. Например, раскачивающийся маятник представляет собой устойчивую систему: можно точно сказать, чем закончатся его колебания – они со временем затухнут и маятник будет неподвижен в отвесном, «серединном» своем состоянии. Однако если повернуть его на 180°, поднять вертикально вверх и отпустить, то принципиально неизвестно, в какую сторону он свалится (направо или налево); в таком положении он находится в точке бифуркации, и его падение в ту или другую сторону зависит от случайных факторов. Классическое естествознание сосредоточивало свое внимание на устойчивых материальных системах, подобных «нижнему» положению маятника, а современное естествознание проявляет большой интерес к неустойчивым системам, подобным «верхнему» положению маятника, чем, во многом, и объясняются такие его черты как глобальный эволюционизм и синергетическое видение мира.

Наконец, еще одним «спутником» глобального эволюционизма является индетерминизм – идея, согласно которой мир не является полностью предсказуемым, ясным и определенным; в нем немалую роль играет случайность, в его развитии (поскольку он также является материальной системой) есть точки бифуркации, есть альтернативность и неоднозначность путей, мир не является линейным, как в детерминизме.

Другой принципиальной особенностью нынешней науки является антропный принцип(греч. anthropos – человек). Классическое естествознание исходило из разделенности и противопоставленности объекта (окружающего мира) и субъекта (познающего человека). Считалось, что человек существует сам по себе, независимо от мира и познает его таким, какой он на самом деле, получая, следовательно, совершенно правильную, истинную картину вещей. Научное познание отражает природную реальность так же, как фотография точно воспроизводит запечатленные на ней объекты. Современная наука базируется на ином представлении: познающий человек смотрит на окружающий мир не извне – как сторонний наблюдатель, совершенно независимый от него, - а, наоборот, изнутри, будучи его неотъемлемой частью. В силу этого познаваемый мир не может быть чем-то исключительно внешним, самим по себе существующим, - объектом, который можно отразить, воспроизвести и описать таким, каким он является “на самом деле”. В результате человек видит мир как бы “через самого себя”, через призму особенностей собственной природы, т.е. получает не “объективную” картину мира”, а “субъективную”. Кавычки здесь употребляются не случайно: под субъективной картиной мира в данном случае подразумевается не то, что каждый из нас видит мир так, как ему хочется, и наука не может достичь ничего общепризнанного и общезначимого; а то, что антропная, или человеческая природа неизбежно накладывает на познание такое ограничение, в силу которого человек принципиально не может быть чисто объективным наблюдателем “самой по себе” существующей Вселенной, потому что сам он является одним из закономерных этапов ее длительной, грандиозной эволюции. Говоря иначе, в силу антропного принципа объект и субъект познания неотделимы друг от друга, что накладывает существенный отпечаток на рисуемую современной наукой картину мира и представляет собой одно из ее важных отличий от ньютоновского, или классического естествознания. Кроме того, антропный принцип также представляет собой идею, согласно которой все параметры, константы и свойства Вселенной с самого ее рождения были таковы, что в ней на каком-то этапе ее грандиозной эволюции должен был появиться разумный ее наблюдатель – человек; малейшее изменение хотя бы одного параметра «запустило» бы эволюцию Вселенной по другому пути, и человек в ней не появился бы.

2. Вещество и поле

Механистический взгляд на природу, которым характеризовалось классическое естествознание, оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, термодинамика, теория упругости и множество других дисциплин, где наука достигла больших успехов. Однако оставались две области, в которых механистической теорией мало что можно было описать и объяснить. Этими областями были свет и электричество.

Пытаясь объяснить свет с помощью своей механики Ньютон говорил, что он представляет собой поток маленьких частиц или, как часто говорят в науке, корпускул (лат. corpusculum - маленькая частица), которые несутся от источника света, взаимодействуют между собой по механическим законам и вызывают ощущение света, попадая в человеческий глаз. Однако такое объяснение не было вполне удовлетворительным: ведь мы знаем, что два луча света свободно проходят друг через друга, а если бы это были два потока частиц, как считал Ньютон, то они сталкивались бы, и как-то изменяли направление своего движения, отклонялись бы или ломались. Мы же не наблюдаем никаких возмущений при прохождении одного луча через другой, значит свет - это не поток корпускул, а что-то другое. Что?

На этот вопрос попытался ответить нидерландский ученый 17 в. Христиан Гюйгенс. Вполне возможно, говорит он, что свет - это не движение частиц. Представьте себе волны на поверхности воды. Нам кажется, что они движутся, но на самом деле никакого движения не происходит. Просто на неподвижной поверхности воды одна ее часть поднимается, а другая опускается, что и создает эффект волны и видимость ее движения. На самом же деле происходит не движение воды, а колебание (вверх-вниз) ее поверхности. Возможно, что тоже самое происходит и со светом, предположил Гюйгенс. Все пространство заполнено невидимым светоносным веществом - эфиром, который сам никуда не движется, но может колебаться, как и водная поверхность. Колебания этого эфира и вызывают свет, который, таким образом, представляет собой не движение частиц, а волны эфира. Ньютоновское представление о свете получило название корпускулярного, а теория Гюйгенса стала называться волновой.

