2.4. Временные масштабы во Вселенной. Методы измерения времени

История человечества — от появления первобытного человека до наших дней — кажется (весьма и весьма условно) точкой на фоне мировой эволюции. Очевидно, что вопрос «когда?» связан с вопросом «где?». По Платону, мир совершенен и потому должен быть неизменным. Тогда бы вопрос о времени не имел смысла, так как не было бы начала отсчета. На современном уровне развития науки представляется, что счет времени Вселенной начат с события, произошедшего почти 15 млрд лет назад, после которого Вселенная расширяется. Время измеряют путем наблюдения за периодически повторяющимися процессами.
Сутки были первой естественной единицей меры времени, регулировавшей труд и отдых. Сначала сутки делили на ночь и день и только много позже — на 24 часа. Сейчас понятно, что периодическая смена дня и ночи происходит из-за вращения Земли вокруг своей оси. Есть два вида солнечного времени — истинное и среднее солнечное. Промежуток времени между двумя последовательными кульминациями центра Солнца на одном и том же меридиане, равный периоду вращения Земли, называют истинными солнечными сутками. Но измерять ими время тоже неудобно, они в июне короче на 51 с, чем в январе. Дело в том, что Земля движется по орбите вокруг Солнца неравномерно: вблизи перигелия (в январе) ее скорость наибольшая, а вблизи афелия (в июне) — наименьшая (второй закон Кеплера). Потому и истинные солнечные сутки непостоянны (рис. 2.4), и вместо них используют сутки, равные средней длине истинных солнечных суток за год. Кроме того, из-за движения Солнца по эклиптике происходит видимое годичное движение Солнца с запада на восток, т.е. в направлении против вращения. Ввели понятие среднего Солнца, звездных суток и звездного времени.
60

Звездные сутки определяются периодом вращения Земли вокруг своей оси относительно любой звезды. Но звезды тоже имеют собственные движения. Условились определять длительность звездных суток как промежуток времени между двумя последовательными кульминациями точки весеннего равноденствия, находящейся на одном и том же меридиане. Оказалось, что из-за прецессии средние звездные сутки уменьшаются на 0,0084 с, и они на 3 мин 56 с короче средних солнечных. Звездное время очень важно в астрономии, оно определяет положение светил, а в обыденной жизни используется солнечное время. И за среднюю единицу солнечных суток приняли 24 ч 3 мин 56,5554 с звездного времени. Измерение солнечного времени основано на видимом суточном движении Солнца.
Истинный полдень наступает на разных меридианах Земли в разное время, и для удобства принято соглашение (по идее канадского ученого С.Флешинга) о делении земного шара на часовые пояса, которые проходят через 15 градусов по долготе, начиная с меридиана Гринвича. Это — Лондонский меридиан нулевой долготы, и пояс назван нулевым (западноевропейским), время 1-го часового пояса (Рим, Берлин, Осло) — среднеевропейским, а 2-го — восточноевропейским. Всего часовых поясов — 24, внутри каждого пояса время принимается одинаковым — среднепоясным. Но территориальное деление не совпадает с делением на часовые пояса, и часто их проводят приблизительно по рекам или административным границам. Примерно на 180-градусном меридиане происходит по договору линия перемены дат, т. е. день начинается в Японии и на Камчатке, потом в Сибири, Китае и Австралии, затем в Европе и Африке, потом — в Америке и заканчивается на Аляске. При пересечении линии изменения дат на самолете в восточном направлении одно и то же число приписывается двум дням, а в западном — один день теряется. Кроме того, в ряде стран указами вводят часовой сдвиг — переход
61

