Áèáëèîòåêà
Òåîëîãèÿ
Êîíôåññèè
Èíîñòðàííûå ÿçûêè
Äðóãèå ïðîåêòû
|
Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå
Äóáíèùåâà Ò. Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. Ó÷åáíîå ïîñîáèå
Ãëàâà 2 ÏÎÍßÒÈß ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÀ, ÂÐÅÌÅÍÈ È ÌÀÒÅÐÈÈ
ÔÓÍÄÀÌÅÍÒÀËÜÍÛÅ ÂÇÀÈÌÎÄÅÉÑÒÂÈß
2.1. Ïîíÿòèå «ïðîñòðàíñòâî»
 îáûäåííîì âîñïðèÿòèè ïîä ïðîñòðàíñòâîì ïîíèìàþò íåêóþ ïðîòÿæåííóþ ïóñòîòó, â êîòîðîé ìîãóò íàõîäèòüñÿ êàêèå-ëèáî ïðåäìåòû. Îäíàêî ìåæäó íåáåñíûìè òåëàìè åñòü íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî âåùåñòâà, äà è ôèçè÷åñêèé âàêóóì ñîäåðæèò âèðòóàëüíûå ÷àñòèöû.  íàóêå ïðîñòðàíñòâî ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê ôèçè÷åñêàÿ ñóùíîñòü, îáëàäàþùàÿ êîíêðåòíûìè ñâîéñòâàìè è ñòðóêòóðîé.
Ïðîñòðàíñòâî è âðåìÿ — âñåîáùèå è íåîáõîäèìûå îáúåêòèâíûå ôîðìû áûòèÿ ìàòåðèè. «Â ìèðå, — ïèñàë Â. È.Ëåíèí, — íåò íè÷åãî êðîìå äâèæóùåéñÿ ìàòåðèè, à äâèæóùàÿñÿ ìàòåðèÿ íå ìîæåò äâèãàòüñÿ èíà÷å ÷åì â ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè». Ìàòåðèÿ îáúåêòèâíî ñóùåñòâóåò â ôîðìå âåùåñòâà è ïîëÿ, îáðàçóåò Âñåëåííóþ, ñóùåñòâóþùóþ íåçàâèñèìî îò òîãî, îùóùàåì ìû åå èëè íåò.
Îñíîâíûå ñâîéñòâà ïðîñòðàíñòâà ôîðìèðîâàëèñü ïî ìåðå îñâîåíèÿ ÷åëîâåêîì òåððèòîðèé è ðàçâèòèÿ ãåîìåòðèè (îò ãðå÷. geometria— çåìëåìåðèå). Ñëîæèâøèåñÿ ê III â. äî í. ý. çíàíèÿ ñèñòåìàòèçèðîâàë äðåâíåãðå÷åñêèé ìàòåìàòèê Åâêëèä.  ñâîåì çíàìåíèòîì ïðîèçâåäåíèè «Íà÷àëà», ñîñòîÿùåì èç 15 êíèã, ñòàâøåì îñíîâîé ãåîìåòðèè, îí îðãàíèçîâàë íàó÷íîå ìûøëåíèå íà îñíîâå ëîãèêè.  ïåðâîé êíèãå Åâêëèä îïðåäåëèë èäåàëüíûå îáúåêòû ãåîìåòðèè: òî÷êà, ïðÿìàÿ ëèíèÿ, ïëîñêîñòü, ïîâåðõíîñòü.
Ýòè îáúåêòû ðàññìàòðèâàëèñü ÷åðåç íåêîòîðûå õàðàêòåðèñòèêè ðåàëüíîãî îêðóæàþùåãî ìèðà èëè êàêèõ-ëèáî ïðåäìåòîâ, ÷àñòî äëÿ ýòîãî èñïîëüçîâàëèñü ïðåäñòàâëåíèÿ î ëó÷å ñâåòà èëè íàòÿíóòîé ñòðóíå. Íàïðèìåð, îáðàç ïðÿìîé ëèíèè ñâÿçàí ñ ëó÷îì ñâåòà. Íî áûëî èçâåñòíî, ÷òî â íåîäíîðîäíûõ ñðåäàõ ñâåòîâîé ëó÷ ïðåëîìëÿåòñÿ; è ñàì æå Åâêëèä ïîëó÷èë çàêîí ðàâåíñòâà óãëîâ îòðàæåíèÿ è ïàäåíèÿ, à Àðèñòîòåëü ðàññóæäàë î êàæóùåìñÿ ïðåëîìëåíèè ïàëêè, ïîãðóæåííîé ÷àñòè÷íî â âîäó. Èñõîäÿ èç íàèáîëåå ïðîñòûõ ñâîéñòâ ëèíèé è óãëîâ Åâêëèä ïóòåì ñòðîãèõ ëîãè÷åñêèõ äîêàçàòåëüñòâ ïðèøåë â ïëàíèìåòðèè ê ôîðìóëèðîâêå óñëîâèé ðàâåíñòâà òðåóãîëüíèêîâ, ðàâåíñòâà ïëîùàäåé, òåîðåìå Ïèôàãîðà, ê çîëîòîìó ñå÷åíèþ, êðóãó è ïðàâèëüíûì ìíîãîóãîëüíèêàì.  êíèãàõ V—VI è X îí èçëàãàåò òåîðèþ íåñîèçìåðèìûõ Åâäîêñà è ïðàâèëà ïîäîáèÿ, VII—IX — òåîðèþ ÷èñåë, à â ïîñëåäíèõ òðåõ — ãåîìåòðèþ â ïðîñòðàíñòâå. Îò òåëåñíûõ óãëîâ, îáúåìîâ ïàðàëëåëåïèïåäîâ, ïðèçì, ïèðàìèä è øàðà Åâêëèä ïåðåõîäèò ê èññëåäîâàíèþ ïÿòè ïðàâèëüíûõ («Ïëàòîíîâûõ») òåë è äîêàçàòåëüñòâó, ÷òî èõ ñóùåñòâóåò òîëüêî ïÿòü.
44
Èçëîæåíèå Åâêëèäà ïîñòðîåíî â âèäå ñòðîãî ëîãè÷åñêèõ âûâîäîâ òåîðåì èç ñèñòåìû àêñèîì è ïîñòóëàòîâ (êðîìå ñèñòåìû îïðåäåëåíèé). Ñîãëàñíî èì è îïðåäåëåíû îñíîâíûå ïðåäñòàâëåíèÿ î ïðîñòðàíñòâå, êîòîðûå èñïîëüçîâàíû È. Íüþòîíîì â åãî «Ìàòåìàòè÷åñêèõ íà÷àëàõ íàòóðàëüíîé ôèëîñîôèè» (1687):
îäíîðîäíîñòü — íåò âûäåëåííûõ òî÷åê ïðîñòðàíñòâà, ïàðàëëåëüíûé ïåðåíîñ íå èçìåíÿåò âèä çàêîíîâ ïðèðîäû;
èçîòðîïíîñòü — â ïðîñòðàíñòâå íåò âûäåëåííûõ íàïðàâëåíèé, è ïîâîðîò íà ëþáîé óãîë ñîõðàíÿåò íåèçìåííûìè çàêîíû ïðèðîäû;
íåïðåðûâíîñòü — ìåæäó äâóìÿ ðàçëè÷íûìè òî÷êàìè â ïðîñòðàíñòâå, êàê áëèçêî áû îíè íå íàõîäèëèñü, âñåãäà åñòü òðåòüÿ;
òðåõìåðíîñòü — êàæäàÿ òî÷êà ïðîñòðàíñòâà îäíîçíà÷íî îïðåäåëÿåòñÿ íàáîðîì òðåõ äåéñòâèòåëüíûõ ÷èñåë — êîîðäèíàò;
«åâêëèäîâîñòü» — îïèñûâàåòñÿ ãåîìåòðèåé Åâêëèäà, â êîòîðîé, ñîãëàñíî ïÿòîìó ïîñòóëàòó, ïàðàëëåëüíûå ïðÿìûå íå ïåðåñåêàþòñÿ èëè ñóììà âíóòðåííèõ óãëîâ òðåóãîëüíèêà ðàâíà 180°.
Ïÿòûé ïîñòóëàò ãåîìåòðèè Åâêëèäà ïðèâëåêàë ê ñåáå îñîáîå âíèìàíèå, è íåêèå åãî ýêâèâàëåíòû ïðèâåëè â XIX â. ê âîçìîæíîñòè èíûõ ãåîìåòðèé, â êîòîðûõ ñóììà óãëîâ òðåóãîëüíèêà áîëüøå (ãåîìåòðèÿ Ðèìàíà — ãåîìåòðèÿ íà ñôåðå) èëè ìåíüøå 180° (ãåîìåòðèè Ëîáà÷åâñêîãî è Áîëüÿéè).
Ïîëîæåíèå òåë â îêðóæàþùåì ïðîñòðàíñòâå îïðåäåëÿåòñÿ òðåìÿ êîîðäèíàòàìè (äîëãîòà, øèðîòà, âûñîòà), ò.å. íàãëÿäíûì ïðåäñòàâëåíèÿì ñîîòâåòñòâóåò òðåõìåðíîñòü ïðîñòðàíñòâà. Ïòîëåìåé â ñâîåì òðóäå «Àëüìàãåñò» óòâåðæäàë, ÷òî â ïðèðîäå íå ìîæåò áûòü áîëåå òðåõ ïðîñòðàíñòâåííûõ èçìåðåíèé. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïîëîæåíèÿ â ïðîñòðàíñòâå Ð.Äåêàðò îáîñíîâàë åäèíñòâî ôèçèêè è ãåîìåòðèè. Ðàçâèâ èäåþ áëèçêîäåéñòâèÿ, îí îáúÿñíÿë âñå ÿâëåíèÿ ïðèðîäû ìåõàíè÷åñêèì âçàèìîäåéñòâèåì ÷àñòèö, îí çàïîìíèë ìèð òîíêîé ìàòåðèåé — ýôèðîì. Îí ââåë ïðÿìîóãîëüíóþ ñèñòåìó êîîðäèíàò («äåêàðòîâû êîîðäèíàòû») — õ, ó, z. Äëÿ îïèñàíèÿ îðáèò ïëàíåò ïðè èõ äâèæåíèè âîêðóã Ñîëíöà óäîáíåå ñôåðè÷åñêàÿ ñèñòåìà êîîðäèíàò, âüùåëÿþùàÿ ïîëîæåíèå Ñîëíöà è ó÷èòûâàþùàÿ, ÷òî ãðàâèòàöèîííîå ïîëå óáûâàåò îäèíàêîâî ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì. Âûáîð ñèñòåìû êîîðäèíàò — ýòî ïðîñòî âûáîð ñïîñîáà îïèñàíèÿ, è îí íå ìîæåò âëèÿòü íà ñâîéñòâà êîíòèíóóìà, êîòîðûé íóæíî îïèñàòü. Ïðîñòðàíñòâà è êîíòèíóóìû íåçàâèñèìî îò ñïîñîáà îïèñàíèÿ îáëàäàþò ñâîèìè âíóòðåííèìè ãåîìåòðè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè (íàïðèìåð, êðèâèçíîé). Ïðîñòðàíñòâî íàçûâàþò èñêðèâëåííûì, åñëè â íåãî íåâîçìîæíî ââåñòè êîîðäèíàòíóþ ñèñòåìó, êîòîðàÿ ìîæåò ñ÷èòàòüñÿ ïðÿìîëèíåéíîé. Èíà÷å — îíî ïëîñêîå.
Ôèçè÷åñêèé ìèð Äåêàðòà ñîñòîèò èç äâóõ ñóùíîñòåé: ìàòåðèè (ïðîñòîé «ïðîòÿæåííîñòè, íàäåëåííîé ôîðìîé») è äâèæåíèÿ. Ïîñêîëüêó
45
«ïðèðîäà íå òåðïèò ïóñòîòû» (Àðèñòîòåëü), ïðîòÿæåííîñòü çàïîëíåíà «òîíêîé ìàòåðèåé» — ýôèðîì, êîòîðóþ Áîã íàäåëèë íåïðåðûâíûì äâèæåíèåì. Äåêàðò îïèñàë âñå ïðîöåññû ñâîèìè ìåõàíè÷åñêèìè çàêîíàìè äâèæåíèÿ è ïîñòðîèë «êîñìîëîãè÷åñêèé ðîìàí» (òðàêòàòû «Ìèð» è «Íà÷àëà ôèëîñîôèè»). Äåêàðòîâî ïðåäñòàâëåíèå î ôëþèäàõ, çàïîëíÿþùèõ ïðîñòðàíñòâî, ãîñïîäñòâîâàëî â íàóêå XIX è ÷àñòè÷íî XX ââ., îêàçàâ ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå íà ðàçâèòèå îïòèêè è ýëåêòðè÷åñòâà. Âåñ, êàê è ëþáàÿ ñèëà, ó Äåêàðòà — ñâîéñòâî äâèæåíèÿ òîíêîé ìàòåðèè, îòîæäåñòâëÿåìîé ñ ïðîñòðàíñòâîì. Ïîýòîìó ìåõàíèöèçì Äåêàðòà ñâîäèò ñèëû ê ñâîéñòâàì ïðîñòðàíñòâà.
Æèâÿ íà ïîâåðõíîñòè ïî÷òè ñôåðè÷åñêîé, ìû ïîëüçóåìñÿ ãåîìåòðèåé íà ïëîñêîñòè, õîòÿ ïðàâèëüíåå ãîâîðèòü, ÷òî áîëüøèå êðóãè (ïàðàëëåëè è ìåðèäèàíû) — êðàò÷àéøèå ðàññòîÿíèÿ (÷òî ó÷èòûâàåòñÿ ïðè ïðîêëàäêå êóðñà ñàìîëåòîâ, íàïðèìåð). Íà ãåîìåòðèè Åâêëèäà ïîñòðîåíà ìåõàíèêà Ãàëèëåÿ—Íüþòîíà, ãäå òåëà äâèæóòñÿ êðèâîëèíåéíî òîëüêî ïîä äåéñòâèåì ñèë. Íüþòîí ïðèøåë ê èäåå àáñîëþòíûõ ïðîñòðàíñòâà (áåñêîíå÷íîé îäíîðîäíîé ïðîòÿæåííîñòè) è âðåìåíè (áåñêîíå÷íîé îäíîðîäíîé äëèòåëüíîñòè). Êàæäûé îáúåêò îáëàäàåò â ïðîñòðàíñòâå îïðåäåëåííûì ïîëîæåíèåì è îðèåíòàöèåé, à ðàññòîÿíèå ìåæäó äâóìÿ ñîáûòèÿìè òî÷íî îïðåäåëåíî, äàæå åñëè îíè ïðîèçîøëè â ðàçíûå ìîìåíòû âðåìåíè.