Но и против волновой теории имелись возражения. Как известно, волны обтекают препятствия, а луч света, распространяясь по прямой линии, обтекать препятствия не может. Если на пути луча поместить непрозрачное тело с резкой границей, то его тень будет иметь резкую границу. Однако при более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаружилось, что на границах резких теней можно разглядеть участки освещенности, которые выглядят, как перемежающиеся светлые и темные полоски. Это явление было названо дифракцией света (лат. diffractus - разломанный, или рассеянный, разбросанный). Оно показало, что свет все же огибает препятствия, как и водяные волны, хотя мы этого не можем наблюдать невооруженным глазом. Открытие дифракции подтвердило идею Гюйгенса о том, что свет имеет не корпускулярную, а волновую природу. Однако авторитет Ньютона был настолько велик, что его корпускулярная теория все же стала господствующей даже несмотря на ее малые возможности что-либо объяснить относительно света. В науке, как и в любом другом виде духовной деятельности, все новое не сразу заменяет собой старое каким бы хорошим это новое ни было. Более того, если одни идеи высказал авторитетный (то есть - всем известный и всеми уважаемый) человек, а другие, которые намного лучше первых, высказал какой-нибудь неизвестный деятель, как правило, все доверяют более первому, чем второму.

Волновая теория света была выдвинута вновь в 19 веке английским ученым Томасом Юнгом. Он дал объяснение явлению, при котором свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Это явление было названо интерференцией света (лат. inter - между и ferens - переносящий). Оно заключается в том, что при наложении друг на друга двух волн таким образом, что гребень одной из них совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга. Вот почему при добавлении света к свету может возникать темнота. Интерференция подтвердила волновую теорию света.

Другой областью природы, где механистическое объяснение оказалось неэффективным, было электричество или - область электромагнитных явлений.

Задолго до появления классического естествознания люди заметили, что некоторые тела (например, кусочки янтаря), потертые о шерсть, временно способны притягивать к себе мелкие предметы, т. е. в течение некоторого срока обладают магнитными свойствами. Позже такие тела стали называть электрически заряженными, или наэлектризованными. Наверняка каждый в школьные годы, во время скучных уроков, развлекал себя любопытным экспериментом: когда к мелким кусочкам бумаги, лежащим на парте, подносится пластмассовая линейка, предварительно потертая об волосы (наэлектризованная), то происходит нечто удивительное - маленькие бумажки, как живые, подпрыгивают и налепляются на линейку.

Магнитную способность электрически заряженных тел невозможно объяснить механистически, ведь взаимодействие между наэлектризованным телом и мелкими предметами происходит через пустое (!) пространство, а механическое взаимодействие обязательно предполагает какой-то непосредственный контакт между объектами. Таким образом, вокруг физических тел, находящихся в электрическом состоянии существует особая среда, которую невозможно наблюдать зрительно или воспринимать с помощью осязания или других органов чувств, но которая фиксируется приборами и имеет определенные физические свойства. Причем эту среду никак нельзя назвать веществом. Она была названа полем или, правильнее, - электромагнитным полем. Английский ученый 19 века Майкл Фарадей предположил, что электричество и свет, одинаково не поддающиеся механистическому объяснению, возможно, имеют единую физическую природу: свет - это не что иное, как разновидность электромагнитного поля, а вернее, - его колебания. Или, говоря иначе, свет - это колебания (волны) не частиц вещества (корпускул), а особой невещественной (то есть - в которой нет никакого вещества) физической среды - поля

Это предположение было теоретически обосновано в 60-е гг. 19 в. английским ученым Джеймсом Максвеллом и экспериментально подтверждено в 80-е гг. 19 в. немецким ученым Генрихом Герцем. Раньше и в науке, и в философии считалось, что материя - это вещество в различных его состояниях, что материя - это тела и частицы. В 19 веке было установлено, что материя - это не только вещество, а вернее, - что она может существовать не только в виде вещества, но еще - и в виде поля. Вещество и поле, таким образом, - это две различные формы материи. К такому выводу подошло классическое естествознание в эпоху своего расцвета. Оно также установило основные различия между ними. 1. Вещество - обладает корпускулярной природой, а поле - волновой, то есть вещество состоит из частиц (или тел) и поэтому прерывно (в нем есть промежутки или пустоты), а поле не из каких частиц не состоит и поэтому непрерывно. 2. Вещество обладает массой, а поле невесомо. 3. Вещество мало проницаемо (можно, напеример, пройти сквозь пар, но труднее пройти сквозь воду и совсем невозможно - сквозь каменную стену), а поле, наоборот, проницаемо полностью (оно повсюду нас окружает, а мы даже не замечаем его существования). 4. Скорость распространения поля равна скорости света - это самая большая из всех известных и возможных скоростей (300000 километров в секунду), а скорость движения частиц вещества в сотни раз меньше.

В 19 веке считалось, что вещество и поле - это два противоположных или взаимоисключающих вида материи. Однако в результате крупных открытий в физике в конце позапрошлого и начале прошлого столетий обнаружилось, что физический мир един, и нет пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, - волновыми. Эту удивительную особенность материи назвали корпускулярно-волновым дуализмом. Термин дуализм происходит от латинского слова duo - два и обозначает одновременное наличие у чего-либо двух, как правило, противоположных и вроде бы несовместимых качеств. Для пояснения приведем пример: человек - это единое существо, но у него есть физическое тело или организм, как у любого животного, но также есть то, что мы часто называем душой (независимо от того, верим мы в существование бессмертной души или нет), то есть - психика, или разум, или мышление, или духовный мир. Физическое тело и мыслящий разум - это совершенно различные и даже противоположные объекты, однако человек невозможен без одновременного наличия того и другого. Следовательно, мы можем сказать, что он характеризуется дуальностью или - дуализмом тела и разума. Так и материя, по современным представлениям, характеризуется дуализмом корпускулярной и волновой природы. Однако в макромире волновые свойства, или проявления ничтожно малы, в силу чего их возможно не принимать в расчет, рассматривая макротела как объекты корпускулярной природы. Зато в микромире волновые свойства объектов становятся вполне сопоставимыми с их корпускулярными свойствами, т. е. корпускулярно-волновой дуализм, которым, в принципе, характеризуется материя, в полной мере проявляется только в микромире.