на зимнее или летнее время. Согласованное решение о введении поясного времени приняли на Международной конференции в 1883 г. В нашей стране, простирающейся на 11 часовых поясов, поясное время ввели в 1919 г., взяв за основу международную систему часовых поясов и существовавшие тогда административные границы. Затем были некоторые изменения.
Секунда — общепринятая единица времени, примерно с периодом 1 с бьется пульс человека. Исторически эта единица связана с делением суток на 24 ч, 1 ч — на 60 мин, 1 мин — на 60 с. До 1964 г. международная единица времени была основана на суточном вращении Земли. Но продолжительность суток оказалась подверженной разным вариациям и зависящей от положения Земли на орбите при ее движении вокруг Солнца. Изменения скорости вращения на протяжении года составляют около 10-8 с. Поэтому за стандарт были выбраны средние солнечные сутки 1900 г. Но солнечные сутки примерно на 4 мин длиннее звездных, т. е. времени поворота на 360°. К 1971 г. в результате накопления отклонений разница достигла полминуты, поэтому в единицу измерения времени должны быть внесены соответствующие поправки.
Потребность в часах с более высокой точностью хода была вызвана развитием экспериментального естествознания. В XVII в. астрономы продолжали пользоваться водяными и песочными часами: Ньютон занимался усовершенствованием водяных часов; Тихо Браге пользовался песочными или ртутными часами, поскольку механические часы не давали нужной точности; Галилей проводил свои опыты с падением тел при помощи водяных часов. Галилей и Гюйгенс считаются изобретателями маятниковых часов. Это изобретение не только открыло новую эпоху в хронометрии, но и имело далеко идущие последствия для развития науки. Галилей обнаружил изохронность колебаний маятника, и поиск колебательных динамических систем привел к более точным стандартам в измерении времени. В честь изобретения маятниковых часов XVIII в. часто называют «веком часов».
Если маятниковые часы могли обеспечить точность хода 0,1 с, то к началу XX в. применение свободного анкерного хода повысило точность маятниковых часов на порядок. Использование средств электротехники и двух маятников позволило повысить точность астрономических часов в 1921 г. до 0,001 с. Применение особо прочных сплавов для изготовления пружин позволило повысить точность и бытовых часов. Наибольший прогресс в повышении точности хода (на 2—3 порядка) был достигнут при использовании электронной схемы в сочетании с новыми осцилляторами — кварц, камертон, атом, молекула. Изобретение и усовершенствование кварцевых часов в 20 —30-е гг. связано с развитием пьезотехники, что позволило довести точность измерения секунды до (3 — 4) 10-11 и дало возможность уловить малые колебания вращения Земли вокруг оси.
Но есть и другие устойчивые источники колебаний, способные длительное время поддерживать определенную частоту колебаний. Развитие радиочастотной спектроскопии и электроники дало
62

возможность создать атомные часы и перейти к измерению с помощью атомных стандартов, основанных на колебаниях определенного типа в атоме цезия, что позволило замечать отклонение от равномерности хода с погрешностью до 10-10. Атомная секунда — интервал времени, в течение которого совершается почти 10 млрд колебаний атома Cs. Это число согласуется с наилучшими астрономическими определениями секунды. В 1967 г. в качестве эталона был выбран изотоп 133Cs. В настоящее время эталоном времени является водородный мазер, изготовленный в Швейцарии, с шириной спектра 1 Гц, стабильность которого доведена до 10-12. С 1 января 1971 г. все страны мира перешли на отсчет микровремени с помощью атомных часов. Существуют уже и более стабильные стандарты времени (и частоты) — система «оптические часы», созданная из цепочки сверхстабильных лазеров в Новосибирске, обеспечивает стабильность на два порядка лучшую. Это даст погрешность хода 1 с в 1 млн лет! Развитие полупроводниковых радиоэлектронных приборов открыло перспективы в создании электронных и электронно-механических наручных часов с высокой точностью хода.
Календарем называют систему отсчета длительных промежутков времени, в которой установлен определенный порядок счета дней в году и указано начало отсчета. Основной предпосылкой появления календаря в древности было развитие связи трудовых процессов с ритмикой природы — сменой дня и ночи, фаз Луны, времен года и т.п., отсюда и необходимости измерять время. Еще древние заметили неукоснительную периодичность передвижения по небосводу Солнца, Луны и звезд. И эти первые наблюдения предшествовали зарождению одной из самых древних наук — астрономии. Астрономия и положила в основу измерения времени три фактора, характеризующих движения небесных тел: вращение Земли вокруг своей оси, обращение Луны вокруг Земли и движение Земли вокруг Солнца. Трудности календаря связаны с тем, что не удается найти простое соотношение между временем оборота Земли вокруг оси и вокруг Солнца. То же относится и к счету дней в лунном месяце. В западных странах наибольшее распространение получили солнечные и лунные календари. В восточных странах в календарные циклы включены астрономические явления, связанные с движением Юпитера и Сатурна. Поэтому при составлении календарей в странах Восточной Азии выделен период в 12 лет — период обращения Юпитера вокруг Солнца, при этом год в таких календарях может содержать разное число суток — 353, 354, 355, 383, 385. Выделен также 19-летний лунно-солнечный и 30-летний сатурновый циклы, входящие в 60-летний циклический календарь. Существуют календари, построенные и на движении других планет. С календарем — системой упорядоченного счета времени — связана история человеческой культуры.
63