Ïîëîæåíèå Ròåëà â ïðîñòðàíñòâå îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêî îòíîñèòåëüíî ñèñòåìû êàêèõ-òî îáúåêòîâ: ó Íüþòîíà — îòíîñèòåëüíî èíåðöèàëüíûõ ñèñòåì îòñ÷åòà. Òàê êàê îùóùàåòñÿ ëèøü íåðàâíîìåðíîå äâèæåíèå (à íå äâèæåíèå ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ), èìååò ñìûñë ãîâîðèòü îá èçìåíåíèè ñêîðîñòè v = dR/dtòåëà â ïðîñòðàíñòâå, è äâèæåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ òîëüêî óñêîðåíèåì aW = dv/dt. Íüþòîí ïåðåâåë ýòè, ñóãóáî îáûäåííûå, îùóùåíèÿ íà ìàòåìàòè÷åñêèé ÿçûê, ó íåãî âñå ðàâíîìåðíûå äâèæåíèÿ îòíîñèòåëüíû, à óñêîðåííûå — àáñîëþòíû. Ïðè÷èíû, âûçûâàþùèå óñêîðåííûå äâèæåíèÿ, îí íàçâàë ñèëàìè. Ñèëû F ïðîïîðöèîíàëüíû óñêîðåíèþ òåë ñ êîýôôèöèåíòîì Ì, íàçûâàåìûì èíåðòíîé ìàññîé: F = ÌaW. Åñëè ýòîò çàêîí Íüþòîíà ïðî÷åñòü ñïðàâà íàëåâî, âèäíî, ÷òî ÷àñòè ñèñòåìû ïðè ðàâíîìåðíîì äâèæåíèè íå èñïûòûâàþò ñèëîâîãî âîçäåéñòâèÿ. Çíà÷èò, ìåõàíè÷åñêèìè ñðåäñòâàìè ðàâíîìåðíîå äâèæåíèå íåëüçÿ îòëè÷èòü îò äðóãîãî òàêîãî æå è ïðîñòðàíñòâî ñàìî ïî ñåáå íå îêàçûâàåò ñèëîâîãî âîçäåéñòâèÿ íà äâèæóùèåñÿ òåëà.
Ìåõàíèêà Íüþòîíà ïîçâîëÿåò íàáëþäàòü òîëüêî óñêîðåííûå äâèæåíèÿ, à óñêîðåíèå âåäåò ê âîçíèêíîâåíèþ â ñèñòåìå îòñ÷åòà äâèæóùåãîñÿ òåëà ñèë èíåðöèè. Òàêîâû, íàïðèìåð, äàâëåíèå íîã ÷åëîâåêà, íàïðàâëåííîå âíèç ïðè êðàòêîâðåìåííîé îñòàíîâêå ëèôòà, äâèæóùåãîñÿ â íàïðàâëåíèè ââåðõ, èëè öåíòðîáåæíàÿ ñèëà íà âðàùàþùåéñÿ êàðóñåëè. Ïðèïèñûâàÿ ïîÿâëåíèå ñèë èíåðöèè ïðîñòðàíñòâó, â êîòîðîì ïðîèñõîäèò óñêîðåíèå, Íüþòîí äîêàçûâàë ðåàëüíîñòü åãî ñóùåñòâîâàíèÿ. Îíî — ñóáñòàíöèÿ, ñïîñîáíàÿ äèíàìè÷åñêè äåéñòâîâàòü íà ìàòåðèàëüíûå òåëà.
46
Ñîçäàíèå òåîðèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ äàëî âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàòü îïòè÷åñêèå ÿâëåíèÿ äëÿ èçìåðåíèÿ ñêîðîñòè äâèæåíèÿ â ïðîñòðàíñòâå: ñâåò äîëæåí ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ â ýôèðå (íåêîåé æèäêîñòè, çàïîëíÿþùåé ïðîñòðàíñòâî) ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ, çàâèñÿùåé îò «óïðóãîñòè» ýôèðà, à ñêîðîñòü ñâåòà, èçìåðåííàÿ íàáëþäàòåëåì, äîëæíà çàâèñåòü îò íàïðàâëåíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà. Íî ïðîâåäåííûé À. Ìàéêåëüñîíîì è Ý. Ìîðëè îïûò ïîêàçàë, ÷òî íèêàêîãî ýôôåêòà, ñâÿçàííîãî ñ ýôèðîì, íåò (1887). Ïðèøëîñü îòêàçàòüñÿ îò ýôèðà è íàãëÿäíûõ ïðåäñòàâëåíèé Íüþòîíà î ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè, è À. Ýéíøòåéí ïðåäëîæèë (1905) ñâîþ ñïåöèàëüíóþ òåîðèþ îòíîñèòåëüíîñòè (ÑÒÎ).
 îñíîâå ÑÒÎ ëåæàò äâà ïîñòóëàòà: ñêîðîñòü ñâåòà â âàêóóìå ïîñòîÿííà è íå çàâèñèò îò äâèæåíèÿ íàáëþäàòåëÿ èëè èñòî÷íèêà ñâåòà; âñå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ (ìåõàíè÷åñêèå è ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå) ïðîèñõîäÿò îäèíàêîâî âî âñåõ òåëàõ, äâèæóùèõñÿ îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà ïðÿìîëèíåéíî è ðàâíîìåðíî. Ýòî îçíà÷àëî ñîêðàùåíèå äëèí è çàìåäëåíèå òå÷åíèÿ âðåìåíè â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåîáðàçîâàíèÿìè Ëîðåíöà äëÿ òåë, äâèæóùèõñÿ ñî ñêîðîñòÿìè, áëèçêèìè ê ñêîðîñòè ñâåòà. «Îòíûíå ïðîñòðàíñòâî è âðåìÿ, âçÿòûå ïî îòäåëüíîñòè, îáðå÷åíû âëà÷èòü ïðèçðà÷íîå ñóùåñòâîâàíèå, è òîëüêî åäèíñòâî èõ îáîèõ ñîõðàíèò ðåàëüíîñòü è ñàìîñòîÿòåëüíîñòü» (Ã. Ìèíêîâñêèé). Èçìåíåíèÿ äëèí è âðåìåí îùóòèìû ëèøü ïðè ñêîðîñòÿõ, áëèçêèõ ê ñêîðîñòè ñâåòà; ïðè ìåíüøèõ ñêîðîñòÿõ äâèæåíèå ïðîèñõîäèò ïî çàêîíàì êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè.  òàêîì ïðîñòðàíñòâå-âðåìåíè óæå óäîáíåå êðèâîëèíåéíûå êîîðäèíàòû.  ðàçíûõ ñèñòåìàõ êîîðäèíàò ïî-ðàçíîìó áóäóò âûãëÿäåòü ìàòåìàòè÷åñêèå çàïèñè çàêîíîâ ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé. Èòàê, â ÑÒÎ âðåìÿ è ïðîñòðàíñòâî îáúåäèíÿþòñÿ â ÷åòûðåõìåðíîå ïðîñòðàíñòâî-âðåìÿ.
 êîíöå XIX â. ïîÿâèëèñü íååâêëèäîâû òåîðèè ïðîñòðàíñòâà— ðàçëè÷íûå âàðèàíòû ãåîìåòðèè Í. È. Ëîáà÷åâñêîãî, ß.Áîëüÿéè è Ã. Ô. Á. Ðèìàíà. Îíè îòâåðãàëè îäèí èç ïîñòóëàòîâ Åâêëèäà — â íèõ ÷åðåç òî÷êó ìîæíî ïðîâåñòè íåñêîëüêî ïðÿìûõ, ïàðàëëåëüíûõ çàäàííîé, èëè íè îäíîé, ñîîòâåòñòâåííî. Ïðîâåðêîé áûëî áû èçìåðåíèå ñóììû âíóòðåííèõ óãëîâ òðåóãîëüíèêà, íî èçìåðåíèÿ Ãàóññà è Ëîáà÷åâñêîãî íå îáíàðóæèëè îòêëîíåíèé ôèçè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà îò åâêëèäîâîãî. Ïðîñòðàíñòâî Ðèìàíà, â êîòîðîì ñóììà óãëîâ áîëüøå 180°, ñîîòâåòñòâóåò ãåîìåòðèè íà ñôåðå è ëåãëî â îñíîâó îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè (ÎÒÎ) — îáîáùåííîé òåîðèè òÿãîòåíèÿ, ðàçðàáîòàííîé Ýéíøòåéíîì (1916). Ïðè íàëè÷èè â ïðîñòðàíñòâå òÿãîòåþùèõ ìàññ (ò.å. è ïîëÿ òÿãîòåíèÿ) ïðîñòðàíñòâî èñêðèâëÿåòñÿ, ñòàíîâèòñÿ íååâêëèäîâûì. Äâèæåíèÿ òåë â íåì ïðîèñõîäÿò ïî êðàò÷àéøåìó ïóòè — ïî ãåîäåçè÷åñêèì ëèíèÿì. Ñâîéñòâà ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè îïðåäåëÿþòñÿ ðàñïðåäåëåíèåì è äâèæåíèåì ìàòåðèè â ïðîñòðàíñòâå.
47
Õîòÿ â ÎÒÎ ñîîòíîøåíèå ìåæäó êîëè÷åñòâîì ìàòåðèè è ñòåïåíüþ êðèâèçíû ïðîñòîå, íî ñëîæíû ðàñ÷åòû — äëÿ îïèñàíèÿ êðèâèçíû â êàæäîé òî÷êå íóæíî çíàòü çíà÷åíèÿ 20 ôóíêöèé ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûõ êîîðäèíàò. Äåñÿòü ôóíêöèé ñîîòâåòñòâóþò ÷àñòè êðèâèçíû, êîòîðàÿ ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ â âèäå ãðàâèòàöèîííûõ âîëí, ò. å. â âèäå «ðÿáè» êðèâèçíû; îñòàëüíûå äåñÿòü îïðåäåëÿþòñÿ ðàñïðåäåëåíèåì ìàññ, ýíåðãèè, èìïóëüñà, óãëîâîãî ìîìåíòà, âíóòðåííèõ íàïðÿæåíèé â âåùåñòâå è çíà÷åíèÿìè óíèâåðñàëüíîé ãðàâèòàöèîííîé ïîñòîÿííîé G. Èç-çà ìàëîñòè âåëè÷èíû Gíóæíî ìíîãî ìàññ, ÷òîáû ñóùåñòâåííî «èçîãíóòü» ïðîñòðàíñòâî-âðåìÿ. Âåëè÷èíó 1/Gïîä÷àñ ñ÷èòàþò ìåðîé æåñòêîñòè ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè (è íàøå ïðîñòðàíñòâî-âðåìÿ î÷åíü æåñòêîå). Âñÿ ìàññà Çåìëè ñîçäàåò êðèâèçíó, ñîñòàâëÿþùóþ ïîðÿäêà 10-9 êðèâèçíû ñâîåé ïîâåðõíîñòè. ×òîáû ïðåäñòàâèòü êðèâèçíó ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè âáëèçè Çåìëè, ïîäáðîñèì ìÿ÷ â âîçäóõ. Åñëè îí áóäåò íàõîäèòüñÿ â ïîëåòå 2 ñ è îïèøåò äóãó â 5 ì, òî ñâåò çà ýòè 2 ñ ïðîéäåò ðàññòîÿíèå 600 000 êì. Åñëè ïðåäñòàâèòü äóãó âûñîòîé 5 ì, âûòÿíóòóþ ïî ãîðèçîíòàëè äî 600 000 êì, òî åå êðèâèçíà è áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü êðèâèçíå ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè.  îòëè÷èå îò òåîðèè ãðàâèòàöèè Íüþòîíà òåîðèÿ Ýéíøòåéíà ïðåòåíäóåò íà òåîðèþ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè, ò. å. íà òåîðèþ Âñåëåííîé â öåëîì.
Áîëüøèíñòâî ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ î ãðàâèòàöèè õîðîøî îïèñûâàåòñÿ â ïðîñòðàíñòâå Åâêëèäà èëè â äèíàìèêå Íüþòîíà, íî åñòü íåìíîãî÷èñëåííûå ÿâëåíèÿ (îòêëîíåíèå ñâåòà â ïîëå òÿãîòåíèÿ èëè ñìåùåíèå ïåðèãåëèÿ Ìåðêóðèÿ), êîòîðûå ïðîòèâîðå÷àò òåîðèè Íüþòîíà è õîðîøî îáúÿñíÿþòñÿ â ÎÒÎ.
Õàðàêòåð ôèçè÷åñêèõ çàêîíîâ ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò ìàñøòàáà èññëåäóåìûõ ÿâëåíèé, è ïðèíÿòî ãîâîðèòü î ìèêðî-, ìàêðî- è ìåãàìèðå. Îáúåêòàìè ìèêðîìèðà ÿâëÿþòñÿ àòîìíûå ÿäðà è ìîëåêóëû, àòîìû è ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû. Ê îáúåêòàì ìàêðîìèðà îòíîñÿò æèâóþ êëåòêó, ÷åëîâåêà è ñîèçìåðèìûå ñ íèì ïðåäìåòû. Ìåãàìèð — ýòî ïëàíåòû, Ñîëíöå, çâåçäû, ãàëàêòèêè è âñÿ Âñåëåííàÿ â öåëîì.  ìåãàìèðå ñóùåñòâåííóþ ðîëü èãðàþò ýôôåêòû ÑÒÎ è ÎÒÎ, ïðåîáëàäàþùèì âçàèìîäåéñòâèåì ÿâëÿåòñÿ ãðàâèòàöèîííîå.  ìàêðîìèðå çàêîíû äâèæåíèÿ òåë îïðåäåëÿþòñÿ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêîé, à â ìèêðîìèðå — êâàíòîâîé ôèçèêîé.
2.2. Ìàñøòàáû ðàññòîÿíèé âî Âñåëåííîé. Ìåòîäû îöåíîê ðàçìåðîâ è ðàññòîÿíèé
Áåñêîíå÷íîñòü è îãðîìíîñòü Âñåëåííîé âûçûâàþò ÷óâñòâî âîñõèùåíèÿ è òðåïåòà.