3. Первые модели атома

До конца 19 века в науке господствовало убеждение, что все физические тела состоят из очень маленьких частиц - молекул, невидимых глазу, но доступных наблюдению в мощный микроскоп. Однако сами молекулы состоят из еще более мелких частиц - атомов. Например, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атомы, считалось в науке прошлых столетий, - это последний предел делимости вещества. Они представляют собой простейшие, мельчайшие и неделимые частицы, которые лежат в основе любого физического тела. Кроме того, если они неделимы, значит также постоянны и неизменны. Само вещество может меняться или превращаться как угодно благодаря всевозможным атомным взаимодействиям. Сами же атомы пребывают всегда в одном и том же состоянии. Будучи неделимой вечной мировой основой, они не могут распадаться на части, рождаться, исчезать, переходить в другие формы и т.д. Слово «атом», которое переводится с греческого как неделимый, было впервые употреблено древним философом Демокритом. Его идеи об атомах как последнем пределе вещества с небольшими изменениями существовали более двух тысяч лет. Они легли в основу механицизма классического естествознания, были в нем развиты и продолжены. В конце 19 века эти представления доживали свои последние дни. Открытия в физике, сделанные на рубеже 19 и 20 столетий разрушили многовековые представления об атомах, произвели настоящую революцию в науке.

В самом конце 19 века английский физик Джон Томсон открыл существование в атоме отрицательно заряженных частиц, которые получили название электронов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение, что помимо электронов в нем существуют также положительно заряженные частицы. Опыты английского физика Эрнеста Резерфорда привели его к выводу о том, что в любом атоме существует ядро - положительно заряженная частица, размер которой (10^{-12 см или одна стомиллиардная часть миллиметра) очень мал по сравнению с размерами всего атома (10-8 см или одна десятимиллионная часть миллиметра). Ядро меньше атома в 10 000 раз, но в нем почти полностью сосредоточена вся атомная масса. Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут самопроизвольно превращаться в атомы других в результате ядерных излучений. Это явление, впервые открытое французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, получило название радиоактивности (лат. radiare - испускать лучи и activus - деятельный).}

Эти открытия убедительно показали, что атомы - это не простейшие, неделимые и неизменные частицы вещества, а сложные, делимые и способные к превращению микрообъекты, имеющие определенное устройство. Одним из первых попытался выяснить строение атома Томсон. С его точки зрения атом представляет собой положительно заряженную массу, в которую вкраплены электроны, подобно тому, как изюм вкраплен в булку. Причем положительный заряд атома равен сумме отрицательных зарядов всех электронов, в силу чего атом электрически нейтрален. Здесь необходимо сказать, что поскольку атом вследствие своих малых размеров (приблизительно одна десятимиллионная часть миллиметра) недоступен никакому непосредственному наблюдению (даже с помощью сложнейших приборов), то о его устройстве можно говорить только умозрительно. Умозрительная картина или модель атома, описывающая его структуру (строение), предложенная Томсоном, стала условно называться “булка с изюмом”.

Другую модель атома построил Резерфорд. Она получила название планетарной. Нам хорошо известно, что наша Солнечная система состоит из огромного центра - Солнца и вращающихся на разных расстояниях вокруг него девяти планет, одной из которых является наша Земля. Причем размеры и масса каждой планеты ничтожно малы по сравнению с размером и массой Солнца, то есть, почти все вещество Солнечной системы сосредоточено в нем. Между Солнцем и планетами действуют силы тяготения (взаимного притяжения), хорошо известные ньютоновской механике. Эти силы обеспечивают равномерное и стройное движение планет вокруг общего центра. Резерфорд предположил, что строение атома сходно с устройством Солнечной системы: в центре его находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным круговым орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы: положительный заряд атомного ядра уравновешивается суммой зарядов электронов, и поэтому атом электрически нейтрален. У Резерфорда получилось, что каждый атом - это целый сложно устроенный мир, только очень малых размеров. По этому поводу русский поэт Валерий Брюсов написал такие стихи:

Быть может эти электроны -

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом -

Вселенная, где сто планет;

Там все, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то - чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же

Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже

Там та же мировая спесь.

Модель атома Резерфорда наглядно описывала его строение. Однако впоследствии она столкнулась со множеством противоречий, и стало понятно, что она не совсем подходит для объяснения атомного устройства. Согласно одному из законов диалектики – перехода количественных изменений в качественные – при значительном изменении масштабов (увеличении или уменьшении) изучаемых нами объектов, принципы и законы, действующие в одних условиях, могут совершенно не действовать в других; правила одних областей реальности могут не соответствовать правилам других. Если атом - это столь малая величина, то почему бы не предположить, что для него существуют совершенно иные правила и законы, чем для нашего видимого макромира, что микромир строится абсолютно на других принципах, и все наши макропредставления бессильны что-либо описать или объяснить в микрообластях действительности.

Резерфордовская модель атома, просто и наглядно говорившая о его устройстве, была родом из макромира, ведь она сравнивала его с Солнечной системой, использовала понятия ядра, центра, движущихся частиц-электронов, орбит движения (а это все макропонятия или макропредставления). Видимо, об атоме надо было говорить как-то иначе, неким другим, специфическим языком, потому что в его лице мы имеем дело с совершенно иной реальностью.