Известно много календарных сооружений и устройств, оставшихся от древних цивилизаций. Среди них Перуанский календарь, открытый в 1939 г. с борта самолета, — огромные четкие рисунки протяженностью в десятки километров. Радиоуглеродный анализ определил возраст находки — 525 лет. Древнейший каменный календарь — английский Стоунхендж — относится к началу бронзового периода (III — II тыс. лет до н. э.). Это огромные каменные монолиты высотой более 5 м, стоящие в строгом порядке, причем центральный камень ориентирован точно на положение восхода Солнца в день летнего солнцестояния, а четыре опорных камня — на точки равноденствий. Интересны передвижные календари: персидский, вавилонский, греческий.
Внешняя проблема календаря связана с необходимостью согласования длины года с длиной суток. Были разработаны разные варианты поправок, но существенную реформу календаря провел Юлий Цезарь, изучивший во время пребывания в Египте солнечный календарь. Годовой путь Солнца в Древнем Вавилоне делили на 12 частей по 30° с созвездиями (пояс Зодиака). В этом делении — влияние вавилонской системы счисления, от которой осталось деление окружности на 360°, градуса — на 60 мин, минуты — на 60 с. Во II в. до н. э. александрийский астроном Гиппарх ввел понятие о начале весны, лета, осени и зимы как о моментах вступления Солнца в соответствующий знак Зодиака Овна, Рака, Весов и Козерога. Но из-за прецессии (медленной — по 50 угловых секунд в год) точка весеннего равноденствия вскоре перешла в созвездие Рыб, а в течение ближайших 150 лет переместится в зону следующего созвездия — Водолея. Кроме того, сейчас годовой путь Солнца по эклиптике проходит уже через 13 созвездий, но для сохранения традиции деления на 12 равных зон часто созвездие Змееносца объединяют с созвездием Скорпиона.
В Италии 3000 лет назад был распространен сельскохозяйственный календарь, в котором год длился 295 суток (период активной жизнедеятельности растительного мира на широтах Италии 300 дней) и начинался с весеннего месяца, в котором день становился равным ночи (сейчас это 21 марта). Год делили на 10 лунных месяцев, отличаемых по номерам. Несовершенство этого солнечно-лунного календаря накапливало ошибки, и в начале VII в. до н. э. была проведена реформа — добавили еще 2 месяца, т.е. продолжительность года стала не 295, а 354 суток. Кроме того, были введены названия некоторых месяцев. Так, первый месяц назвали мартом в честь Марса — бога войны, культ которого также был связан с земледелием, второй — апрелисом, что в переводе означает «согретый солнцем» и «раскрывать», «расцветать» (время раскрытия почек и цветения первых цветов). В календарях и традициях многих народов отражены особенности римского календаря, связанные с месяцами и толкованием их названий. В апреле в Японии красочно отмечают день цветения сакуры, древнерусское название этого месяца — цветень. Месяц майнус (май) был назван в честь богини гор и плодородия Майи, в Древней Руси он — травень. Четвертый месяц — юниус (июнь) — получил свое название в честь древне-
64

римской богини плодородия Юноны, жены Юпитера. Как и в римском календаре, он связан с богом света — Юпитером, в древнерусском календаре — это светозар, т.е. озаренный светом. Многие названия месяцев древнеримского календаря (сентябрь — декабрь) вошли в европейские календари. Существует во всех странах деление года не только на месяцы и сутки, но и на недели.
Внутренняя структура календаря связана с соотношением месяцев и дней недели с числами месяцев. Семидневная неделя — период, примерно соответствующий 1/4 лунного месяца, или длительности между четырьмя фазами Луны. Лунный месяц (синодический) в среднем равен 29,53 средних суток. Древним людям были известны 7 планет, к которым относили Солнце, Луну, Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер, Сатурн, и каждой из них посвящали один день недели. Это связано с традициями шумерской астрологии и отражено в культе числа «семь». Поэтому система условных астрономических знаков, изображающих небесные светила и дни недели, одинакова. Недельный подсчет времени зародился в странах Восточной Азии — Китае, Японии, Вьетнаме. В этих странах после дней Солнца и Луны (воскресенья и понедельника) в соответствии с древнекитайской натурфилософией, по которой все сущее связывалось с пятью стихиями или элементами природы (огнем, водой, деревом, металлом, землей), следуют дни этих стихий. Известны также недели, состоящие из 5 (пятидневки) и 10 (декады) суток.
Относительно совершенная система счета времени уже была в Египте 5 тысяч лет назад: год имел 12 месяцев по 30 дней каждый и дополнительных 5 дней, т. е. 365 дней. Такой счет времени как-то устранял недостатки солнечно-лунного римского календаря. Но продолжительность года — промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия — равна 365 сут 5 ч 46 с, и начало года смещалось ко все более ранней дате. Юлий Цезарь пригласил в Рим александрийского астронома и математика Созигена, и с его помощью ввел правило високосов, добавляющее 1 сутки за 4 года. Введенный Цезарем в 46 г. до н. э. юлианский календарь (старый стиль) получил распространение в странах Европы. В нем начало года было определено с 1 января, а год насчитывал 365,25 суток, что несколько превысило их продолжительность. В результате разница (11 мин 23,9 с) накапливалась и составляла ошибку в 1 сутки за 128 лет. Никейский церковный собор 325 г. принял юлианский календарь и установил единые для всей империи христианские праздничные дни. Задача реформы календаря состояла в исправлении накопившейся ошибки в равноденствиях, но менять правила Никейского собора долго не решались. В 1514 г. календарная коллегия запрашивала мнение польского астронома Н.Коперника, но он ответил, что пока длина года известна недоста-
65