Òàê, íåìåöêèé ôèçèê, èçîáðåòàòåëü âîçäóøíîãî íàñîñà, ïîêàçàâøèé ñóùåñòâîâàíèå äàâëåíèÿ âîçäóõà (îïûò ñ «ìàãäåáóðãñêèìè ïîëóøàðèÿìè») è èçó÷èâøèé ìíîãèå åãî ñâîéñòâà, Î. ôîí Ãåðèêå ñòàâèë îïûòû, ÷òîáû äîêàçàòü, ÷òî Âñåëåííàÿ ïóñòà, âåçäåñóùà è áåñêîíå÷íà. Ýòî ïðîòèâîðå÷èëî íàóêå íà÷àëà XVII â. Îí ïèñàë, ÷òî åãî â ñòðåìëåíèè óçíàòü ñòðîåíèå ìèðà ïðåæäå âñåãî ïîòðÿñëà íåâîîáðàçèìàÿ ïðîòÿæåííîñòü
48
Âñåëåííîé. Îíà-òî è âîçáóäèëà â íåì íå äàþùåå ïîêîÿ ñòðåìëåíèå óâåðèòüñÿ, ÷åì ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ìåæäó íåáåñíûìè òåëàìè: «×åì æå, â ñóùíîñòè, îíî ÿâëÿåòñÿ? À âåäü îíî ñîäåðæèò âñå è äàåò ìåñòî äëÿ áûòèÿ è ñóùåñòâîâàíèÿ. Ìîæåò áûòü, ýòî êàêàÿ-òî îãíåííàÿ íåáåñíàÿ ìàòåðèÿ, òâåðäàÿ (êàê óòâåðæäàëè àðèñòîòåëèêè), æèäêàÿ (êàê äóìàþò Êîïåðíèê è Òèõî Áðàãå) èëè êàêàÿ-íèáóäü ïðîçðà÷íàÿ ïÿòàÿ ýññåíöèÿ? Èëè æå ïðîñòðàíñòâî ñâîáîäíî îò âñÿêîé ìàòåðèè, ò.å. åñòü ïîñòîÿííî îòðèöàåìàÿ ïóñòîòà».
Ðàññòîÿíèÿ â ìèðå çâåçä èçìåðÿþò â ñâåòîâûõ ãîäàõ (1 ñâ. ãîä ≈ ≈ 9,5 • 1012 êì), èëè â ïàðñåêàõ (1 ïê = 3,26 ñâ. ãîäà = 206 265 à.å. = = 3,1 • 1016 ì). Ðàññòîÿíèå îò Çåìëè äî Ñîëíöà â 1 à.å. (àñòðîíîìè÷åñêàÿ åäèíèöà) ≈ 150 ìëí êì, åãî ñâåò ïðåîäîëåâàåò çà 8,5 ìèí. Ëóíà íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè îêîëî 1 ñâ. ñ, èëè 384 òûñ. êì, èëè 60 ðàäèóñîâ Çåìëè. Ïîïåðå÷íèê Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû — íåñêîëüêî ñâåòîâûõ ÷àñîâ, à áëèæàéøàÿ çâåçäà (Ïðîêñèìà ñîçâåçäèÿ Öåíòàâðà) íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè îêîëî 4 ñâ. ëåò.
 äðåâíîñòè ó ðàçíûõ íàðîäîâ áûëè è ðàçëè÷íûå ïðåäñòàâëåíèÿ î Çåìëå è åå ôîðìå. Òàê, èíäóñû ïðåäñòàâëÿëè ñåáå Çåìëþ â âèäå ïëîñêîñòè, ëåæàùåé íà ñïèíàõ ñëîíîâ; æèòåëè Âàâèëîíà — â âèäå ãîðû, íà çàïàäíîì ñêëîíå êîòîðîé íàõîäèòñÿ Âàâèëîíèÿ; åâðåè — â âèäå ðàâíèíû è ò.ä. Íî â ëþáîì ñëó÷àå ñ÷èòàëîñü, ÷òî â íåêîåì ìåñòå íåáåñíûé êóïîë ñîåäèíÿåòñÿ ñ çåìíîé òâåðäüþ. Ñâîåìó ïîÿâëåíèþ è ðàçâèòèþ íàóêà î Çåìëå, ãåîãðàôèÿ, âî ìíîãîì îáÿçàíà äðåâíèì ãðåêàì, ïðåäñòàâëÿâøèì ìèð â âèäå êðóãëîé ëåïåøêè ñ Ãðåöèåé â öåíòðå. Ãåêàòåé Ìèëåòñêèé äàæå âû÷èñëèë åå äèàìåòð — 8000 êì. Äëÿ íàøèõ äàëåêèõ ïðåäêîâ îðèåíòàöèÿ â ïðîñòðàíñòâå èìåëà îãðîìíîå çíà÷åíèå. Ïîðÿäîê îáåñïå÷èâàë áåçîïàñíîñòü.
 Ìåñîïîòàìèè è Åãèïòå íàáëþäåíèÿ çà íåáîì ñîñòàâëÿëè ïðåðîãàòèâó æðåöîâ è ñâÿçûâàëèñü ñàñòðîëîãèåé. Ëþäè çàìåòèëè, ÷òî ïëàíåòû ïåðåìåùàþòñÿ íà ôîíå çâåçä (îò ãðå÷. planetes— áëóæäàþùèé). Îíè ñòàëè äåëàòü ìîäåëè îêðóæàþùåãî ÷åëîâåêà ìèðîâîãî ïðîñòðàíñòâà, ìîäåëè Ìèðà.  öåíòð Ìèðà ñòàâèëñÿ ÷åëîâåê è, ñëåäîâàòåëüíî, íàøà Çåìëÿ. Òàêîå âûäåëåííîå ïîëîæåíèå ÷åëîâåêà ñîîòâåòñòâîâàëî ïðåäñòàâëåíèÿì íàáëþäàòåëÿ. Àðèñòîòåëü äàë íàòóðôèëîñîôñêîå îáîñíîâàíèå òàêîé ñèñòåìû: îí ïðåäñòàâëÿë êîñìîñ êàê áîëüøîå ÷èñëî ñâÿçàííûõ äðóã ñ äðóãîì ìàòåðèàëüíûõ ñôåð, êàæäàÿ èç êîòîðûõ ïîä÷èíÿåòñÿ ñâîèì çàêîíàì. Âèäèìîå äâèæåíèå íåáåñíûõ òåë ñ âîñòîêà íà çàïàä îí íå ìîã îáúÿñíèòü è îãðàíè÷èëñÿ âûñêàçûâàíèåì: «Ïðèðîäà âñåãäà îñóùåñòâëÿåò ëó÷øóþ èç âîçìîæíîñòåé». Äðóãîé ó÷åíèê Ïëàòîíà Ýâäîêñ ïîïûòàëñÿ íàéòè êèíåìàòèêó ïëàíåò èñõîäÿ èç ãèïîòåçû äâèæåíèÿ ïî èäåàëüíîé êðèâîé — îêðóæíîñòè. Äëÿ ýòîãî åìó ïðèøëîñü ïîäáèðàòü ñêîðîñòè è íàïðàâëåíèÿ äâèæåíèé òðåõ (à ïîòîì — ñåìè) ñôåð äëÿ îïèñàíèÿ âèäèìîãî äâèæåíèÿ Ñîëíöà è Ëóíû è 26 ñôåð — äëÿ ïëàíåò. Àðèñòîòåëü èñïîëüçîâàë óæå 56 ñôåð, à ìàòåìàòèê Àïîëëîíèé ïðåäëîæèë òåîðèþ ýïèöèêëîâ: ïëàíåòà äâèæåòñÿ ïî êðóãîâîé îðáèòå, öåíòð êîòîðîé îïèñûâàåò êðóã âîêðóã Çåìëè. Ýòó ñèñòåìó ðàçâèë çíàìåíèòûé àñòðîíîì Ãèïïàðõ, ñîñòàâèâøèé ïåðâûé êàòàëîã èç 850 çâåçä, âûäåëèâøèé ñîçâåçäèÿ è îòêðûâøèé ïðåöåññèþ çåìíîé îñè. Åãî ñ÷èòàþò îäíèì èç îñíîâàòåëåé àñòðîíîìèè. Ó Àðèñòîòåëÿ âñå íå-
49
áåñíûå äâèæåíèÿ ïðîèñõîäèëè ïî èäåàëüíûì òðàåêòîðèÿì, òîãäà êàê íà Çåìëå çàêîíû äâèæåíèÿ èíûå. Ïðåäñòàâëåíèÿ Àðèñòîòåëÿ áûëè êàíîíèçèðîâàíû öåðêîâüþ è ñîõðàíÿëèñü ïî÷òè 20 âåêîâ.
Ãåîöåíòðè÷åñêàÿ ñèñòåìà Ìèðà (Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû) ñâÿçàíà ñ àëåêñàíäðèéñêèì àñòðîíîìîì Ïòîëåìååì, êîòîðûé îáîáùèë ñóùåñòâîâàâøèå äî íåãî ïðåäñòàâëåíèÿ. Ñîãëàñíî ìîäåëè Ïòîëåìåÿ, èçëîæåííîé â åãî ñî÷èíåíèè «Àëüìàãåñò» («Âåëèêîå ïîñòðîåíèå»), âîêðóã øàðîîáðàçíîé è íåïîäâèæíîé Çåìëè äâèæóòñÿ Ëóíà, Ìåðêóðèé, Âåíåðà, Ñîëíöå, Ìàðñ, Þïèòåð, Ñàòóðí è íåáî íåïîäâèæíûõ çâåçä. Ñôåðà íåïîäâèæíûõ çâåçä îêðóæåíà æèëèùåì áëàæåííûõ, ãäå ïîìåùåí «ïåðâîäâèãàòåëü». Öåíòðû ïîäâèæíûõ ñâåòèë äâèæóòñÿ ïî êðóãàì, ýêñöåíòðè÷íûì ïî îòíîøåíèþ ê Çåìëå. Äëÿ ïëàíåò ïðèøëîñü ââîäèòü ñèñòåìó îêðóæíîñòåé — ýïèöèêëîâ. Ñèñòåìà áûëà ãðîìîçäêîé, ïî ìåðå íàêîïëåíèÿ ìàòåðèàëà åùå áîëåå óñëîæíÿëàñü, íî ïîìîãëà â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ðàçîáðàòüñÿ â àñòðîíîìè÷åñêèõ ÿâëåíèÿõ.  òå÷åíèå ìíîãèõ ñòîëåòèé ãåîöåíòðè÷åñêàÿ ñèñòåìà ñ÷èòàëàñü åäèíñòâåííî âåðíîé — îíà ñîãëàñîâûâàëàñü ñ áèáëåéñêèì îïèñàíèåì ñîòâîðåíèÿ ìèðà. È òîëüêî â ïåðèîä Âîçðîæäåíèÿ íà÷àëîñü èíîå ðàçâèòèå ìûñëè.
Ãåëèîöåíòðè÷åñêàÿ ñèñòåìà (îò ãðå÷. helios— ñîëíöå) ñâÿçàíà ñ èìåíåì ïîëüñêîãî ó÷åíîãî Í. Êîïåðíèêà. Îí âîçðîäèë ãèïîòåçó ïèôàãîðåéöà Àðèñòàðõà Ñàìîññêîãî î ñòðîåíèè Ìèðà: Çåìëÿ óñòóïèëà ìåñòî öåíòðà Ñîëíöó è îêàçàëàñü òðåòüåé ïî ñ÷åòó ñðåäè âðàùàþùèõñÿ ïî êðóãîâûì îðáèòàì ïëàíåò. Êîïåðíèê ïóòåì ñëîæíûõ ìàòåìàòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ îáúÿñíèë ñòðàííûå âèäèìûå ïåðåäâèæåíèÿ, ðàçíûå äëÿ âíåøíèõ (Ìàðñ, Þïèòåð, Ñàòóðí) è âíóòðåííèõ (Ìåðêóðèé, Âåíåðà) ïëàíåò, èõ äâèæåíèÿìè âîêðóã Ñîëíöà.  ñâîåé êíèãå «Îá îáðàùåíèÿõ íåáåñíûõ ñôåð» (1543) îí óòâåðæäàë, ÷òî ïëàíåòû — ñïóòíèêè Ñîëíöà. Êîãäà Çåìëÿ, äâèãàÿñü âîêðóã Ñîëíöà, îáãîíÿåò äðóãóþ ïëàíåòó èëè îòñòàåò îò íåå, íàì êàæåòñÿ, ÷òî ïëàíåòû äâèæóòñÿ òî íàçàä, òî âïåðåä. Ó÷åíèå Êîïåðíèêà íàíåñëî óäàð ïî ñëîæèâøèìñÿ ïðåäñòàâëåíèÿì îá óñòðîéñòâå Ìèðà è èìåëî ðåâîëþöèîííîå çíà÷åíèå äëÿ ïîñëåäóþùåãî ðàçâèòèÿ íàóêè â öåëîì. Îíî ðàçðóøèëî ðàçíèöó â çàêîíàõ äâèæåíèÿ íà íåáå è íà Çåìëå è óñòàíîâèëî èäåþ åäèíñòâà ìèðà. Êàê âûðàçèëñÿ À. Ýéíøòåéí, Êîïåðíèê «ïðèçâàë ÷åëîâåêà ê ñêðîìíîñòè». ×åðåç 73 ãîäà ïîñëå ñìåðòè Êîïåðíèêà è âûõîäà êíèãè öåðêîâü çàïðåòèëà åå, è ëèøü â 1828 ã. ýòîò çàïðåò ñíÿëè. Íî Êîïåðíèê âñå æå ïðåäïîëàãàë íàëè÷èå öåíòðà Âñåëåííîé, â êîòîðûé ïîìåñòèë Ñîëíöå, è ýòîò íåäîñòàòîê òåîðèè èñïðàâèëè óæå äðóãèå. Òàê, îäíèì èç ïåðâûõ â çàùèòó ó÷åíèÿ Êîïåðíèêà (öåíòðàëüíîå ìåñòî — Ñîëíöà, à íå Çåìëè) âûñêàçàëñÿ Äæ. Áðóíî, êîòîðûé ñ÷èòàë Âñåëåííóþ áåñêîíå÷íîé ñ ìíîæåñòâîì ñîëíö è ïëàíåò.
Âðàùåíèå Çåìëè âîêðóã Ñîëíöà äîêàçûâàåòñÿ ïî íàëè÷èþ ãîäè÷íîãî ïàðàëëàêñà çâåçä, à âðàùåíèå åå âîêðóã ñâîåé îñè — ñ ïîìîùüþ ñîõðàíåíèÿ íàïðàâëåíèÿ êîëåáàíèé ìàÿòíèêà Ôóêî.
50
Ðàçìåðû ïëàíåò îïðåäåëÿþò òùàòåëüíûì íàáëþäåíèåì çà èõ äâèæåíèÿìè. Òàê, Ìåðêóðèé — áëèæàéøàÿ ê Ñîëíöó ïëàíåòà — âñåãäà íàõîäèòñÿ áëèçêî ê íåìó, ïðè íàáëþäåíèè ñ Çåìëè åãî îòêëîíåíèå (íàèáîëüøàÿ ýëîíãàöèÿ) ìîæåò áûòü äî 23°, òîãäà êàê äëÿ Âåíåðû (âòîðîé îò Ñîëíöà ïëàíåòû) — 43 — 48°. Ðàäèóñ îðáèòû Ìåðêóðèÿ ïîðÿäêà 0,38à ðàäèóñà çåìíîé îðáèòû, ãäå à = 1 à. å., à Âåíåðû — 0,7 à. å.