Новую модель атома построил известный датский физик Нильс Бор. По его представлениям электрон - это не столько точка или твердый шарик, движущийся вокруг атомного ядра, сколько некий сгусток энергии, как бы размазанный вокруг ядра, но не равномерно, а с большей или меньшей плотностью на различных участках. Кроме того, надо говорить не об орбите движения электрона, а его стационарном (неизменном) состоянии, в котором он может находиться, не излучая энергии. Если же это положение меняется, то есть электрон как бы переходит из одного стационарного состояния в другое, то он излучает или поглощает порцию энергии. Как видим, модель, предложенная Бором, была более сложной и менее понятной, чем резерфордовская, но и она не смогла с успехом объяснить атомное строение, потому что во многом использовала макроязык и макропонятия. Выяснилось, что процессы, происходящие в атоме, в принципе невозможно представить в виде какой-либо механической модели по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Отказавшись полностью от понятного естественного языка и наглядных моделей при изучении микромира, наука все более стала пользоваться абстрактным языком математики. Атом физиков-теоретиков постепенно превращался в ненаблюдаемый набор уравнений.

Мы уже говорили о том, что к концу 19 века наука установила два различных вида существования материи - вещество и поле, которые во всем друг от друга отличаются и представляют собой противоположности (вещество обладает корпускулярными свойствами, а поле - волновыми). На рубеже позапрошлого и прошлого столетий выяснилось, что два эти вида материи не исключают друг друга. Как то ни удивительно, но одни и те же объекты могут характеризоваться и свойствами вещества, и свойствами поля одновременно, то есть иметь как корпускулярные, так и волновые качества. Известный немецкий физик Макс Планк, исследуя процессы теплового излучения, пришел к ошеломляющему выводу о том, что при излучении энергия отдается или поглощается не непрерывно и не в любых количествах, но небольшими и неделимыми порциями, которые он назвал квантами (лат. quantum - сколько). Квант - это порция энергии. Вдумаемся в это словосочетание. Его первая часть - слово «порция» - подразумевает нечто определенное, ограниченное, вещественное, имеющее некие размеры, то есть - частицу или корпускулу. Вторая часть - слово «энергия» - подразумевает нечто непрерывное, безразмерное, невещественное, то есть - поле. Стало быть, квант - это такой объект физической реальности, в котором совпадают или одновременно представлены и вещество, и поле, объект, отличающийся корпускулярно-волновым дуализмом.

Эйнштейн перенес идею о квантах на область света и создал новое учение о нем. Вспомним, что Ньютон считал свет потоком корпускул, Гюйгенс и Юнг рассматривали его как волны cветоносного эфира, а Фарадей и Максвел - как колебания электромагнитного поля. Эйнштейн совместил все эти представления и создал теорию, по которой свет имеет корпускулярно-волновую природу. Он распространяется квантами, то есть - энергетическими порциями, которые были названы фотонами (греч. photos - свет). С одной стороны, фотон - это именно порция энергии и поэтому является своего рода частицей или корпускулой, а с другой стороны, фотон - это порция именно энергии и поэтому является своего рода волной. Свет по Эйнштейну - это поток энергетических зерен, световых квантов или своеобразный фотонный дождь. Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэффекта, сущность которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием световых волн (каждый электрон вырывается одним фотоном). Все это убедительно подтвердило идею Эйнштейна, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте - корпускулярные. Фотонная теория Эйнштейна относится к наиболее экспериментально подтвержденным физическим теориям.

Идея о квантах была перенесена и на представления об атоме, в результате чего появилась специфическая дисциплина - квантовая механика - наука, описывающая процессы, происходящие в микромире. Одним из ее основных утверждений является мысль о том, что микрообъекты (электроны, например) обладают, подобно свету, и корпускулярными, и волновыми свойствами, и только при учете этой двойственности можно более или менее успешно получить общую картину микромира. Квантовая механика - сравнительно молодая научная дисциплина, ее «возраст» насчитывает приблизительно сотню лет. Появившись в прошлом столетии, она уже достигла значительных результатов, но дальнейшие ее успехи, по всей видимости, впереди. Современная наука ждет от нее ответов на многие сложные вопросы, связанные не только с микромиром, но также - касающиеся макро- и мегамиров, ведь три эти области существуют не изолированно друг от друга, а представляют собой единую физическую реальность.

 

4. Элементарные частицы

До конца 19 века считалось, что атомы представляют собой неделимые частицы вещества. После революционных открытий в физике, сделанных на рубеже прошлого и нынешнего столетий было установлено, что атомы делимы и имеют сложное строение. Они состоят из различных более мелких частиц, взаимодействующих друг с другом, благодаря чему возможны различные атомные изменения и превращения. Эти частицы были названы элементарными (лат. elementarius - первоначальный, простейший). Сначала они считались (вместо атомов) последним и неделимым пределом вещества, основой всех материальных объектов или физических тел. Однако, в скором времени стала понятной условность, или относительность термина «элементарный», потому что выяснилось, что элементарные частицы, во-первых, вовсе не неделимы и совсем не просты, а, наоборот, представляют собой сложные микрообъекты с определенной структурой (устройством или строением), то есть, оказалось, что они никак не элементарны; и, во-вторых, их нельзя называть частицами в полном смысле этого слова, потому что они характеризуются корпускулярно-волновым дуализмом. Тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать.