точно точно. Но в 1581 г. ватиканский астроном Игнатий Данти убедил Римского папу Григория XIII воспользоваться проектом итальянского врача, астронома и математика Алоизия Лилио. Так был введен григорианский календарь (новый стиль) с 15 октября 1582 г., т.е. после 4 октября наступило 15-е, а не 5-е. Уточнение юлианского календаря касалось только улучшения его внешней структуры — приближения к значению 365,2422 сут — вводилось 97 високосных лет в каждые 400 лет, т. е. число високосов было уменьшено на 3. Годы столетий, число сотен которых не делится на 4, считаются простыми (1700, 1800, 1900), а годы, у которых число сотен делится на 4, — високосными (1600, 2000 и т.д.). Ошибка в 1 сут в этом календаре накапливается лишь за 3323 года. Подобную систему счета времен (с правилом високосов) предлагал еще в XI в. иранский ученый и поэт Омар Хайям. Григорианский календарь в течение XVI в. постепенно принимался сначала в странах католических, в XVIII в. — в странах протестантских; в 1873 г. — в Японии, в 1911 — в Китае, в 1918 — в Советской России, в 1924 — в Греции и Югославии, в 1925 — в Иране, в 1926 — в Турции, в 1928 — в Египте. В зависимости от времени введения приходилось добавлять к дате 10, 11, 12 или 13 суток.
Но проблема улучшения календаря все-таки остается. Она связана с несоизмеримостью трех основных промежутков времени, заимствованных у природы: средних солнечных суток, лунного месяца и солнечного (тропического) года. Недостатки современного григорианского календаря заключаются именно в несовершенстве его внутренней структуры: дни недели не согласованы с числами месяцев в разных годах и даже в одном; полугодия, кварталы и месяцы содержат разное число суток, и начала разных месяцев приходятся на разные дни недели. Отсюда неудобства планирования и учета.
Эрой (от лат. аеrа — исходное число) называется начальная дата системы летосчисления и последующая система. У многих народов эры связывали с временем царствования какой-либо династии: династии фараонов (3100 — 3066 гг. до н. э. в Египте), династии императоров (в Китае или Японии). Эра греческих олимпиад была рассчитана с 1 января 776 г. до н.э., причем было принято два цикла: по 235 (19 лет) и по 940 (около 76 лет) лунных месяцев. В Италии эра основания города Рима начинается с 22.04.753 г. до н. э. Народы Востока, исповедующие ислам, начинают отсчет от хиджры (в пер. — переселение), момента переселения мифического Мухаммеда (Магомета) из Мекки в Медину, которое произошло 16 июня 622 г. н.э., в пятницу, если считать по первому вечернему восходу серпа молодой Луны после новолуния. Современное летосчисление в Европе и Америке ведется от мифической даты «рождества Христова», которое произошло в 753 г. после основания Рима (как считал христианский монах Ексигуус в 525 г.).
66

В большинстве стран она известна под названием А.Д. (Anno Domini), что значит «год господа». В допетровской России годы считались от сотворения мира (как в Византии — с началом 01.09.5508 г. до н. э.), а в 1700 г. перешли на начало года с 1 января и на счет от рождества Христова (Р.Х., или новая эра). Проблема реформы календаря обсуждается уже столетие, предлагаются разные варианты, но сделать выбор весьма сложно, так как необходимо согласие народов разных культур.
Так, 2000 г. — это 2754 г. от основания Рима, мусульманский 1378 г. хиджры, иудейский — 5760 г., буддистский — 2544 г., китайский — 4697 г. Новый год во многих календарях приходится на разные даты. В лунно-солнечно-юпитерном календаре Вьетнама, Китая и Японии он наступает от 13 января до 24 февраля, в Израиле — между 6 сентября и 5 октября, в Иране — в день весеннего равноденствия (20 — 22 марта). В лунных календарях мусульманских стран новогодняя дата может приходиться на любой день года. К примеру, в Афганистане и Иране 21.03.1980 отмечалось наступление 1359 г. В Японии фиксация дат такова: порядковый номер дня и номер лунного месяца, затем порядковый номер эры (года правления императора) и порядковый номер года девиза. Есть правила и таблицы перевода дат на григорианский календарь, уже принятый во многих странах.
Возраст Вселенной оценивается в 13 — 15 млрд лет (после начала расширения, согласно принятой модели Большого Взрыва). Как можно измерить такие огромные времена, не сопоставимые с жизнью не только человечества, но и всего живого на Земле?
Метод радиоактивного распада основан на независимости периода полураспада радиоактивных элементов от внешних условий. Известно, что все живое получает двуокись углерода из воздуха. Некоторая часть углерода радиоактивна, и любой образец вещества, изготовленный из живого, содержит эту же долю радиоактивного углерода. Измеряя скорость отсчетов для какого-то образца, можно вычислить, сколько лет прошло с того времени, когда данный кусок доски был живым деревом. В детекторе «свежее» вещество даст 16 отсч./мин на каждый грамм углерода, а за 5600 лет оно даст только 8 отсч./мин на 1 г и т. д. Многие археологические находки «датированы» определенным количеством оставшегося в их веществе радиоактивного углерода. По его количеству можно определить возраст до 25 000 лет.
По периоду полураспада элементов можно заглянуть в прошлое: за это время половина вещества превращается в другой элемент, за следующий период полураспада — еще половина и т.д. (рис. 2.5). Так как нет радиоактивных элементов с периодом полураспада в 106—108 лет, то возраст Солнечной системы — около 108 лет. Из соотношения других изотопов 235U и 238U возраст Солнечной системы был уточнен и составил 5 109 лет. Оценка возраста Вселенной, связанная с моделями эволюции, позволяет заключить, что
67