Ðàçìåðû Çåìëè îöåíèë óäèâèòåëüíî òî÷íî Ýðàòîñôåí åùå âî II â. äî í. ý., èçìåðèâ óãëîâîå îòêëîíåíèå Ñîëíöà îò çåíèòà â Àëåêñàíäðèè â 7°30', òîãäà êàê â Ñèåíå (ñîâðåìåííûé Àñóàí) îíî áûëî â çåíèòå. Ïðè ýòîì 7°30' ñîñòàâèëè òàêóþ äîëþ îò 360°, êàêóþ ñîñòàâëÿåò ðàññòîÿíèå 800 êì ìåæäó ãîðîäàìè îò ïîëíîé äëèíû îêðóæíîñòè Çåìëè. Òàê îí ïîëó÷èë ýòó äëèíó — 40 000 êì, ñåé÷àñ 40075,696 êì (ðèñ. 2.1). Ïîñêîëüêó îíà ðàâíà 2πR, îïðåäåëèë ðàäèóñ Çåìëè â 6400 êì (â ãåîäåçèè ýòîò ìåòîä íàçûâàåòñÿ ìåòîäîì ïåðèàíãóëÿöèè).
Èìåÿ ïðîïîðöèè, ìîæíî ïîñòðîèòü è ïðèìåðíóþ ñõåìó Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ àáñîëþòíûõ çíà÷åíèé ðàññòîÿíèé â íåé íóæíî çíàòü ðàäèóñ îðáèòû õîòÿ áû îäíîé ïëàíåòû. Åãî ìîæíî îïðåäåëèòü ñ ïîìîùüþ ðàäàðà. Ñåé÷àñ âñå ðàññòîÿíèÿ îïðåäåëåíû äîñòàòî÷íî òî÷íî è ðàçíûìè ìåòîäàìè. Ïðè ðàäèîëîêàöèîííîì ìåòîäå íà èññëåäóåìûé îáúåêò ïîñûëàþò ìîùíûé êðàòêîâðåìåííûé ýëåêòðîìàãíèòíûé èìïóëüñ, à çàòåì ïðèíèìàþò îòðàæåííûé ñèãíàë. Ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí â âàêóóìå ñ = 299 792 458 ì/ñ. Åñëè òî÷íî èçìåðèòü âðåìÿ, êîòîðîå ïîòðåáîâàëîñü ñèãíàëó, ÷òîáû äîéòè äî îáúåêòà è îáðàòíî, òî ëåãêî âû÷èñëèòü èñêîìîå ðàññòîÿíèå. Ðàäèîëîêàöèîííûå íàáëþäåíèÿ ïîçâîëÿþò ñ áîëüøîé òî÷íîñòüþ îïðåäåëèòü ðàññòîÿíèÿ äî íåáåñíûõ òåë Ñîëíå÷íîé ñèñ-
51
òåìû. Ýòèì ìåòîäîì óòî÷íåíû ðàññòîÿíèÿ äî Ëóíû, Âåíåðû, Ìåðêóðèÿ, Ìàðñà, Þïèòåðà.
Ïàðàëëàêñ — óãëîâîå ñìåùåíèå ïðåäìåòà, êîòîðûì ìîæíî õàðàêòåðèçîâàòü ðàññòîÿíèå äî íåãî. Èç ïðàêòè÷åñêîãî îïûòà èçâåñòíî, ÷òî ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ íàïðàâëåíèÿ íà ïðåäìåò ïðè äâèæåíèè íàáëþäàòåëÿ òåì ìåíüøå, ÷åì äàëüøå îáúåêò íàõîäèòñÿ îò íàáëþäàòåëÿ. Ìåòîä ãåîìåòðè÷åñêîãî ïàðàëëàêñà (òðèàíãóëÿöèè) ïîçâîëÿåò èçìåðÿòü ðàññòîÿíèå â ìàêðîìèðå, èñïîëüçóÿ òåîðåìû åâêëèäîâîé ãåîìåòðèè (ðèñ. 2.2, à). ßâëåíèå ãåîìåòðè÷åñêîãî ïàðàëëàêñà — îñíîâà ñòåðåîñêîïè÷åñêîãî çðåíèÿ ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ. Ìåòîäîì ïàðàëëàêñà îïðåäåëÿþò ðàññòîÿíèå äî áëèæàéøèõ ïëàíåò (ðèñ. 2.2, á). Ìîæíî îáíàðóæèòü ñìåùåíèå è ïðè ïåðåìåùåíèè íàáëþäàòåëÿ èç-çà ñóòî÷íîãî äâèæåíèÿ Çåìëè, áóäòî îí ïåðåìåñòèëñÿ èç öåíòðà Çåìëè â òî÷êó ýêâàòîðà, èç êîòîðîé ïëàíåòà êàæåòñÿ íàõîäÿùåéñÿ íà ãîðèçîíòå. Óãîë, ïîä êîòîðûì ñî ñâåòèëà âèäåí ýêâàòîðèàëüíûé ðàäèóñ Çåìëè, ïåðïåíäèêóëÿðíûé ëó÷ó çðåíèÿ, íàçûâàþò ñóòî÷íûì ïàðàëëàêñîì. Ñðåäíèé ñóòî÷íûé ïàðàëëàêñ Ñîëíöà ðàâåí 8,794", Ëóíû — 57,04'.
Ìåòîä ãåîìåòðè÷åñêîãî ïàðàëëàêñà òàêæå ïðèãîäåí äëÿ îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé äî áëèæàéøèõ çâåçä, åñëè â êà÷åñòâå áàçèñà èñïîëüçîâàòü íå ðàäèóñ Çåìëè, à äèàìåòð çåìíîé îðáèòû. Îí ïîçâîëÿåò îöåíèòü ðàññòîÿíèå äî 100 ñâ. ëåò (ðèñ. 2.2, â). Ãîäè÷íûé ïàðàëëàêñ çâåçäû — ýòî óãîë (ê), íà êîòîðûé èçìåíèòñÿ íàïðàâëåíèå íà çâåçäó, åñëè íàáëþäàòåëü ïåðåìåñòèòñÿ èç öåíòðà Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû íà çåìíóþ îðáèòó â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ íà çâåçäó. Èíà÷å ãîâîðÿ, ýòî óãîë, ïîä êîòîðûì ñî çâåçäû âèäíà áîëüøàÿ ïîëóîñü çåìíîé îðáèòû, ðàñïîëîæåííàÿ ïåðïåíäèêóëÿðíî ëó÷ó çðåíèÿ (ðèñ. 2.2, ã). Ñ ãîäè÷íûì ïàðàëëàêñîì ñâÿçàíà è îñíîâíàÿ åäèíèöà èçìåðåíèÿ ðàññòîÿíèé ìåæäó çâåçäàìè — ïàðñåê (îò ïàðàëëàêñ è ñåêóíäà): 1 ïê = = 206 265 à. å. = 3,263 ñâ. ãîäà = 3,086 • 1016 ì. Òàê, áëèæàéøàÿ ê íàì çâåçäà Ïðîêñèìà Öåíòàâðà ïðè ÿ = 0,762" íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè 1,31 ïê, Àëüôà òîãî æå ñîçâåçäèÿ Öåíòàâðà ïðè ÿ = 0,751'' — íà ðàññòîÿíèè 1,33 ïê, à èçâåñòíàÿ çâåçäà Ñèðèóñ (Àëüôà Áîëüøîãî Ïñà) — 0,375" è 2,66 ïê, ñîîòâåòñòâåííî.
Õîòÿ äèàìåòð çåìíîé îðáèòû è ðàâåí 3-1011 ì, èç-çà îãðîìíîãî ðàññòîÿíèÿ äî çâåçä èçìåðÿòü óãëû äîñòàòî÷íî ñëîæíî. Íåáî ôîòîãðàôèðóþò îäíèì òåëåñêîïîì ÷åðåç ïîëãîäà. Ïðè íàëîæåíèè ôîòîãðàôèé èçîáðàæåíèÿ áîëüøèíñòâà çâåçä ñîâïàäóò äðóã ñ äðóãîì, íî äëÿ áëèæàéøèõ çâåçä îêàæóòñÿ ñìåùåííûìè. Îòíîøåíèå ýòîãî ìàëîãî ñìåùåíèÿ ê ôîêóñíîìó ðàññòîÿíèþ òåëåñêîïà äàñò òîò æå óãîë, ÷òî è îòíîøåíèå áàçèñà ê ðàññòîÿíèþ äî çâåçäû. Ñìåùåíèå èçîáðàæåíèÿ äëÿ áëèæàéøåé çâåçäû ðàâíî ïðèìåðíî 1" äëÿ ôîêóñíîãî ðàññòîÿíèÿ 10 ì è ñîñòàâèò íà ôîòîïëàñòèíêå 50 • 10-6 ì, èëè 50 ìêì, ÷òî ìîæíî èçìåðèòü òîëüêî ïîä ìèêðîñêîïîì. Áëèæàéøàÿ ê Ñîëíöó çâåçäà â ñîçâåçäèè Öåíòàâðà íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè 4,3 ñâ. ãîäà, â 272 000 ðàç äàëüøå, ÷åì Çåìëÿ îò Ñîëíöà.
52
Ðèñ. 2.2. Ìåòîä òðèàíãóëÿöèè:
à — îïðåäåëåíèå ðàññòîÿíèé äî êîðàáëÿ (ïî ïðåäëîæåíèþ Ôàëåñà); á — îïðåäåëåíèå ðàññòîÿíèÿ äî Ìàðñà (â åäèíèöàõ ðàäèóñà Çåìëè); â — îïðåäåëåíèå ðàññòîÿíèé äî áëèçêèõ çâåçä (ãîäè÷íûé ïàðàëëàêñ); ã — îïðåäåëåíèå ðàññòîÿíèé äî äàëåêèõ çâåçä (ãîäè÷íûé ïàðàëëàêñ). (1 à. å. = = 1,5 1011 ì)
Êîãäà íå áûëî ïðèáîðîâ äëÿ òî÷íîãî îïðåäåëåíèÿ óãëîâ, èñïîëüçîâàëè òàêîé ìåòîä. Åñëè èç äâóõ îäèíàêîâî ÿðêèõ òåë îäíî íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè â ÿ ðàç áîëüøåì, ÷åì äðóãîå, òî áëèçêîå òåëî êàæåòñÿ â ï2 ðàç ÿð÷å. Íàïðèìåð, Ñîëíöå â 106 ðàç â êâàäðàòå ÿð÷å Ñèðèóñà, ñëåäîâàòåëüíî, Ñèðèóñ â ìèëëèîí ðàç äàëüøå îò Çåìëè, ÷åì Ñîëíöå. ßðêîñòü äðóãèõ çâåçä ìîæíî ñðàâíèòü ïî òîìó æå ïðàâèëó ñ ÿðêîñòüþ Ñèðèóñà è ò.ä. Ñèðèóñ îòñòîèò îò íàñ íà ðàññòîÿíèè ïðèìåðíî 10 ñâ. ëåò.
53
Èç ðàñïðåäåëåíèÿ çâåçä ïî íåáó ñëåäóåò, ÷òî îíè îáðàçóþò êðóãîâîé äèñê â 105 ñâ. ëåò, òàê êàê ÿðêîñòü ñàìûõ ñëàáûõ çâåçä ïðèìåðíî â 108 ðàç ìåíüøå ÿðêîñòè Ñèðèóñà. Òîëùèíà ýòîãî äèñêà îêîëî 104 ñâ. ëåò. Ñðåäíåå ðàññòîÿíèå ìåæäó çâåçäàìè â Ãàëàêòèêå ïðèìåðíî 10 ñâ. ëåò, îòñþäà ñðåäíåå ÷èñëî çâåçä — 50 ìëðä. Êîãäà ìû ñìîòðèì â íàïðàâëåíèè öåíòðà Ãàëàêòèêè, âèäèì îãðîìíîå ñêîïëåíèå çâåçä — Ìëå÷íûé Ïóòü. Ñîëíöå íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè ïðèìåðíî â 2/3 îò öåíòðà äî êðàÿ Ãàëàêòèêè â îäíîì èç åå ðóêàâîâ. Îò ñëàáûõ çâåçä Ìëå÷íîãî Ïóòè ñâåò èäåò äî Çåìëè äåñÿòêè òûñÿ÷ ëåò — òàê äàëåêè îíè îò íàñ. Áîëüøèíñòâî çâåçä Ìëå÷íîãî Ïóòè íå âèäíî íåâîîðóæåííûì ãëàçîì, õîòÿ ìíîãèå èç íèõ ÿâëÿþòñÿ áåëûìè è ãîëóáîâàòî-áåëûìè ãèãàíòñêèìè çâåçäàìè, èçëó÷àþùèìè ýíåðãèè â äåñÿòêè òûñÿ÷ ðàç áîëüøå, ÷åì Ñîëíöå — òèïè÷íûé æåëòûé êàðëèê ñ òåìïåðàòóðîé ïîâåðõíîñòè 6000 Ê. Äëÿ çåìíîãî íàáëþäàòåëÿ ñïèðàëüíûå âåòâè ýêâàòîðèàëüíîãî ïîÿñà Ãàëàêòèêè ïðîåöèðóþòñÿ â âèäå ñâåòëîé ïîëîñû Ìëå÷íîãî Ïóòè, ñîñòàâëÿþùåãî îñíîâó Ãàëàêòèêè (îò ãðå÷. galaktikos— ìëå÷íûé, ìîëî÷íûé).