Дальнейшее проникновение науки в глубины микромира было связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой из них в конце 19 века был открыт электрон, а затем в первые десятилетия 20 века - фотон, протон, позитрон и нейтрон. К середине нынешнего столетия благодаря использованию современной экспериментальной техники было установлено существование более 300 видов элементарных частиц.

Основными их свойствами являются масса, заряд, среднее время жизни и участие в тех или иных типах взаимодействий. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы. Это фотоны. Другие частицы по массе делятся на лептоны (греч. leptos - легкий), мезоны (греч. mesos - средний) и барионы (греч. barys - тяжелый). Все известные частицы обладают положительным, отрицательным или нулевым электрическим зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Не так давно была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным электрическим зарядом (¹/₃ или ²/₃ от заряда электрона). Они были названы кварками. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла. По времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно они играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны. Они существуют около 10^-10 - 10^-24 сек., после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^-23 - 10^-22 сек. называются резонансами. Вследствие краткого времени существования они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Эти частицы вычислены теоретически, обнаружить их в реальных экспериментах пока не удается.

Важной характеристикой элементарных частиц является тип взаимодействия. По современным представлениям, в природе существуют четыре вида взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействиепроявляется только в микромире, происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии около 10^{-13 см. Сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего возникают атомные ядра - наиболее прочные объекты природы.}

Слабое взаимодействие, как и сильное,проявляется только в микромире. Оно действует на расстоянии от 10^-15 до 10^{-22 см и связано, главным образом, с распадом частиц. По современным представлениям большинство частиц нестабильно именно благодаря слабому взаимодействию.}

Электромагнитное взаимодействие, в отличие от сильного и слабого, проявляется и в микромире, и в макромире, и в мегамире, но играет решающую роль в структуре макромира. Это взаимодействиев тысячу раз слабее сильного, но действует на гораздо больших расстояниях, чем оно. В результате него электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы, молекулы - в макротела и т. д.

Гравитационное взаимодействие не проявляется в микромире. Оно проявляется в макромире и, особенно, в мегамире, играя первостепенную роль в структуре последнего. Это взаимодействие не учитывается в теории элементарных частиц. В космических масштабах оно, наоборот, имеет решающее значение, так как представляет собой не что иное, как всемирное тяготение (взаимное притяжение огромных космических объектов - планет и звезд). Расстояние, на котором оно действует, неограниченно.

Если физические тела состоят из молекул, молекулы - из атомов, а атомы - из элементарных частиц, то вроде логично было бы предположить, что элементарные частицы складываются, в свою очередь, из более мелких частиц. Однако такой вывод сделать невозможно, потому что на элементарном уровне существуют иные законы и все, к чему мы привыкли в макромире, там не действует. Например, мы прекрасно знаем, что если какое-нибудь тело распадается на части, то любая часть будет и по размерам, и по массе меньше исходного целого тела. А если распадется элементарная частица, то вполне может быть, что продукты ее распада окажутся по размерам и по массе больше исходной распавшейся частицы, что невероятно с точки зрения наших привычных представлений. Правильнее поэтому было бы говорить, что элементарные частицы не распадаются, а преобразуются или превращаются. Как то ни удивительно, но одна частица может превращаться в другую. Также почти каждая элементарная частица может быть как бы «составной частью» любой другой элементарной частицы. Если частицы способны к превращениям и другим сложным изменениям, значит они имеют какую-то внутреннюю структуру или устройство. Какое? На этот вопрос современная наука пока не в состоянии ответить. Единственное, что можно утверждать - это несомненное наличие у элементарных частиц этой структуры. Однако невозможно говорить, что она представляет собой еще более мелкие частицы. Здесь мы сталкиваемся с неведомым пока уровнем существования материи, который лежит глубже сферы элементарных частиц и представляет собой нечто совершенно для нас новое, непривычное, необыкновенное, сложновыразимое в существующих ныне научных понятиях и с трудом укладывающееся в современные научные представления и теории. Дальнейшее проникновение в глубинные тайны микромира, по всей видимости, будет делом науки 21 века.

Наиболее важными для описания и объяснения микромира являются два положения современного естествознания – это принцип дополнительности датского ученого Нильса Бора и принцип соотношения неопределенностей немецкого ученого Вернера Гейзенберга. Согласно принципу дополнительности корпускулярные и волновые свойства объектов микромира не исключают, а дополняют друг друга; микромир является такой специфической реальностью, что адекватное его описание возможно как раз посредством идеи о взаимодополняемости вроде бы несовместимых свойств – корпускулярных и волновых. Согласно принципу соотношения неопределенностей в микромире невозможно одинаково точно определить координату частицы и ее скорость, определенность одного из этих параметров обуславливает неопределенность другого. Известное уравнение Гейзенберга представляет собой произведение неопределенности координаты частицы и неопределенности ее скорости, которое равно постоянной величине (постоянной Планка). Таким образом, когда неопределенность одного из членов произведения стремится к нулю (т. е. он является определенным), тогда неопределенность другого стремится к бесконечности (т. е. он является совершенно неопределенным). Принципы дополнительности и соотношения неопределенностей, приемлемые для микромира, немыслимы для макромира: будучи примененными в нем, они приводят к нелепостям и абсурду. Например, согласно принципу дополнительности корпускулы (объекты) могут быть волнами (процессами) и наоборот. В макромире объект – это не процесс, а процесс – не объект, иначе придется предположить, что, например, маятник (объект) и колебания маятника (процесс) могут быть одним и тем же: маятник – это колебания маятника, а колебания маятника – это маятник. Получается абсурд. То же и с принципом соотношения неопределенностей. Например, зная, что пуля вылетела из ружейного ствола и движется со скоростью 800 м/с, мы спрашиваем, на каком расстоянии от ствола она сейчас находится, и отвечаем на этот вопрос примерно так: «Если нам известна скорость пули, то ее местонахождение (координата) совершенно неизвестно – она может быть сейчас на Луне, в Антарктиде, в другой галактике и т. п.». Или наоборот, зная, что пуля, вылетевшая из ружейного ствола, находится в метре от него, мы спрашиваем, с какой скоростью она сейчас движется, и отвечаем примерно так: «Если нам известно местоположение пули (координата), то именно поэтому нам совершенно неизвестна ее скорость – она сейчас может быть равна нулю или скорости света и т. п.».