Солнечная система была образована в результате взрыва звезды, по меньшей мере, второго поколения. Пыль после взрыва скучивалась в вихри, группировалась под действием гравитации. Нашему Солнцу подобный взрыв уже не грозит — согласно моделям развития звезд такого типа примерно через 5 млрд лет оно расширится, потом сожмется и превратится в остывающего карлика. Существующая ныне Вселенная образовалась примерно 15 млрд лет назад и с тех пор расширяется.
Приведем некоторые временные интервалы: сутки — 8,64 • 104 с; год — 3 • 107 с; средняя продолжительность жизни человека — 2 • 109 с; средний возраст египетских пирамид — 1 • 1012 с; существование жизни на Земле — 7,5 • 1016 с; время появления: первобытного человека — 5 • 1013 с; млекопитающих — 5 1015 с; земноводных — 7,5-1015 с; возраст Земли — 1,5-1017 с; возраст Вселенной — 5 • 1017 с.
Обратимся к временным интервалам, меньшим 1 с. Период колебаний звуковой волны достигает 0,001 с, радиоволны — 10-6 с. Меньшие промежутки времени связаны с расстояниями в микромире, и их можно измерять через скорость света. За 10-9 с свет проходит расстояние 30 см, соответственно, можно рассчитать, что расстояние, равное размеру атома, свет проходит за 10-18 с, атомного ядра — за 10-24 с. Колебания молекул совершаются за 10-12 с, атома — 10-15 с, ядра — 10-21 с.

2.5. Структурные уровни организации материи

Современное научное знание основано на структурности материи и системном подходе. Система — это определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или условиям. В понятие системы входит совокупность элементов и связей между ними. Под элементом системы понимается компонент системы, который далее, внутри данной
68

системы, рассматривается как неделимый, под структурной организацией материи — ее иерархическое строение — любой объект от микрочастиц до организмов, планет и галактик является частью более сложного образования и сам может считаться таковым, т. е. состоящим из неких составных частей. Доступная для наблюдения часть мира простирается в пространстве от 10-17 до 1026 м, а во времени — до 2 • 1010 лет.
Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из атомов, соединенных химическими связями. Молекула инертных газов — это просто атомы, а у других газов она состоит из двух или более атомов. Молекулы, состоящие из многих повторяющихся групп атомов, называют макромолекулами. Но свойства веществ определяются не только составом молекул, но и их структурой. В молекуле выделили структурные блоки, каждый из которых обладает своей уникальной реакционной способностью. Теория химического строения молекул была создана А.М.Бутлеровым, а позже подтверждена кван-тово-механическими расчетами. Под молекулярной структурой понимается сочетание атомов, которые имеют закономерное расположение в пространстве и связаны между собой химической связью с помощью валентных электронов.
Атом — составная часть молекулы. Существование структуры атома было доказано открытием в 1897 г. Дж.Дж.Томсоном электрона, называемого атомом электричества. Заряд электрона Томсон определил уже в 1898 г., а через 5 лет предложил модель строения атома. В 1903 г. Э. Резерфорд нашел посредством опытов с отклонением а-лучей, что отношение заряда к массе по знаку и величине соответствует дважды ионизированным атомам гелия. Опыты показали, что в атомах существуют положительно заряженные частицы — ядра, в которых сосредоточена почти вся масса атома и которые имеют размеры 10-14 м, тогда как размеры самого атома порядка 10-10 м. Была предложена «планетарная» модель атома. Исследования многих ученых позволили сделать вывод, что место элемента в Периодической системе, его атомный номер определяются числом элементарных зарядов ядра атома. Периодичность же свойств элементов объяснила только квантовая механика.
Вслед за электроном были открыты элементарные частицы: протон, нейтрон и другие (сейчас их известно более трехсот) и соответствующие им античастицы. Для упорядочения их группируют по времени жизни, участию в разных типах фундаментальных взаимодействий и другим признакам.
Кварковая модель строения элементарных частиц существует с 1964 г. (Г.Цвейг, М.Гелл-Ман). Сначала кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы с дробным электрическим зарядом, но они заняли в квантовой хромодинамике роль
69