Äðóãèå ãàëàêòèêè âèäíû â òåëåñêîïû êàê íåáîëüøèå òóìàííûå ïÿòíà, èõ è íàçâàëè òóìàííîñòÿìè. Êàê îïðåäåëèòü ðàññòîÿíèÿ äî íèõ? Ïîëíàÿ ÿðêîñòü òóìàííîñòè Àíäðîìåäû ïðèìåðíî òàêàÿ æå, êàê è ó çâåçäû, ðàñïîëîæåííîé íà ðàññòîÿíèè 10 ñâ. ëåò. Ñ ïîìîùüþ ìîùíûõ òåëåñêîïîâ âûÿñíåíî, ÷òî â äðóãèõ ãàëàêòèêàõ ïðèáëèçèòåëüíî ñòîëüêî æå çâåçä, ñêîëüêî â Ìëå÷íîì Ïóòè. Çíà÷èò, ýòà òóìàííîñòü â 50 ìëðä ðàç ÿð÷å îòäåëüíîé çâåçäû Ãàëàêòèêè, è ðàññòîÿíèå äî íåå äîëæíî áûòü â ðàç áîëüøå, ÷åì äî îòäåëüíûõ çâåçä, ò.å. ïðîèçâåäåíèÿ ýòîãî ÷èñëà íà 10 ñâ. ëåò, èëè îêîëî 2 ìëí ñâ. ëåò. Ýòà ãðóáàÿ îöåíêà ïðèìåðíî ñîîòâåòñòâóåò òîìó, ÷òî äàþò äðóãèå ìåòîäû. Ðàññòîÿíèå îò Ãàëàêòèêè äî òóìàííîñòè Àíäðîìåäû â 20 ðàç áîëüøå äèàìåòðà Ãàëàêòèêè, ò. å. ñâåò, èäóùèé îò íåå è êîòîðûé ìû âèäèì ñåé÷àñ, ïîêèíóë ýòó Ãàëàêòèêó, êîãäà íà Çåìëå åùå íå áûëî ëþäåé, íî æèçíü óæå çàðîäèëàñü.
Ðàññòîÿíèÿ äî áëèæàéøèõ ãàëàêòèê îïðåäåëÿþò ìåòîäîì èçìåðåíèÿ ñðàâíèòåëüíîé ÿðêîñòè èñõîäÿ èç çàêîíà óáûâàíèÿ èíòåíñèâíîñòè òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòó ðàññòîÿíèÿ. Äëÿ áîëüøèõ ðàññòîÿíèé ïîäõîäÿùåãî áàçèñà óæå íå íàéòè, è ïîòîìó èñïîëüçóþò ñâîéñòâà ñâåòà è çàâèñèìîñòü ÷àñòîòû ñâåòà îò ñêîðîñòè èçëó÷àþùåãî îáúåêòà (ýôôåêò Äîïëåðà). Ýòè äàëåêèå ãàëàêòèêè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé îñòðîâíûå âñåëåííûå, êàæäàÿ èç êîòîðûõ ñîäåðæèò ìèëëèàðäû çâåçä.
Òàê êàê ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî èçâåñòíûõ íàì çâåçä ñëèøêîì äàëåêè, ÷òîáû ìåòîäîì ïàðàëëàêñà ìîæíî áûëî âû÷èñëèòü ðàññòîÿíèå äî íèõ, ïðèøëîñü ïðèäóìàòü èíûå ìåòîäû. Îäèí èç íèõ îñíîâàí íà èçó÷åíèè öåôåèä, ðàñïðîñòðàíåííîãî è î÷åíü âàæíîãî òèïà ôèçè÷åñêè ïåðåìåííûõ çâåçä. Öåôåèäû — ýòî íåñòàöèîíàðíûå ïóëüñèðóþùèå çâåçäû, êîòîðûå ïåðèîäè÷åñêè ðàçäóâàþòñÿ è ñæèìàþòñÿ, ìåíÿÿ ñâîé áëåñê. Ìåæäó ïåðèîäîì ïóëüñàöèé öåôåèä è èõ ñâåòèìîñòüþ ñóùåñòâóåò çàâèñèìîñòü, ïîëó÷èâøàÿ íàçâàíèå «ïåðèîä-ñâåòèìîñòü». Ïî íåé ìîæíî
54
îïðåäåëèòü ñâåòèìîñòü è âû÷èñëèòü ðàññòîÿíèå äî öåôåèäû, åñëè èç íàáëþäåíèÿ èçâåñòíû âèäèìûé áëåñê è ïåðèîä èçìåíåíèÿ áëåñêà öåôåèäû. Öåôåèäû âèäíû ñ áîëüøèõ ðàññòîÿíèé, è, îáíàðóæèâàÿ èõ â äàëåêèõ çâåçäíûõ ñèñòåìàõ, ìîæíî îïðåäåëÿòü ðàññòîÿíèå äî ýòèõ ñèñòåì.
 20-å ãã. XX â. àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ý. Õàááë ïî ôîòîãðàôèÿì òóìàííîñòè Àíäðîìåäû, ïîëó÷åííûì íà êðóïíåéøåì òåëåñêîïå òîãî âðåìåíè, èçìåðèë õàðàêòåðèñòèêè îòäåëüíûõ çâåçä è äàë íåñêîëüêî íåçàâèñèìûõ îöåíîê ðàññòîÿíèÿ äî íåå. Òàê îí äîêàçàë, ÷òî òóìàííîñòü Àíäðîìåäû íàõîäèòñÿ âíå Ìëå÷íîãî Ïóòè. Çàòåì Õàááë èññëåäîâàë Âñåëåííóþ äî îãðîìíîãî ðàññòîÿíèÿ — 500 ìëí ñâ. ëåò. Õîòÿ íå âñå îòêðûòûå òóìàííîñòè îêàçàëèñü ãàëàêòèêàìè, ó÷åíûé âûÿâèë â ýòîé îáëàñòè äî 100 ìëí äðóãèõ ãàëàêòèê.  íàñòîÿùåå âðåìÿ âî Âñåëåííîé îáíàðóæåíû ãàëàêòèêè ðàçíûõ òèïîâ, è èõ ÷èñëî ïðèìåðíî îêîëî 10 ìëðä.
 íàóêå ïðîèçâîäÿòñÿ êîëè÷åñòâåííûå ñðàâíåíèÿ, è ïîòîìó âàæíû èçìåðåíèÿ. Èçìåðåíèå — ýòî îïðåäåëåíèå íåèçâåñòíîé âåëè÷èíû èçâåñòíîé óñòàíîâëåííîé åäèíèöåé ìåðû. Îäíîðîäíîñòü è èçîòðîïíîñòü ïðîñòðàíñòâà îïðåäåëÿþò âîçìîæíîñòü èçìåðÿòü ðàññòîÿíèÿ ñ ïîìîùüþ åäèíîãî ýòàëîíà äëèíû. Ðàññòîÿíèåì ìåæäó äâóìÿ òî÷êàìè ïðèíÿòî íàçûâàòü äëèíó îòðåçêà, ñîåäèíÿþùåãî ýòè òî÷êè. Èçìåðåíèÿ ñ ïîìîùüþ ýòàëîíà òðåáóþò íåïîñðåäñòâåííîãî êîíòàêòà ñ òî÷êàìè, ìåæäó êîòîðûìè èçìåðÿåòñÿ ðàññòîÿíèå. Çà èñêëþ÷åíèåì ïðîñòåéøèõ ñëó÷àåâ èçìåðåíèé (ñ ïîìîùüþ ëèíåéêè èëè ðóëåòêè) òàêîé ñïîñîá îñíîâàí íà êèíåìàòèêå — ðàçäåëå ìåõàíèêè, äàþùåì ìàòåìàòè÷åñêîå îïèñàíèå âñåâîçìîæíûõ âèäîâ ìåõàíè÷åñêîãî äâèæåíèÿ áåçîòíîñèòåëüíî ê òåì ïðè÷èíàì, êîòîðûå îáåñïå÷èâàþò îñóùåñòâëåíèå êàæäîãî êîíêðåòíîãî âèäà äâèæåíèÿ.
Äëÿ èçìåðåíèé äëèíû â ôèçèêå ïîëüçóþòñÿ ìåòðè÷åñêîé ñèñòåìîé, êîòîðàÿ ñëîæèëàñü èñòîðè÷åñêè è ñâÿçàíà ñ ïåðèîäîì Âåëèêîé ôðàíöóçñêîé ðåâîëþöèè. Ïåðâîíà÷àëüíî ìåòð áûë îïðåäåëåí êàê îäíà äåñÿòèìèëëèîííàÿ äîëÿ ðàññòîÿíèÿ îò ýêâàòîðà äî Ñåâåðíîãî ïîëþñà âäîëü ìåðèäèàíà, ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç Ïàðèæ.  1889 ã. ìåòð îôèöèàëüíî áûë îïðåäåëåí êàê ðàññòîÿíèå ìåæäó äâóìÿ ïàðàëëåëüíûìè ìåòêàìè, íàíåñåííûìè íà ïëàòèíîèðèäèåâîì áðóñå. Îí õðàíèòñÿ â ñòðîãî îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ â Ìåæäóíàðîäíîì áþðî ìåð è âåñîâ â Ñåâðå, ïðèãîðîäå Ïàðèæà. Ñðàâíèòü äëèíó òåëà ñ ýòàëîííûì ìåòðîì ñ ïîãðåøíîñòüþ äî 2 • 10-7 ìîæíî ñ ïîìîùüþ ïðåöèçèîííîãî ìèêðîñêîïà. Ýòà òî÷íîñòü îïðåäåëÿåòñÿ òîëùèíîé ìåòîê.  1961 ã. â êà÷åñòâå ýòàëîíà äëèíû áûëà ïðèíÿòà äëèíà âîëíû â âàêóóìå îðàíæåâîãî ñâåòà, èñïóñêàåìîãî èçîòîïîì Êr-86.  òî÷íîñòè 1 ì ñîñòàâëÿåò 1 650 763,73 äëèíû âîëíû Êr-86.  1983 ã. íà XVII Ãåíóýçñêîé êîíôåðåíöèè ïî ìåðàì è âåñàì áûëî ïðèíÿòî íîâîå îïðåäåëåíèå ìåòðà: «Ìåòð — äëèíà ïóòè, ïðîõîäèìîãî ñâåòîì â âàêóóìå çà 1/299792458 äîëþ ñåêóíäû».
 ìèêðîìèðå ðàññòîÿíèÿ èçìåðÿþò ïðè ïîìîùè ÿâëåíèé äèôðàêöèè ïó÷êîâ ôîòîíîâ èëè äðóãèõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö íà êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòêàõ.  êà÷åñòâå ýòàëîíà â ýòîì
55
ñëó÷àå âûñòóïàåò äëèíà âîëíû, êîòîðàÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ ïîëîæåíèÿìè êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâîãî äóàëèçìà îïèñûâàåò ïîâåäåíèå ÷àñòèö â ïó÷êå.  ìèêðîìèðå èñïîëüçóþò åäèíèöû äëèíû 1 ìêì = = 10-6 ì; 1 íì = 10-9 ì. Äëèíà âîëíû êðàñíîãî öâåòà — 720 íì, à ôèîëåòîâîãî — 430 íì. Ðàçìåð ïûëèíêè 10-4 ì, äèàìåòð ìîëåêóëû ÄÍÊ 2 • 10-9 ì, àòîìà âîäîðîäà 3 • 10-11 ì.
2.3. Ïîíÿòèå «âðåìÿ» â ñâîåì ðàçâèòèè
Âðåìÿ, êàê è ïðîñòðàíñòâî, èìååò îáúåêòèâíûé õàðàêòåð. Îíè íåîòäåëèìû îò ìàòåðèè, ñâÿçàíû ñ åå äâèæåíèåì è äðóã ñ äðóãîì. Ïî âûðàæåíèþ È. Ïðèãîæèíà, «äëÿ áîëüøèíñòâà îñíîâàòåëåé êëàññè÷åñêîé íàóêè (è äàæå À. Ýéíøòåéíà) íàóêà áûëà ïîïûòêîé âûéòè çà ðàìêè ìèðà íàáëþäàåìîãî, äîñòè÷ü âíåâðåìåííîãî ìèðà âûñøåé ðàöèîíàëüíîñòè — ìèðà Ñïèíîçû». Ôàêòè÷åñêè âñå êàðòèíû ìèðà, ðîæäåííûå òî÷íîé íàóêîé, îñâîáîæäåíû îò ðàçâèòèÿ, «îòðèöàþò âðåìÿ».
Ïîíèìàíèå âðåìåíè, óâëåêàþùåãî ìèð â íåïðåðûâíîå äâèæåíèå, íàèáîëåå ÿðêî âûðàçèë Ãåðàêëèò (îê. 530 — 470 äî í.ý.): «Â îäíó ðåêó íåëüçÿ âîéòè äâàæäû», «Âñå òå÷åò, âñå èçìåíÿåòñÿ», «Ìèð ÿâëÿåòñÿ ñîâîêóïíîñòüþ ñîáûòèé, à íå âåùåé». Çàêîíû ïðèðîäû íåèçìåííû, îíè ñîõðàíÿþòñÿ â ëþáîì ìåñòå è â ëþáîå âðåìÿ. Ó Ïðîêëà (îê. 412 — 485) äëÿ áîëüøåé ñòðîãîñòè ê ïîíÿòèþ âðåìåíè ïðèìåíåíû ãåîìåòðè÷åñêèå ðàññóæäåíèÿ: «Âðåìÿ íå ïîäîáíî ïðÿìîé ëèíèè, áåçãðàíè÷íî ïðîäîëæàþùåéñÿ â îáîèõ íàïðàâëåíèÿõ. Îíî îãðàíè÷åíî è îïèñûâàåò îêðóæíîñòü. Äâèæåíèå âðåìåíè ñîåäèíÿåò êîíåö ñ íà÷àëîì, è ýòî ïðîèñõîäèò áåñ÷èñëåííîå ÷èñëî ðàç. Áëàãîäàðÿ ýòîìó âðåìÿ áåñêîíå÷íî». Ïëàòîí (îê. 428 — 347 äî í. ý.) ïèñàë: «Ïîñêîëüêó äåíü è íî÷ü, êðóãîâîðîòû ìåñÿöåâ è ëåò, ðàâíîäåíñòâèÿ è ñîëíöåñòîÿíèÿ çðèìû, ãëàçà îòêðûëè íàì ÷èñëî, äàëè ïîíÿòèå î âðåìåíè è ïîáóäèëè èññëåäîâàòü ïðèðîäó Âñåëåííîé». Àðõèìåä â òðàêòàòå «Î ñïèðàëè» ïîêàçûâàë, ÷òî ñïèðàëü ñîåäèíÿåò öèêëè÷íîñòü ñ ïîñòóïàòåëüíûì äâèæåíèåì. Ìîæåò áûòü, ñïèðàëü ïîäîéäåò äëÿ íàãëÿäíîãî îáðàçà âðåìåíè, ñîåäèíèâ ïîòîê è îêðóæíîñòü?! Óçîð èç ñïèðàëè ñ ñîëíöàìè áûë íàéäåí íà îñòàòêàõ êóâøèíîâ íåîëèòà è íà äðåâíåì êàëåíäàðå — æåçëå èç áèâíÿ ìàìîíòà, îáíàðóæåííîì íåäàâíî â Âîñòî÷íîé Ñèáèðè. Àðõåîëîãè èñòîëêîâûâàþò ýòè óçîðû êàê îòîáðàæåíèå èäåè Âðåìåíè.