Принципы дополнительности и соотношения неопределенностей, созданные для описания микромира и мысленно примененные к макромиру, вполне свидетельствуют о том, что эти две области реальности отличаются друг от друга не только количественно (по принципу – большего или меньшего размера), но и качественно, представляя собой действительно два разных мира со своими специфическими особенностями и свойствами. Здесь мы еще раз сталкиваемся с одним из важных законов философской диалектики – законом перехода количественных изменений в качественные.

 

5. Новый взгляд на пространство и время

Появление второй научной картины мира было связано, в первую очередь, со сменой геоцентризма гелиоцентризмом. Третья научная картина мира отказалась от какого-либо центризма вообще. По новым представлениям, Вселенная стала рассматриваться безграничной, а у безграничности, как известно, не может быть центра. А вернее, таким центром можно считать любую точку. Но это будет условный или относительный центр, и вся система отсчета, связанная с ним, тоже будет условной или относительной. То есть, она будет верной при одном выбранном центре (или - относительно него), но при другом (относительно другого) станет неверной. Таким образом, все системы отсчета и все, вытекающие из них утверждения, будут относительными, - правильными в одних координатах и неправильными в других. Относительный на латинском языке, как известно, - relativus, поэтому третья или эйнштейновская научная картина мира часто называется релятивистской.

В ее основу легла знаменитая теория относительности, созданная Эйнштейном в начале 20 века. Основу этой теории составило новое представление о пространстве и времени, которое перевернуло привычные представления и очевидные истины, существовавшие несколько столетий и считавшиеся безусловными в классическом естествознании, которое базировалось на ньютоновской механике.

По представлениям Ньютона, пространство и время являются вместилищами материи. Они существуют вечно, сами по себе, всегда неизменны и ни от чего не зависят. Так например, если бы материи не было, то пространство и время все равно были бы. То есть, им абсолютно безразлично, заполнены они материей или нет; они вполне могут существовать пустыми. Для иллюстрации можно сравнить их с сосудом, а материю - с жидкостью, которая наливается в него. Так вот сосуд остается всегда одним и тем же, несмотря ни на какие изменения, происходящие в жидкости, содержащейся в нем. Ее может быть мало, а может - много, ее может вовсе не быть; она может быть теплой или холодной, окрашенной или бесцветной и так далее. Все это никак не влияет на сосуд, который ее в себе содержит. Так же и ньютоновские пространство и время всегда остаются одними и теми же, несмотря ни на какие изменения, происходящие с материей, их заполняющей.

Объектом изучения классического или ньютоновского естествознания, считавшего пространство и время вместилищами материи, был макромир. Однако, как уже говорилось, по современным представлениям, помимо макромира есть еще две области природы. Одна из них - это микромир, а другая - мегамир.

Проникновение научной мысли в микромир и мегамир началось в первые годы 20 века, стало одним из главных признаков третьей научной революции и одной из основных черт новой, неклассической картины мира. Ньютоновское или классическое естествознание имело дело только с макромиром, который мы можем непосредственно наблюдать, и который, поэтому, является для нас наиболее изученным и понятным. Наши о нем представления во многом исходят из очевидных вещей и здравого смысла. Совсем наоборот обстоит дело с микро- и мегамирами, которые выходят за пределы нашего жизненного опыта и недоступны для наблюдения. Неудивительно поэтому, что законы, которые там действуют, вполне могут не совпадать с нашими обычными представлениями, привычными ожиданиями, очевидными вещами и здравым смыслом.

Если ньютоновская механика говорила, что пространство и время - это независимые и неизменные мировые объекты, никак не связанные с материей, которая их заполняет, то теория относительности Эйнштейна показала, что такое утверждение справедливо только для макромира, то есть - для земных условий, масштабов и скоростей. И действительно, с какой скоростью не передвигались бы по Земле и в ее атмосфере различные материальные объекты, и пространство и время для всех этих объектов одинаковы, никак не меняются, постоянно остаются одними и теми же. Однако, если рассмотреть скорости, которые в сотни раз превышают земные и являются для нас недоступными, то картина окажется совершенно иной. Самой большой из всех известных и возможных скоростей является скорость света. Она равна 300 000 км/сек. (Если бы мы могли передвигаться с такой скоростью, то всего за одну секунду “обежали” бы Землю по экватору приблизительно семь с половиной раз. Со скоростью света можно добраться до Луны немногим более, чем за секунду, а от Земли до Солнца, расстояние между которыми составляет около 150 млн. км, - примерно за восемь минут.) Любая земная скорость по сравнению со скоростью света равна нулю. Русский поэт Леонид Мартынов даже написал об этом такие стихи:

Это почти неподвижности мука,

Мчаться куда-то со скоростью звука,

Зная при этом, что есть уже где-то

Некто, летящий со скоростью света.