основных частиц. Открытие возможности превращений одних элементарных частиц в другие показывает, что они тоже имеют сложную внутреннюю структуру. Ее описывают с помощью так называемых «виртуальных» частиц, так как эту внутреннюю структуру невозможно описать через другие частицы.
Микромир — мир очень малых микрообъектов, размеры которых от 10-10 до 10-18 м, а время жизни может быть до 10-24 с. Испускание и поглощение света происходит порциями, квантами, получившими название фотонов. Это мир — от атомов до элементарных частиц. При этом для микромира свойственен корпускулярно-волновой дуализм, т.е. любой микрообъект обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Описание микромира опирается на принцип дополнительности Н. Бора и соотношения неопределенности Гейзенберга. Мир элементарных частиц, которые долго считали элементарными «кирпичиками», подчиняется законам квантовой механики, квантовой электродинамики, квантовой хромоди-намики. Квантовое поле носит дискретный характер.
Макромир — это мир объектов, соизмеримых с человеческим опытом. Размеры макрообъектов измеряются от долей миллиметра до сотен километров, а времена — от секунд до лет. Поведение же макроскопических тел, состоящих из микрочастиц, описывается классической механикой и электродинамикой. Материя может пребывать как в виде вещества, так и в виде поля, причем вещество дискретно, а поле — непрерывно. Скорости распространения поля равны скорости света, максимальной из возможных скоростей, а скорости движения частиц вещества всегда меньше скорости света.
Мегамир — мир объектов космического масштаба: планеты, звезды, галактики, Метагалактика. Кроме них во Вселенной присутствуют материя в виде излучения и диффузная материя. Последняя может занимать огромные пространства в виде гигантских облаков газа и пыли — газо-пылевых туманностей. В звездах сосредоточено 97 % вещества нашей Галактики — Млечный Путь. В других галактиках распределение материи примерно такое же. В Галактике почти все звезды являются двойными, а всего их более 120 млрд. Диаметр Галактики порядка 100 тыс. св. лет; наше Солнце — рядовая звезда типа «желтый карлик», находится на краю утолщенного диска, в 5 пк от края. Но имеются звездные системы, состоящие из 3 — 5 звезд, часто окруженные диффузной материей. Звездные скопления могут состоять из нескольких сотен отдельных звезд, а шаровые скопления — из сотен тысяч. Галактики (их до 10 млрд), наблюдаемые с Земли как туманные пятнышки, имеют разную форму: спиральную, неправильную, эллиптическую. Они образуют скопления из нескольких тысяч отдельных систем. Систему галактик называют Метагалактикой. Мегамир описывается законами классической механики с поправками, которые были внесены теорией относительности.
70

2.6. Понятие «поле». Уравнения Максвелла. Свет — электромагнитная волна

Поле — одна из форм существования материи и, пожалуй, самая важная. Понятие «поле» отражает тот факт, что электрические и магнитные силы действуют с конечной скоростью на расстоянии, взаимно и непрерывно порождая друг друга. Поле излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. Фарадей сформулировал идеи поля как новой формы материи, а записи вложил в запечатанный конверт, завещав вскрыть его после своей смерти (этот конверт был обнаружен только в 1938 г.). Фарадей использовал (1840) идею всеобщего сохранения и превращения энергии, хотя сам закон еще не был открыт.
В лекциях (1845) Фарадей говорил не только об эквивалентных превращениях энергии из одной формы в другую, но и о том, что он давно пытался «открыть прямую связь между светом и электричеством» и что «удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию». Ему принадлежит методика изучения пространства вокруг заряженного тела с помощью пробных тел, введение для изображения поля силовых линий. Он описал свои опыты по вращению плоскости поляризации света магнитным полем. Изучение взаимосвязи электрических и магнитных свойств веществ привело Фарадея не только к открытию пара- и диамагнетизма, но и к установлению фундаментальной идеи — идеи поля. Он писал (1852): «Среда или пространство, его окружающие, играют столь же существенную роль, как и сам магнит, будучи частью настоящей и полной магнитной системы».
Фарадей показал, что электродвижущая сила индукции Е возникает при изменении магнитного потока Ф (размыкании, замыкании, изменении тока в проводниках, приближении или удалении магнита и пр.). Максвелл выразил этот факт равенством: Е = -дФ/дt. По Фарадею, способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей. Максвелл записывает это в векторной форме (рис. 2.6, a): rot E = = -дB/дt, т. е. переменное магнитное поле окружено вихревым электрическим полем, а знак минус связан с правилом Ленца: возникает индукционный ток такого направления, чтобы препятствовать изменению, порождающему его. Обозначение rot — от англ. rotor— вихрь. В 1846 г. Ф. Нейман нашел, что на создание индукционного тока надо затратить определенное количество энергии.
Максвелл математически обработал идеи Фарадея, связав в своих уравнениях все экспериментальные законы, полученные в области электрических и магнитных явлений. Закон Ампера имеет дело с магнитным полем вдоль замкнутого контура с током (рис. 2.6, б). Аналог закона Кулона в электростатике — закон Био— Савара выглядел в векторной форме так: rot H = j. Суммируя токи
71