Ïåðâóþ ôèçè÷åñêóþ òåîðèþ âðåìåíè äàë Íüþòîí: «Àáñîëþòíîå, èñòèííîå ìàòåìàòè÷åñêîå âðåìÿ, ñàìî ïî ñåáå è ïî ñàìîé ñâîåé ñóùíîñòè, áåç âñÿêîãî îòíîøåíèÿ ê ÷åìó-ëèáî âíåøíåìó, ïðîòåêàåò ðàâíîìåðíî è èíà÷å íàçûâàåòñÿ äëèòåëüíîñòüþ». Àáñîëþòíîå âðåìÿ — èäåàëüíàÿ ìåðà äëèòåëüíîñòè âñåõ ìåõàíè÷åñêèõ ïðîöåññîâ. Êàê íå íàáëþäàåìî èñòèííî ðàâíîìåðíîå äâèæåíèå, òàê è èçìåðèòü âðåìÿ ìîæíî, òîëüêî ïðèáëèæàÿñü ê èñòèííîìó, ìàòåìàòè÷åñêîìó, âõîäÿùåìó â óðàâíåíèÿ. Àáñîëþòíîå âðåìÿ îäíîðîäíî, ýòî îçíà÷àåò ñèììåòðèþ îòíîñèòåëüíî
56
ñäâèãîâ. Çíà÷èò, è òî÷êà îòñ÷åòà âðåìåíè íå èìååò çíà÷åíèÿ, îíà íå ìåíÿåò äëèòåëüíîñòü. Òî æå ìîæíî ñêàçàòü è î ïðîñòðàíñòâåííûõ ñèììåòðèÿõ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè.  ïðîñòðàíñòâå íåò âûäåëåííûõ íè òî÷åê, íè íàïðàâëåíèé, ò. å. îíî îäíîðîäíî è èçîòðîïíî. Íüþòîí íå òîëüêî èñêëþ÷èë âðåìÿ èç ñâîåé êàðòèíû Âñåëåííîé, íî è óòâåðäèë åãî â ñîçíàíèè êàê âíåøíèé ïàðàìåòð. Ñòàëî âîçìîæíûì ðàññìàòðèâàòü íåïðåðûâíûå ïåðèîäè÷åñêèå ïðîöåññû ðàâíîé äëèòåëüíîñòè äëÿ ïîñòðîåíèÿ ìîäåëè, ëåãêî ââîäèòü ìåòðèêó âðåìåíè. Ýòî ïîçâîëèëî ïîñòðîèòü âñþ ñèñòåìó ìèðà, ïîäòâåðäèòü âïå÷àòëÿþùèå ïðåäñêàçàíèÿ òåîðèè Íüþòîíà äëÿ Âñåëåííîé.
Íåïðåðûâíîñòü âðåìåíè îçíà÷àåò, ÷òî ìåæäó äâóìÿ ìîìåíòàìè âðåìåíè, êàê áëèçêî áû îíè íå ðàñïîëàãàëèñü, âñåãäà ìîæíî âûäåëèòü òðåòèé. (Ñåãîäíÿ íåò äîñòàòî÷íûõ îñíîâàíèé, ÷òîáû ãîâîðèòü î äèñêðåòíîñòè âðåìåíè.) Îñîáûì ñâîéñòâîì âðåìåíè ÿâëÿåòñÿ åãî îäíîíàïðàâëåííîñòü èëè íåîáðàòèìîñòü. Ýòî ñâîéñòâî âðåìåíè ðàññìàòðèâàþò êàê ñëåäñòâèå âòîðîãî Íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè, èëè Çàêîíà âîçðàñòàíèÿ ýíòðîïèè.  êëàññè÷åñêîé ôèçèêå ñóùåñòâóåò àáñîëþòíîå, «âñåëåíñêîå âðåìÿ». Ã.Ëåéáíèö ñ÷èòàë âðåìÿ îòíîñèòåëüíûì, «ïîðÿäêîì ïîñëåäîâàòåëüíîñòåé». Íî â ñîâðåìåííîé ôèçèêå íå ñóùåñòâóåò åäèíîãî «âñåìèðíîãî» õîäà âðåìåíè.  áèîëîãèè è ãåîëîãèè âðåìÿ ðàññìàòðèâàëè èíà÷å. Òàê, îñíîâîïîëîæíèê ãåîëîãèè äàò÷àíèí Í.Ñòåíñåí ñòðîèë ïðîñòðàíñòâåííûå îòíîøåíèÿ íå íà îñíîâå äâèæåíèÿ èëè ïåðåìåùåíèÿ òåë â íåì, à ñ òî÷êè çðåíèÿ âðåìåííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè «ðàíüøå — ïîçæå». Ýòîò ïîäõîä åñòåñòâåí äëÿ ãåîëîãà, ðàññìàòðèâàþùåãî èñòîðèþ ïëàíåòû ÷åðåç íàñëîåíèÿ â êàìíå.
Ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííîé êîíòèíóóì — íîâîå ñðåäñòâî õàðàêòåðèñòèêè ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé, èñïîëüçóÿ êîòîðîå äëÿ îïèñàíèÿ ñîáûòèé â ïðèðîäå íóæíî ïðèìåíÿòü íå äâà, à ÷åòûðå ÷èñëà, äàëà ÑÒÎ. Ñ òî÷êè çðåíèÿ Ýéíøòåéíà, ôèçè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî, ïîñòèãàåìîå ÷åðåç îáúåêòû è èõ äâèæåíèÿ, èìååò òðè èçìåðåíèÿ è ïîëîæåíèå îáúåêòîâ õàðàêòåðèçóåòñÿ òðåìÿ ÷èñëàìè. Ìîìåíò ñîáûòèÿ — ÷åòâåðòîå ÷èñëî. Ïîòîìó ìèð ñîáûòèé åñòü ÷åòûðåõìåðíûé êîíòèíóóì. Ó Ýéíøòåéíà íå èìååò ñìûñëà äåëåíèå ýòîãî ìèðà íà âðåìÿ è ïðîñòðàíñòâî, ïîñêîëüêó îïèñàíèå ìèðà ñîáûòèé «ïîñðåäñòâîì ñòàòè÷åñêîé êàðòèíû íà ôîíå ÷åòûðåõìåðíîãî ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííîãî êîíòèíóóìà» áîëåå óäîáíî è îáúåêòèâíî. Èçìåðåííîå çíà÷åíèå âðåìåíè îêàçàëîñü çàâèñèìûì îò äâèæåíèÿ íàáëþäàòåëåé.
Âðåìÿ äëÿ äâèæóùåãîñÿ íàáëþäàòåëÿ òå÷åò ìåäëåííåå, ÷åì
äëÿ íåïîäâèæíîãî: Ýòîò ýôôåêò çàìåäëåíèÿ
ìîæåò áûòü çàìåòåí ëèøü äëÿ ñêîðîñòåé, ñðàâíèìûõ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà â âàêóóìå ñ. Ïî âûðàæåíèþ Âåðíàäñêîãî, ÑÒÎ «îòðèöàëà òîëüêî íåçàâèñèìîå îò ïðîñòðàíñòâà, àáñîëþòíîå âðåìÿ,
57
íî íå ïðèäàâàëà åìó íèêàêèõ íîâûõ ñâîéñòâ — ïðèíèìàëà åãî òåì æå èçîòðîïíûì, àìîðôíûì âðåìåíåì, êàêèì ïîíèìàë åãî Íüþòîí». Òàêèì îáðàçîì, òðàäèöèÿ êëàññè÷åñêîé ôèçèêè ñîõðàíåíà.
Îáñóäèì ÿâëåíèå, èçâåñòíîå êàê «ïàðàäîêñ áëèçíåöîâ». Ïóñòü, íàïðèìåð, À. è Â. — áëèçíåöû. Â. óëåòàåò ñ áîëüøîé ñêîðîñòüþ â äàëåêîå êîñìè÷åñêîå ïóòåøåñòâèå, À. îñòàåòñÿ íà Çåìëå. ×åðåç êàêîå-òî âðåìÿ Â. âîçâðàùàåòñÿ è îêàçûâàåòñÿ ìîëîæå À. Åñëè v— ñêîðîñòü, ñ êîòîðîé ïóòåøåñòâîâàë Â., à τ0 — âðåìÿ, êîòîðîå ïðîøëî íà Çåìëå çà âðåìÿ åãî ïóòåøåñòâèÿ, òî âðåìÿ, êîòîðîå ïðîøëî íà áîðòó åãî êîðàáëÿ
, ãäå ñ = 3 • 108 ì/ñ — ñêîðîñòü ñâåòà â âàêóóìå. È ÷åì áîëüøå ñêîðîñòü v, òåì çíà÷èòåëüíåå áóäåò ðàçíèöà. Ïðè÷åì òîò, êòî ïî÷óâñòâîâàë óñêîðåíèå, òîò è îêàæåòñÿ ìîëîæå. Íàïðèìåð, ñîáñòâåííîå âðåìÿ æèçíè π+-ìåçîíà ñîñòàâëÿåò 2,5 • 10-8 ñ. Åñëè áû íå áûëî ðåëÿòèâèñòñêîãî çàìåäëåíèÿ âðåìåíè, òî äî ðàñïàäà òàêàÿ ÷àñòèöà ïðîõîäèëà áû â ñðåäíåì ðàññòîÿíèå (2,5 10"8 ñ) • (3 • 108 ì/ñ) ≈ 7 ì. Íî, êàê ïîêàçûâàåò îïûò, ïðîâåäåííûé íà óñêîðèòåëÿõ, ýòè ÷àñòèöû ñïîñîáíû ïðîõîäèòü çíà÷èòåëüíî áîëüøèå ðàññòîÿíèÿ, åñëè èõ ñêîðîñòü ñðàâíèìà ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà. Ïîýòîìó âñåãäà íåîáõîäèìî óòî÷íÿòü, îòíîñèòåëüíî êàêîãî òåëà è ñâÿçàííîé ñ íèì ñèñòåìû êîîðäèíàò îíî ðàññìàòðèâàåòñÿ.
Çàäåðæêà âðåìåíè, ïðåäñêàçàííàÿ ÑÒÎ, ïîäòâåðæäàåòñÿ μ-ìåçîíàìè, ðàñïàäàþùèìèñÿ âî âðåìÿ ïîëåòà ê Çåìëå îò ìåñòà âîçíèêíîâåíèÿ â âåðõíèõ ñëîÿõ àòìîñôåðû. Ýòî ïîêàçûâàþò äåòåêòîðû, óñòàíîâëåííûå íà âîçäóøíûõ øàðàõ, íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè è â øàõòàõ (ðèñ. 2.3, à). Ñîãëàñíî ÑÒÎ, ñ óâåëè÷åíèåì îòíîñèòåëüíîé ñêîðîñòè, êðîìå çàìåäëåíèÿ âðåìåíè, óìåíüøàþòñÿ ëèíåéíûå ðàçìåðû òåë âäîëü íàïðàâëåíèÿ äâèæåíèÿ è óâåëè÷èâàåòñÿ ìàññà (L0è Ì0 — ëèíåéíûå ðàçìåðû è ìàññà òåëà â ñîñòîÿíèè
ïîêîÿ):
Ñâîéñòâà ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè â ÎÒÎ çàâèñÿò îò ðàñïðåäåëåíèÿ òÿãîòåþùèõ ìàññ, è äâèæåíèå òåë îïðåäåëÿåòñÿ êðèâèçíîé ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè (ðèñ. 2.3, á, â). Íî âëèÿíèå ìàññ ñêàçûâàåòñÿ òîëüêî íà ìåòðè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ÷àñîâ, òàê êàê ìåíÿåòñÿ ëèøü ÷àñòîòà ïðè ïåðåõîäå ìåæäó òî÷êàìè ñ ðàçíûìè ãðàâèòàöèîííûìè ïîòåíöèàëàìè. Èëëþñòðàöèåé îòíîñèòåëüíîãî õîäà âðåìåíè, ïî ìíåíèþ Ýéíøòåéíà, ìîãëî áû ñòàòü îáíàðóæåíèå ïðîöåññîâ âáëèçè ïðåäñêàçàííûõ èì ÷åðíûõ äûð.
À. Ýéíøòåéí â ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíàõ ôèçèêè íå äîïóñêàë íåîáðàòèìîñòè, åãî áåñïîêîèëà íàïðàâëåííîñòü âðåìåíè, ñâÿçàííàÿ ñî âòîðûì íà÷àëîì òåðìîäèíàìèêè. Õîòÿ ðåøåíèå, ñîîòâåòñòâóþùåå íåñòàöèîíàðíîé Âñåëåííîé, ïîëó÷åííîå À.À.Ôðèäìàíîì èç åãî êîñìîëîãè÷åñêèõ óðàâíåíèé, ïîçäíåå áûëî ïîäòâåðæäåíî íàëè÷èåì êðàñíîãî ñìåùåíèÿ â ñïåêòðàõ äàëåêèõ ãàëàêòèê, óñòàíîâëåííîãî Ý. Õàááëîì, Ýéíøòåéí ñ÷èòàë ãèïîòåçó âçðûâàþùåéñÿ Âñåëåííîé âðåìåííîé è îòíîñèëñÿ ê íåé ñ íåäîâåðèåì.  60—80-å ãã. XX â. îòíîøåíèå ê ýâîëþöèîííûì ïðîöåññàì
58
ñòàëî ìåíÿòüñÿ, ìèð ïðåäñòàë ñóùåñòâåííî íåëèíåéíûì ñ íåîáðàòèìûìè ïðîöåññàìè â ñâîåé îñíîâå. Ïîýòîìó è âðåìåíè â íîâîé ýâîëþöèîííîé êàðòèíå ìèðà óãîòîâàíà èíàÿ ðîëü.
Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ìîìåíòà ïðîèçîøåäøåãî ñîáûòèÿ îáû÷íî äîñòàòî÷íî îäíîãî èçìåðåíèÿ, óêàçàíèÿ òîëüêî îäíîãî ÷èñëà. Òàêîå âîñïðèÿòèå âðåìåíè íàñòîëüêî ïðèâû÷íî, ÷òî áîëüøåå ÷èñëî èçìåðåíèé äëÿ âðåìåíè òðóäíî âîîáðàçèòü. Íî íàáëþäàåìûå ñîáûòèÿ ïðîèñõîäÿò îò ïðîøëîãî ê áóäóùåìó. È ýòî êà÷åñòâåííî îòëè÷àåò âðåìåííîå èçìåðåíèå îò ïðîñòðàíñòâåííîãî, ïðè÷åì äëÿ ëþáîãî íàáëþäàòåëÿ â äàííîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà ïîñëåäîâàòåëü-
59
íîñòü ñîáûòèé ñîõðàíÿåòñÿ. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî ïîíÿòèÿ «ïðîøëîå» è «áóäóùåå» â äàííîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà åñòü ïîíÿòèÿ àáñîëþòíûå. Äëÿ ïðîñòðàíñòâåííûõ îñåé íåò òàêîãî âûäåëåíèÿ íàïðàâëåíèé, è ïîâîðîò íà 180° âîêðóã îñè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé ëèíèè, êîòîðàÿ ñîåäèíÿåò äâà îäíîâðåìåííûõ ñîáûòèÿ, ïåðåâîäèò ïðîèñõîäÿùåå ñëåâà îò íàáëþäàòåëÿ ñîáûòèå â ïðàâîå. Òî åñòü ïîíÿòèÿ «ïðàâîå» è «ëåâîå» îòíîñèòåëüíû äëÿ îäíîâðåìåííûõ ñîáûòèé. Íàïðàâëåííîñòü âðåìåíè òåñíî ñâÿçàíà ñ ïîíèìàíèåì ïðè÷èííîñòè: ïðè÷èíà äîëæíà ïðåäøåñòâîâàòü ñëåäñòâèþ. Ýòî ñâîéñòâî âðåìåíè îòíîñèòñÿ ê êëàññó íåðåøåííûõ ïðîáëåì â ôèçèêå è âî âñåì åñòåñòâîçíàíèè, â äàëüíåéøåì ìû óáåäèìñÿ, ÷òî ïî ýòîé ïðè÷èíå â íàóêå ñóùåñòâóåò ðÿä ïàðàäîêñàëüíûõ ñèòóàöèé.
2.4. Âðåìåííûå ìàñøòàáû âî Âñåëåííîé. Ìåòîäû èçìåðåíèÿ âðåìåíè
Èñòîðèÿ ÷åëîâå÷åñòâà — îò ïîÿâëåíèÿ ïåðâîáûòíîãî ÷åëîâåêà äî íàøèõ äíåé — êàæåòñÿ (âåñüìà è âåñüìà óñëîâíî) òî÷êîé íà ôîíå ìèðîâîé ýâîëþöèè. Î÷åâèäíî, ÷òî âîïðîñ «êîãäà?» ñâÿçàí ñ âîïðîñîì «ãäå?». Ïî Ïëàòîíó, ìèð ñîâåðøåíåí è ïîòîìó äîëæåí áûòü íåèçìåííûì. Òîãäà áû âîïðîñ î âðåìåíè íå èìåë ñìûñëà, òàê êàê íå áûëî áû íà÷àëà îòñ÷åòà. Íà ñîâðåìåííîì óðîâíå ðàçâèòèÿ íàóêè ïðåäñòàâëÿåòñÿ, ÷òî ñ÷åò âðåìåíè Âñåëåííîé íà÷àò ñ ñîáûòèÿ, ïðîèçîøåäøåãî ïî÷òè 15 ìëðä ëåò íàçàä, ïîñëå êîòîðîãî Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ. Âðåìÿ èçìåðÿþò ïóòåì íàáëþäåíèÿ çà ïåðèîäè÷åñêè ïîâòîðÿþùèìèñÿ ïðîöåññàìè.
Ñóòêè áûëè ïåðâîé åñòåñòâåííîé åäèíèöåé ìåðû âðåìåíè, ðåãóëèðîâàâøåé òðóä è îòäûõ. Ñíà÷àëà ñóòêè äåëèëè íà íî÷ü è äåíü è òîëüêî ìíîãî ïîçæå — íà 24 ÷àñà. Ñåé÷àñ ïîíÿòíî, ÷òî ïåðèîäè÷åñêàÿ ñìåíà äíÿ è íî÷è ïðîèñõîäèò èç-çà âðàùåíèÿ Çåìëè âîêðóã ñâîåé îñè. Åñòü äâà âèäà ñîëíå÷íîãî âðåìåíè — èñòèííîå è ñðåäíåå ñîëíå÷íîå. Ïðîìåæóòîê âðåìåíè ìåæäó äâóìÿ ïîñëåäîâàòåëüíûìè êóëüìèíàöèÿìè öåíòðà Ñîëíöà íà îäíîì è òîì æå ìåðèäèàíå, ðàâíûé ïåðèîäó âðàùåíèÿ Çåìëè, íàçûâàþò èñòèííûìè ñîëíå÷íûìè ñóòêàìè. Íî èçìåðÿòü èìè âðåìÿ òîæå íåóäîáíî, îíè â èþíå êîðî÷å íà 51 ñ, ÷åì â ÿíâàðå. Äåëî â òîì, ÷òî Çåìëÿ äâèæåòñÿ ïî îðáèòå âîêðóã Ñîëíöà íåðàâíîìåðíî: âáëèçè ïåðèãåëèÿ (â ÿíâàðå) åå ñêîðîñòü íàèáîëüøàÿ, à âáëèçè àôåëèÿ (â èþíå) — íàèìåíüøàÿ (âòîðîé çàêîí Êåïëåðà). Ïîòîìó è èñòèííûå ñîëíå÷íûå ñóòêè íåïîñòîÿííû (ðèñ. 2.4), è âìåñòî íèõ èñïîëüçóþò ñóòêè, ðàâíûå ñðåäíåé äëèíå èñòèííûõ ñîëíå÷íûõ ñóòîê çà ãîä. Êðîìå òîãî, èç-çà äâèæåíèÿ Ñîëíöà ïî ýêëèïòèêå ïðîèñõîäèò âèäèìîå ãîäè÷íîå äâèæåíèå Ñîëíöà ñ çàïàäà íà âîñòîê, ò.å. â íàïðàâëåíèè ïðîòèâ âðàùåíèÿ. Ââåëè ïîíÿòèå ñðåäíåãî Ñîëíöà, çâåçäíûõ ñóòîê è çâåçäíîãî âðåìåíè.
60
Çâåçäíûå ñóòêè îïðåäåëÿþòñÿ ïåðèîäîì âðàùåíèÿ Çåìëè âîêðóã ñâîåé îñè îòíîñèòåëüíî ëþáîé çâåçäû. Íî çâåçäû òîæå èìåþò ñîáñòâåííûå äâèæåíèÿ. Óñëîâèëèñü îïðåäåëÿòü äëèòåëüíîñòü çâåçäíûõ ñóòîê êàê ïðîìåæóòîê âðåìåíè ìåæäó äâóìÿ ïîñëåäîâàòåëüíûìè êóëüìèíàöèÿìè òî÷êè âåñåííåãî ðàâíîäåíñòâèÿ, íàõîäÿùåéñÿ íà îäíîì è òîì æå ìåðèäèàíå. Îêàçàëîñü, ÷òî èç-çà ïðåöåññèè ñðåäíèå çâåçäíûå ñóòêè óìåíüøàþòñÿ íà 0,0084 ñ, è îíè íà 3 ìèí 56 ñ êîðî÷å ñðåäíèõ ñîëíå÷íûõ. Çâåçäíîå âðåìÿ î÷åíü âàæíî â àñòðîíîìèè, îíî îïðåäåëÿåò ïîëîæåíèå ñâåòèë, à â îáûäåííîé æèçíè èñïîëüçóåòñÿ ñîëíå÷íîå âðåìÿ. È çà ñðåäíþþ åäèíèöó ñîëíå÷íûõ ñóòîê ïðèíÿëè 24 ÷ 3 ìèí 56,5554 ñ çâåçäíîãî âðåìåíè. Èçìåðåíèå ñîëíå÷íîãî âðåìåíè îñíîâàíî íà âèäèìîì ñóòî÷íîì äâèæåíèè Ñîëíöà.
Èñòèííûé ïîëäåíü íàñòóïàåò íà ðàçíûõ ìåðèäèàíàõ Çåìëè â ðàçíîå âðåìÿ, è äëÿ óäîáñòâà ïðèíÿòî ñîãëàøåíèå (ïî èäåå êàíàäñêîãî ó÷åíîãî Ñ.Ôëåøèíãà) î äåëåíèè çåìíîãî øàðà íà ÷àñîâûå ïîÿñà, êîòîðûå ïðîõîäÿò ÷åðåç 15 ãðàäóñîâ ïî äîëãîòå, íà÷èíàÿ ñ ìåðèäèàíà Ãðèíâè÷à. Ýòî — Ëîíäîíñêèé ìåðèäèàí íóëåâîé äîëãîòû, è ïîÿñ íàçâàí íóëåâûì (çàïàäíîåâðîïåéñêèì), âðåìÿ 1-ãî ÷àñîâîãî ïîÿñà (Ðèì, Áåðëèí, Îñëî) — ñðåäíååâðîïåéñêèì, à 2-ãî — âîñòî÷íîåâðîïåéñêèì. Âñåãî ÷àñîâûõ ïîÿñîâ — 24, âíóòðè êàæäîãî ïîÿñà âðåìÿ ïðèíèìàåòñÿ îäèíàêîâûì — ñðåäíåïîÿñíûì. Íî òåððèòîðèàëüíîå äåëåíèå íå ñîâïàäàåò ñ äåëåíèåì íà ÷àñîâûå ïîÿñà, è ÷àñòî èõ ïðîâîäÿò ïðèáëèçèòåëüíî ïî ðåêàì èëè àäìèíèñòðàòèâíûì ãðàíèöàì. Ïðèìåðíî íà 180-ãðàäóñíîì ìåðèäèàíå ïðîèñõîäèò ïî äîãîâîðó ëèíèÿ ïåðåìåíû äàò, ò. å. äåíü íà÷èíàåòñÿ â ßïîíèè è íà Êàì÷àòêå, ïîòîì â Ñèáèðè, Êèòàå è Àâñòðàëèè, çàòåì â Åâðîïå è Àôðèêå, ïîòîì — â Àìåðèêå è çàêàí÷èâàåòñÿ íà Àëÿñêå. Ïðè ïåðåñå÷åíèè ëèíèè èçìåíåíèÿ äàò íà ñàìîëåòå â âîñòî÷íîì íàïðàâëåíèè îäíî è òî æå ÷èñëî ïðèïèñûâàåòñÿ äâóì äíÿì, à â çàïàäíîì — îäèí äåíü òåðÿåòñÿ. Êðîìå òîãî, â ðÿäå ñòðàí óêàçàìè ââîäÿò ÷àñîâîé ñäâèã — ïåðåõîä
61
íà çèìíåå èëè ëåòíåå âðåìÿ. Ñîãëàñîâàííîå ðåøåíèå î ââåäåíèè ïîÿñíîãî âðåìåíè ïðèíÿëè íà Ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè â 1883 ã.  íàøåé ñòðàíå, ïðîñòèðàþùåéñÿ íà 11 ÷àñîâûõ ïîÿñîâ, ïîÿñíîå âðåìÿ ââåëè â 1919 ã., âçÿâ çà îñíîâó ìåæäóíàðîäíóþ ñèñòåìó ÷àñîâûõ ïîÿñîâ è ñóùåñòâîâàâøèå òîãäà àäìèíèñòðàòèâíûå ãðàíèöû. Çàòåì áûëè íåêîòîðûå èçìåíåíèÿ.
Ñåêóíäà — îáùåïðèíÿòàÿ åäèíèöà âðåìåíè, ïðèìåðíî ñ ïåðèîäîì 1 ñ áüåòñÿ ïóëüñ ÷åëîâåêà. Èñòîðè÷åñêè ýòà åäèíèöà ñâÿçàíà ñ äåëåíèåì ñóòîê íà 24 ÷, 1 ÷ — íà 60 ìèí, 1 ìèí — íà 60 ñ. Äî 1964 ã. ìåæäóíàðîäíàÿ åäèíèöà âðåìåíè áûëà îñíîâàíà íà ñóòî÷íîì âðàùåíèè Çåìëè. Íî ïðîäîëæèòåëüíîñòü ñóòîê îêàçàëàñü ïîäâåðæåííîé ðàçíûì âàðèàöèÿì è çàâèñÿùåé îò ïîëîæåíèÿ Çåìëè íà îðáèòå ïðè åå äâèæåíèè âîêðóã Ñîëíöà. Èçìåíåíèÿ ñêîðîñòè âðàùåíèÿ íà ïðîòÿæåíèè ãîäà ñîñòàâëÿþò îêîëî 10-8 ñ. Ïîýòîìó çà ñòàíäàðò áûëè âûáðàíû ñðåäíèå ñîëíå÷íûå ñóòêè 1900 ã. Íî ñîëíå÷íûå ñóòêè ïðèìåðíî íà 4 ìèí äëèííåå çâåçäíûõ, ò. å. âðåìåíè ïîâîðîòà íà 360°. Ê 1971 ã. â ðåçóëüòàòå íàêîïëåíèÿ îòêëîíåíèé ðàçíèöà äîñòèãëà ïîëìèíóòû, ïîýòîìó â åäèíèöó èçìåðåíèÿ âðåìåíè äîëæíû áûòü âíåñåíû ñîîòâåòñòâóþùèå ïîïðàâêè.
Ïîòðåáíîñòü â ÷àñàõ ñ áîëåå âûñîêîé òî÷íîñòüþ õîäà áûëà âûçâàíà ðàçâèòèåì ýêñïåðèìåíòàëüíîãî åñòåñòâîçíàíèÿ.  XVII â. àñòðîíîìû ïðîäîëæàëè ïîëüçîâàòüñÿ âîäÿíûìè è ïåñî÷íûìè ÷àñàìè: Íüþòîí çàíèìàëñÿ óñîâåðøåíñòâîâàíèåì âîäÿíûõ ÷àñîâ; Òèõî Áðàãå ïîëüçîâàëñÿ ïåñî÷íûìè èëè ðòóòíûìè ÷àñàìè, ïîñêîëüêó ìåõàíè÷åñêèå ÷àñû íå äàâàëè íóæíîé òî÷íîñòè; Ãàëèëåé ïðîâîäèë ñâîè îïûòû ñ ïàäåíèåì òåë ïðè ïîìîùè âîäÿíûõ ÷àñîâ. Ãàëèëåé è Ãþéãåíñ ñ÷èòàþòñÿ èçîáðåòàòåëÿìè ìàÿòíèêîâûõ ÷àñîâ. Ýòî èçîáðåòåíèå íå òîëüêî îòêðûëî íîâóþ ýïîõó â õðîíîìåòðèè, íî è èìåëî äàëåêî èäóùèå ïîñëåäñòâèÿ äëÿ ðàçâèòèÿ íàóêè. Ãàëèëåé îáíàðóæèë èçîõðîííîñòü êîëåáàíèé ìàÿòíèêà, è ïîèñê êîëåáàòåëüíûõ äèíàìè÷åñêèõ ñèñòåì ïðèâåë ê áîëåå òî÷íûì ñòàíäàðòàì â èçìåðåíèè âðåìåíè.  ÷åñòü èçîáðåòåíèÿ ìàÿòíèêîâûõ ÷àñîâ XVIII â. ÷àñòî íàçûâàþò «âåêîì ÷àñîâ».