Эйнштейн показал в своей теории относительности, что при движении материальных объектов со скоростями, близкими к скорости света, и пространство, и время для этих объектов меняются: пространство искривляется, а время начинает течь медленнее, что совершенно невероятно для привычных нам земных условий и напрочь исключается законами ньютоновской механики. На самом деле ничего удивительного нет. Просто земные условия и скорости - это одна система отсчета, а космические масштабы и скорость света - совсем другая. Для одной системы отсчета пространство и время представляют собой одно, а для другой - совершенно другое. То есть относительно одних условий получается одна картина, а относительно других - совсем иная. Стало быть, никакой абсолютной, точной, безупречной, везде и всегда верной и единственной картины вещей и системы отсчета быть не может, так как все относительно. Понятно, почему эйнштейновское открытие получило название теории относительности.

Для пояснения выводов, следующих из нее приведем простой пример. Допустим с Земли стартовал космический корабль со скоростью, близкой к световой и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Однако, согласно теории относительности по часам корабля этот полет продолжался бы всего год (ведь при движении со скоростью света ход времени по сравнению с земным значительно замедляется). Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын будет приветствовать 26-летнего отца. Нельзя спрашивать, почему за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Ведь в разных системах отсчета (на Земле и в космическом корабле) время текло по-разному, и сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, тогда как в корабле прошел всего один год.

Теория относительности показала, что не существует неизменного и абсолютного как пространства, так и времени. Если и то, и другое меняется вслед за изменениями, происходящими с материей (например, изменениями скорости), значит пространство и время - это не независимые от материи ее вместилища, как представлялось Ньютону, а, наоборот, ее неотъемлемые свойства, или признаки, или качества. По новым представлениям без материи нет ни пространства, ни времени, так же, как без пространства и времени не может быть материи. Говоря проще, пространство, время и материя - это не разные объекты (наподобие сосуда и налитой в него жидкости), а, по крупному счету, одно и то же. Когда в апреле 1921 года корреспондент американской газеты «Нью-Йорк Таймс» спросил Эйнштейна, как бы он мог просто и кратко сформулировать главную идею своей теории, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы; согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».

Эйнштейновская теория вовсе не опровергла законы классической механики. Она показала, что они справедливы только для определенных условий или масштабов и не могут быть всеобщими, как считал Ньютон. Они способны описать и объяснить только некий фрагмент реальности, но далеко - не все существующее. Теория относительности, охватившая гораздо большую область действительности по сравнению с объектами классического естествознания, включила в себя ньютоновскую механику на правах частного случая, установила для нее ограниченную область применения.

 

6. Природа всемирного тяготения

Та теория относительности, о которой шла речь выше, была создана Эйнштейном в 1905 г. называется специальной теорией относительности(СТО). Намного позже, в 1915 г. Эйнштейн завершил работу над общей теорией относительности(ОТО). В чем заключается различие между этими двумя теориями? Отвечая на этот вопрос предельно кратко и в самом общем виде, можно сказать, что специальная теория относительности представляет собой новое (по сравнению с ньютоновским) объяснение пространства и времени, которое было рассмотрено в предыдущем пункте данной темы; а в общую теорию относительности помимо нового взгляда на пространство и время включается объяснение гравитации – природного явления, играющего огромную роль во многих процессах окружающего мира.

Что такое гравитация? Отвечая на данный вопрос, большинство людей, скорее всего, скажет, что это притяжение к Земле всех объектов, которые находятся на ней и вокруг нее на не слишком большом отдалении. Кто-то, возможно, даст более правильный ответ, сказав, что гравитация – это притяжение не только различных объектов к Земле, но и Земли – к Солнцу, Солнца – к центру Галактики и вообще – всех физических тел друг к другу, т.е., иначе говоря, гравитация – это всемирное тяготение, которое обусловливает грандиозное многообразие природных явлений: от падения яблока на землю до движения небесных тел.

Согласно закону всемирного тяготения, открытого Ньютоном, любые два тела взаимно притягивают друг друга с тем большей силой, чем больше масса этих тел и меньше расстояние между ними. Причем эта сила становится заметной только тогда, когда происходит взаимодействие тел с колоссальными массами (или, по крайней мере, когда одно из взаимодействующих тел обладает подобной массой). Вот почему мы видим как оторвавшееся от ветки яблоко притягивается Землей, но не видим, как притягиваются друг к другу незначительные по массе объекты: столы, арбузы, люди и т.п., хотя и в данном случае действует сила всемирного тяготения, будучи, однако, ничтожно малой и поэтому незаметной. Когда же происходит взаимодействие физических тел со слишком большими массами (планеты, звезды, галактики), то взаимное притяжение становится не только заметным, но и превращается в определяющий фактор их существования.

Например, Земля вращается вокруг Солнца именно по причине ее притяжения нашим светилом. Если бы сила этого притяжения исчезла, то Земля стала бы двигаться по прямой линии (по касательной к ее орбите) и покинула бы Солнечную систему. Таким образом, Солнце силой своего притяжения ежесекундно искривляет прямолинейный путь Земли, делая его замкнутым, эллиптическим. Для иллюстрации данного факта рассмотрим пример-аналогию. Представьте себе, что в центре деревянного стола вбит гвоздик, а неподалеку от него лежит железный или пластмассовый шарик. Если вы ударите по нему, он покатится по прямой линии, удаляясь от неподвижного гвоздика. Теперь положим шарик на прежнее место и соединим его с гвоздиком ниткой, веревкой, или цепочкой и снова ударим по нему. В этом случае шарик станет кататься вокруг гвоздика, хотя, в результате сообщенного ему ударом движения, он должен перемещаться прямолинейно. Понятно, что неподвижный гвоздик с помощью нитки, привязанной к шарику, в каждое мгновение искривляет его прямолинейный путь, в результате чего последний становится круговым. Так же и Солнце своим притяжением заставляет Землю двигаться не по прямой линии, а по замкнутой, хотя оно и удалено от нашей планеты приблизительно на 150 млн.километров. Как велика эта сила солнечного притяжения? Наглядный ответ на данный вопрос предлагает известный отечественный популяризатор науки Я. И. Перельман в своей книге “Занимательная физика”, отрывок из которой приводится ниже.