и поля для показа того, что магнитное поле создается не только током проводимости j, но и током смещения, Максвелл вводит дополнительный член дD/дt, где D — вектор электрической индукции. Так, по аналогии с фарадеевой поляризацией диэлектрика он ввел в свои уравнения поляризацию пространства, или вакуума. Введение поляризации вакуума вызвало неоднозначную реакцию со стороны ученых, до сих пор обсуждение этого вопроса не сходит со страниц научных журналов, вызывая дискуссии. Но Максвелла это не очень волновало, так как он представлял вакуум диэлектрической средой, а не сплошной пустотой.
Он писал: «Мы не в состоянии понимать распространение во времени иначе, как только двумя способами — или как полет материальной субстанции через пространство, или как распространение состояния движения или напряжения в среде, уже существующей в пространстве... Все теории приводят к концепции среды, в которой имеет место распространение. И если мы примем эту среду в качестве гипотезы, то я считаю, что она должна занимать выдающееся место в наших исследованиях и что нам следует попытаться сконструировать рациональное представление о всех деталях ее действия». В конце жизни Максвелл написал для
72

Британской энциклопедии статью «Эфир», где были такие строки: «Несомненно, что межпланетное и межзвездное пространства не суть пространства пустые, но заняты материальной субстанцией или телом, самым обширным и, надо думать, самым однородным, какое только нам известно» (1879).
Кроме уже сформулированных двух уравнений, отражающих закон индукции и закон Био—Савара, Максвелл записал в векторной форме законы о замкнутости магнитных силовых линий div B = 0 и о структуре электрического поля div D = р (р — плотность электрического заряда), а также группу уравнений для векторов электромагнитного поля, связанных с характеристиками среды: и тока проводимости где
 — сторонняя электродвижущая сила; - электрическая и
магнитная проницаемости среды.
В целом система уравнений, записанная Максвеллом в векторной форме, имеет компактный вид:

Входящие в эти уравнения векторы электрической и магнитной индукции (D и В) и векторы напряженности электрического и магнитного полей (Е и Н) связаны указанными простыми соотношениями с диэлектрической постоянной е и магнитной проницаемостью среды μ. Использование этой операции означает, что вектор напряженности магнитного поля вращается вокруг вектора тока плотности j.
Согласно уравнению (1), любой ток вызывает возникновение магнитного поля в окружающем пространстве, постоянный ток — постоянное магнитное поле. Такое поле не может вызвать в «следующих» областях электрическое поле, так как, по уравнению (2), только изменяющееся магнитное поле порождает ток. Вокруг переменного тока создается и переменное магнитное поле, способное создать в «следующем» элементе пространства электрическое поле волны, волны незатухающей, — энергия магнитного поля в пустоте полностью переходит в энергию электрического, и наоборот. Поскольку свет распространяется в виде поперечных волн, можно сделать два вывода: свет — электромагнитное возмущение; электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде поперечных волн со скоростью с = 3 • 108 м/с, зависящей от свойств среды, и поэтому невозможно «мгновенное дальнодействие». Это предчувствовал Ломоносов, доказали Фарадей и Максвелл. Итак, в световых волнах колебания совершают напряженности электри-
73

ческого и магнитного полей, а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии напряжения. А оно за счет тока смещения создаст новое магнитное поле и так до бесконечности (рис. 2.6, в).
Смысл уравнений (3) и (4) понятен — (3) описывает электростатическую теорему Гаусса и обобщает закон Кулона, (4) отражает факт отсутствия магнитных зарядов. Дивергенция (от лат. divergere— обнаруживать расхождение) есть мера источника. Если в стекле, например, не рождаются световые лучи, а только проходят сквозь него, divD = 0. Солнце как источник света и теплоты обладает положительной дивергенцией, а темнота — отрицательной. Поэтому силовые линии электрического поля кончаются на зарядах, плотность которых р, а магнитного — замкнуты сами на себя и нигде не кончаются.
Система взглядов, которая легла в основу уравнений Максвелла, получила название максвелловской теории электромагнитного поля. Хотя эти уравнения имеют простой вид, но чем больше Максвелл и его последователи работали над ними, тем более глубокий смысл открывался им. Г. Герц, опыты которого явились первым прямым доказательством верности теории электромагнитного поля Фарадея—Максвелла, писал о неисчерпаемости уравнений Максвелла: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом — кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время было в них заложено».
Процесс распространения поля будет продолжаться до бесконечности в виде незатухающей волны — энергия магнитного поля в пустоте полностью переходит в энергию электрического, и наоборот. Среди постоянных, входящих в уравнения, была константа с; Максвелл нашел, что ее значение равнялось точно значению скорости света. На это совпадение нельзя было не обратить внимания. Итак, в световых волнах колебания совершают напряженности электрического и магнитного полей, а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии напряжения.
Световая волна — это волна электромагнитная, «бегущая в пространстве и отделенная от испустивших ее зарядов», как выразился Вайскопф. Открытие Максвелла он сравнил по важности с открытием закона тяготения Ньютона. Ньютон связал движение планет с тяготением на Земле и открыл фундаментальные законы, управляющие механическим движением масс под действием сил. Максвелл связал оптику с электричеством и вывел фундаментальные законы (уравнения Максвелла), управляющие поведением электрических и магнитных полей и их взаимодействием с зарядами и магнитами. Труды Ньютона привели к введению
74

понятия всеобщего закона тяготения, труды Максвелла — понятия электромагнитного поля и к установлению законов его распространения.
Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то дальнодействие должно уступить место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Идеи тока смещения (1861), электромагнитных волн и электромагнитной природы света (1865) были настолько смелыми и необычными, что даже следующее поколение физиков не сразу приняло теорию Максвелла. В 1888 г. Г. Герц открыл электромагнитные волны, но такого активного противника теории Максвелла, как У. Томсон (Кельвин), смогли убедить лишь эксперименты П.Н.Лебедева, открывшего в 1889 г. существование светового давления.
Плотность потока энергии в волне, распределенной в некоторой области пространства и колеблющейся во времени, — это количество электромагнитной энергии, проходящей через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения, в единицу времени. Плотность потока энергии обозначают буквой SIT. Для плоской волны с Е = В энергия делится поровну между электрической и магнитной компонентами, поэтому удобно записать: SП= Е2 = В2.
Электромагнитное излучение Солнца переносит на Землю его энергию, снабжая нас теплотой и светом. Учение о движении энергии было разработано русским физиком Н.А.Умовым. Он показал, что изменение энергии внутри объема определяется ее потоком, проходящим через поверхность. Через 11 лет после публикации Умова английский физик лорд Дж. Рэлей представил Королевскому обществу сообщение Дж. Пойтинга «О переносе энергии в электромагнитном поле», где содержались независимо полученные аналогичные результаты. Поэтому в настоящее время вектор SП = [Е, Н] называют вектором Умова—Пойтинга.
Импульс электромагнитной волны можно записать аналогично: из формулы Е = тс2 следует получить значение эквивалентной массы и, зная скорость распространения волны с, посчитать импульс, т. е. Р = тс = Е/с. Так как скорость света огромна, мы не замечаем давления света, обусловленного наличием импульса ни от световой волны, ни от светящейся лампочки, ни от Солнца. В теории Максвелла энергия распределена в пространстве с объемной плотностью, записанной выше, и электромагнитная волна несет энергию. Ученый утверждал, что, падая на поглощающую поверхность, волна должна производить давление, пропорциональное объемной плотности энергии.
В середине XIX в. Максвелл объединил электричество и магнетизм в единой теории поля. Электрический заряд связан с элементарными частицами, из которых самые известные — электрон 75

и протон — имеют одинаковый по величине заряд е, это универсальная постоянная природы. В СИ = 1,6 • 10-19 Кл. Хотя магнитных зарядов пока не обнаружено, в теории они уже возникают. По мнению физика Дирака, величина магнитных зарядов должна быть кратной заряду электрона
Дальнейшие исследования в области электромагнитного поля привели к противоречиям с представлениями классической механики, которые пытался устранить путем математического согласования теорий голландский физик X. А. Лоренц. Он ввел преобразования координат инерциальных систем, которые в отличие от классических преобразований Галилея содержали константу — скорость света, которая и осуществляла связь с теорией поля. Изменились масштабы времени и длин при скоростях, близких к скорости света. Физический смысл этих преобразований Лоренца был объяснен только А. Эйнштейном в 1905 г. в его работе «К электродинамике движущихся тел», составившей основу специальной теории относительности (СТО), или релятивистской механики.