“Вообразите, что могущественное притяжение Солнца почему-либо в самом деле исчезло и Земле предстоит печальная участь навсегда удалиться в холодные и мрачные пустыни вселенной. Вы можете представить себе – здесь необходима фантазия, – что инженеры решили, так сказать, заменить невидимые цепи притяжения материальными связями, т.е. попросту задумали соединить Землю с Солнцем крепкими стальными канатами, которые должны удерживать земной шар на круговом пути в его беге вокруг Солнца. Что может быть крепче стали, способной выдержать натяжение в 100 кг на каждый квадратный миллиметр? Представьте себе мощную стальную колонну, поперечником в 5 м. Площадь ее сечения заключает круглым счетом 20 000 000 кв.мм.; следовательно такая колонна разрывается лишь от груза в 2 000 000 тонн. Вообразите далее, что колонна эта простирается от Земли до самого Солнца, соединяя оба светила. Знаете ли вы, сколько таких могучих колонн потребовалось бы для удержания Земли на ее орбите? Миллион миллионов! Чтобы нагляднее представить себе этот лес стальных колонн, густо усеивающих все материки и океаны, прибавлю, что при равномерном распределении их по всей обращенной к Солнцу половине земного шара промежутки между соседними колоннами были бы лишь немногим шире самих колонн. Вообразите силу, необходимую для разрыва этого огромного леса стальных колонн, и вы получите представление о могуществе невидимой силы взаимного притяжения Земли и Солнца”. (Перельман Я. И. Занимательная физика. Кн. 2. М.: Наука, 1976. С. 73 - 74).

Итак, всемирное тяготение играет огромную роль во многих природных процессах. В эпоху Ньютона наука вполне могла ответить на вопрос о том, в чем оно проявляется, где и как действует, какие явления окружающего мира с ним связаны. Однако классическое естествознание ничего не знало о природе всемирного тяготения, т.е. не задавалось вопросом, почему оно существует, чем обусловлено, каковы его причины. Мы хорошо знаем, что Земля притягивает к себе все объекты, находящиеся на ней, и нас, в том числе. Мы можем вычислить силу земного притяжения в каждом конкретном случае. Но знаем ли мы, почему Земля притягивает нас к себе, чем вызвана эта ее особенность? Магнит, например, тоже притягивает к себе кусочки железа. Скорее всего мы догадываемся о том, что земное тяготение, или гравитация имеет совсем не такую природу, как магнитное притяжение. Какова же природа гравитации? На этот вопрос и попытался ответить Эйнштейн в общей теории относительности.

На первый взгляд может показаться странным, что эйнштейновское объяснение гравитации является не столько физическим, сколько геометрическим. Поэтому прежде, чем рассмотреть его, вспомним, говоря об основных чертах третьей научной картины мира, мы отмечали, что по современным представлениям трехмерное пространство Вселенной является искривленным и замкнутым. Возникает вопрос: каковы причины искривления трехмерного пространства? Также вспомним, что в силу специальной теории относительности пространство не является независимым от материи, представляет собой не вместилище ее, а неотъемлемое свойство. Так может быть искривление пространства каким-то образом связано со спецификой материальных объектов? Приблизительно таким образом и рассуждал Эйнштейн. С точки зрения его теории трехмерное пространство искривляют огромные массы физических тел, которыми являются планеты, звезды и другие объекты мегамира. Эта кривизна трехмерного пространства (которую мы не можем непосредственно заметить) проявляется в гравитации, или всемирном тяготении. Говоря иначе, по Эйнштейну гравитация – это результат искривления пространства, которое происходит под действием колоссальных масс. Для обыденного сознания подобное утверждение выглядит несколько необычно. В первую очередь смущает трактовка гравитации как геометрического (искривление пространства), а не физического эффекта, в то время как все мы привыкли к тому, что всемирное тяготение – это как раз физическое явление.

Для пояснения приведем уже знакомый нам пример-аналогию с двухмерными существами, живущими в двухмерном пространстве, или плоскости. Наглядным изображением последней может служить плотный и ровный лист бумаги, который вы держите, приподняв за края, в горизонтальном положении. Представьте себе, что в центр этого листа-плоскости помещают увесистый металлический шарик. Что произойдет? Конечно же, лист прогнется под его тяжестью, и плоскость, в которой живут двухмерные существа, искривится и станет напоминать собой что-то вроде участка внутренней поверхности сферы. Однако, двухмерные жители, как мы помним, не смогут заметить это искривление своего двухмерного пространства: для них оно по-прежнему остается плоскостью. Тем не менее, из-за ее кривизны, они будут съезжать, или соскальзывать по ней вниз, к ее центру, туда, где находится металлический шарик. При этом им будет казаться, что он притягивает их к себе, или оказывает на них гравитационное воздействие. Причем, такое пр