Åñëè ìàÿòíèêîâûå ÷àñû ìîãëè îáåñïå÷èòü òî÷íîñòü õîäà 0,1 ñ, òî ê íà÷àëó XX â. ïðèìåíåíèå ñâîáîäíîãî àíêåðíîãî õîäà ïîâûñèëî òî÷íîñòü ìàÿòíèêîâûõ ÷àñîâ íà ïîðÿäîê. Èñïîëüçîâàíèå ñðåäñòâ ýëåêòðîòåõíèêè è äâóõ ìàÿòíèêîâ ïîçâîëèëî ïîâûñèòü òî÷íîñòü àñòðîíîìè÷åñêèõ ÷àñîâ â 1921 ã. äî 0,001 ñ. Ïðèìåíåíèå îñîáî ïðî÷íûõ ñïëàâîâ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ïðóæèí ïîçâîëèëî ïîâûñèòü òî÷íîñòü è áûòîâûõ ÷àñîâ. Íàèáîëüøèé ïðîãðåññ â ïîâûøåíèè òî÷íîñòè õîäà (íà 2—3 ïîðÿäêà) áûë äîñòèãíóò ïðè èñïîëüçîâàíèè ýëåêòðîííîé ñõåìû â ñî÷åòàíèè ñ íîâûìè îñöèëëÿòîðàìè — êâàðö, êàìåðòîí, àòîì, ìîëåêóëà. Èçîáðåòåíèå è óñîâåðøåíñòâîâàíèå êâàðöåâûõ ÷àñîâ â 20 —30-å ãã. ñâÿçàíî ñ ðàçâèòèåì ïüåçîòåõíèêè, ÷òî ïîçâîëèëî äîâåñòè òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ ñåêóíäû äî (3 — 4) 10-11 è äàëî âîçìîæíîñòü óëîâèòü ìàëûå êîëåáàíèÿ âðàùåíèÿ Çåìëè âîêðóã îñè.
Íî åñòü è äðóãèå óñòîé÷èâûå èñòî÷íèêè êîëåáàíèé, ñïîñîáíûå äëèòåëüíîå âðåìÿ ïîääåðæèâàòü îïðåäåëåííóþ ÷àñòîòó êîëåáàíèé. Ðàçâèòèå ðàäèî÷àñòîòíîé ñïåêòðîñêîïèè è ýëåêòðîíèêè äàëî
62
âîçìîæíîñòü ñîçäàòü àòîìíûå ÷àñû è ïåðåéòè ê èçìåðåíèþ ñ ïîìîùüþ àòîìíûõ ñòàíäàðòîâ, îñíîâàííûõ íà êîëåáàíèÿõ îïðåäåëåííîãî òèïà â àòîìå öåçèÿ, ÷òî ïîçâîëèëî çàìå÷àòü îòêëîíåíèå îò ðàâíîìåðíîñòè õîäà ñ ïîãðåøíîñòüþ äî 10-10. Àòîìíàÿ ñåêóíäà — èíòåðâàë âðåìåíè, â òå÷åíèå êîòîðîãî ñîâåðøàåòñÿ ïî÷òè 10 ìëðä êîëåáàíèé àòîìà Cs. Ýòî ÷èñëî ñîãëàñóåòñÿ ñ íàèëó÷øèìè àñòðîíîìè÷åñêèìè îïðåäåëåíèÿìè ñåêóíäû.  1967 ã. â êà÷åñòâå ýòàëîíà áûë âûáðàí èçîòîï 133Cs.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ýòàëîíîì âðåìåíè ÿâëÿåòñÿ âîäîðîäíûé ìàçåð, èçãîòîâëåííûé â Øâåéöàðèè, ñ øèðèíîé ñïåêòðà 1 Ãö, ñòàáèëüíîñòü êîòîðîãî äîâåäåíà äî 10-12. Ñ 1 ÿíâàðÿ 1971 ã. âñå ñòðàíû ìèðà ïåðåøëè íà îòñ÷åò ìèêðîâðåìåíè ñ ïîìîùüþ àòîìíûõ ÷àñîâ. Ñóùåñòâóþò óæå è áîëåå ñòàáèëüíûå ñòàíäàðòû âðåìåíè (è ÷àñòîòû) — ñèñòåìà «îïòè÷åñêèå ÷àñû», ñîçäàííàÿ èç öåïî÷êè ñâåðõñòàáèëüíûõ ëàçåðîâ â Íîâîñèáèðñêå, îáåñïå÷èâàåò ñòàáèëüíîñòü íà äâà ïîðÿäêà ëó÷øóþ. Ýòî äàñò ïîãðåøíîñòü õîäà 1 ñ â 1 ìëí ëåò! Ðàçâèòèå ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ðàäèîýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ îòêðûëî ïåðñïåêòèâû â ñîçäàíèè ýëåêòðîííûõ è ýëåêòðîííî-ìåõàíè÷åñêèõ íàðó÷íûõ ÷àñîâ ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ õîäà.
Êàëåíäàðåì íàçûâàþò ñèñòåìó îòñ÷åòà äëèòåëüíûõ ïðîìåæóòêîâ âðåìåíè, â êîòîðîé óñòàíîâëåí îïðåäåëåííûé ïîðÿäîê ñ÷åòà äíåé â ãîäó è óêàçàíî íà÷àëî îòñ÷åòà. Îñíîâíîé ïðåäïîñûëêîé ïîÿâëåíèÿ êàëåíäàðÿ â äðåâíîñòè áûëî ðàçâèòèå ñâÿçè òðóäîâûõ ïðîöåññîâ ñ ðèòìèêîé ïðèðîäû — ñìåíîé äíÿ è íî÷è, ôàç Ëóíû, âðåìåí ãîäà è ò.ï., îòñþäà è íåîáõîäèìîñòè èçìåðÿòü âðåìÿ. Åùå äðåâíèå çàìåòèëè íåóêîñíèòåëüíóþ ïåðèîäè÷íîñòü ïåðåäâèæåíèÿ ïî íåáîñâîäó Ñîëíöà, Ëóíû è çâåçä. È ýòè ïåðâûå íàáëþäåíèÿ ïðåäøåñòâîâàëè çàðîæäåíèþ îäíîé èç ñàìûõ äðåâíèõ íàóê — àñòðîíîìèè. Àñòðîíîìèÿ è ïîëîæèëà â îñíîâó èçìåðåíèÿ âðåìåíè òðè ôàêòîðà, õàðàêòåðèçóþùèõ äâèæåíèÿ íåáåñíûõ òåë: âðàùåíèå Çåìëè âîêðóã ñâîåé îñè, îáðàùåíèå Ëóíû âîêðóã Çåìëè è äâèæåíèå Çåìëè âîêðóã Ñîëíöà. Òðóäíîñòè êàëåíäàðÿ ñâÿçàíû ñ òåì, ÷òî íå óäàåòñÿ íàéòè ïðîñòîå ñîîòíîøåíèå ìåæäó âðåìåíåì îáîðîòà Çåìëè âîêðóã îñè è âîêðóã Ñîëíöà. Òî æå îòíîñèòñÿ è ê ñ÷åòó äíåé â ëóííîì ìåñÿöå.  çàïàäíûõ ñòðàíàõ íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè ñîëíå÷íûå è ëóííûå êàëåíäàðè.  âîñòî÷íûõ ñòðàíàõ â êàëåíäàðíûå öèêëû âêëþ÷åíû àñòðîíîìè÷åñêèå ÿâëåíèÿ, ñâÿçàííûå ñ äâèæåíèåì Þïèòåðà è Ñàòóðíà. Ïîýòîìó ïðè ñîñòàâëåíèè êàëåíäàðåé â ñòðàíàõ Âîñòî÷íîé Àçèè âûäåëåí ïåðèîä â 12 ëåò — ïåðèîä îáðàùåíèÿ Þïèòåðà âîêðóã Ñîëíöà, ïðè ýòîì ãîä â òàêèõ êàëåíäàðÿõ ìîæåò ñîäåðæàòü ðàçíîå ÷èñëî ñóòîê — 353, 354, 355, 383, 385. Âûäåëåí òàêæå 19-ëåòíèé ëóííî-ñîëíå÷íûé è 30-ëåòíèé ñàòóðíîâûé öèêëû, âõîäÿùèå â 60-ëåòíèé öèêëè÷åñêèé êàëåíäàðü. Ñóùåñòâóþò êàëåíäàðè, ïîñòðîåííûå è íà äâèæåíèè äðóãèõ ïëàíåò. Ñ êàëåíäàðåì — ñèñòåìîé óïîðÿäî÷åííîãî ñ÷åòà âðåìåíè — ñâÿçàíà èñòîðèÿ ÷åëîâå÷åñêîé êóëüòóðû.
63
Èçâåñòíî ìíîãî êàëåíäàðíûõ ñîîðóæåíèé è óñòðîéñòâ, îñòàâøèõñÿ îò äðåâíèõ öèâèëèçàöèé. Ñðåäè íèõ Ïåðóàíñêèé êàëåíäàðü, îòêðûòûé â 1939 ã. ñ áîðòà ñàìîëåòà, — îãðîìíûå ÷åòêèå ðèñóíêè ïðîòÿæåííîñòüþ â äåñÿòêè êèëîìåòðîâ. Ðàäèîóãëåðîäíûé àíàëèç îïðåäåëèë âîçðàñò íàõîäêè — 525 ëåò. Äðåâíåéøèé êàìåííûé êàëåíäàðü — àíãëèéñêèé Ñòîóíõåíäæ — îòíîñèòñÿ ê íà÷àëó áðîíçîâîãî ïåðèîäà (III — II òûñ. ëåò äî í. ý.). Ýòî îãðîìíûå êàìåííûå ìîíîëèòû âûñîòîé áîëåå 5 ì, ñòîÿùèå â ñòðîãîì ïîðÿäêå, ïðè÷åì öåíòðàëüíûé êàìåíü îðèåíòèðîâàí òî÷íî íà ïîëîæåíèå âîñõîäà Ñîëíöà â äåíü ëåòíåãî ñîëíöåñòîÿíèÿ, à ÷åòûðå îïîðíûõ êàìíÿ — íà òî÷êè ðàâíîäåíñòâèé. Èíòåðåñíû ïåðåäâèæíûå êàëåíäàðè: ïåðñèäñêèé, âàâèëîíñêèé, ãðå÷åñêèé.
Âíåøíÿÿ ïðîáëåìà êàëåíäàðÿ ñâÿçàíà ñ íåîáõîäèìîñòüþ ñîãëàñîâàíèÿ äëèíû ãîäà ñ äëèíîé ñóòîê. Áûëè ðàçðàáîòàíû ðàçíûå âàðèàíòû ïîïðàâîê, íî ñóùåñòâåííóþ ðåôîðìó êàëåíäàðÿ ïðîâåë Þëèé Öåçàðü, èçó÷èâøèé âî âðåìÿ ïðåáûâàíèÿ â Åãèïòå ñîëíå÷íûé êàëåíäàðü. Ãîäîâîé ïóòü Ñîëíöà â Äðåâíåì Âàâèëîíå äåëèëè íà 12 ÷àñòåé ïî 30° ñ ñîçâåçäèÿìè (ïîÿñ Çîäèàêà).  ýòîì äåëåíèè — âëèÿíèå âàâèëîíñêîé ñèñòåìû ñ÷èñëåíèÿ, îò êîòîðîé îñòàëîñü äåëåíèå îêðóæíîñòè íà 360°, ãðàäóñà — íà 60 ìèí, ìèíóòû — íà 60 ñ. Âî II â. äî í. ý. àëåêñàíäðèéñêèé àñòðîíîì Ãèïïàðõ ââåë ïîíÿòèå î íà÷àëå âåñíû, ëåòà, îñåíè è çèìû êàê î ìîìåíòàõ âñòóïëåíèÿ Ñîëíöà â ñîîòâåòñòâóþùèé çíàê Çîäèàêà Îâíà, Ðàêà, Âåñîâ è Êîçåðîãà. Íî èç-çà ïðåöåññèè (ìåäëåííîé — ïî 50 óãëîâûõ ñåêóíä â ãîä) òî÷êà âåñåííåãî ðàâíîäåíñòâèÿ âñêîðå ïåðåøëà â ñîçâåçäèå Ðûá, à â òå÷åíèå áëèæàéøèõ 150 ëåò ïåðåìåñòèòñÿ â çîíó ñëåäóþùåãî ñîçâåçäèÿ — Âîäîëåÿ. Êðîìå òîãî, ñåé÷àñ ãîäîâîé ïóòü Ñîëíöà ïî ýêëèïòèêå ïðîõîäèò óæå ÷åðåç 13 ñîçâåçäèé, íî äëÿ ñîõðàíåíèÿ òðàäèöèè äåëåíèÿ íà 12 ðàâíûõ çîí ÷àñòî ñîçâåçäèå Çìååíîñöà îáúåäèíÿþò ñ ñîçâåçäèåì Ñêîðïèîíà.
 Èòàëèè 3000 ëåò íàçàä áûë ðàñïðîñòðàíåí ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûé êàëåíäàðü, â êîòîðîì ãîä äëèëñÿ 295 ñóòîê (ïåðèîä àêòèâíîé æèçíåäåÿòåëüíîñòè ðàñòèòåëüíîãî ìèðà íà øèðîòàõ Èòàëèè 300 äíåé) è íà÷èíàëñÿ ñ âåñåííåãî ìåñÿöà, â êîòîðîì äåíü ñòàíîâèëñÿ ðàâíûì íî÷è (ñåé÷àñ ýòî 21 ìàðòà). Ãîä äåëèëè íà 10 ëóííûõ ìåñÿöåâ, îòëè÷àåìûõ ïî íîìåðàì. Íåñîâåðøåíñòâî ýòîãî ñîëíå÷íî-ëóííîãî êàëåíäàðÿ íàêàïëèâàëî îøèáêè, è â íà÷àëå VII â. äî í. ý. áûëà ïðîâåäåíà ðåôîðìà — äîáàâèëè åùå 2 ìåñÿöà, ò.å. ïðîäîëæèòåëüíîñòü ãîäà ñòàëà íå 295, à 354 ñóòîê. Êðîìå òîãî, áûëè ââåäåíû íàçâàíèÿ íåêîòîðûõ ìåñÿöåâ. Òàê, ïåðâûé ìåñÿö íàçâàëè ìàðòîì â ÷åñòü Ìàðñà — áîãà âîéíû, êóëüò êîòîðîãî òàêæå áûë ñâÿçàí ñ çåìëåäåëèåì, âòîðîé — àïðåëèñîì, ÷òî â ïåðåâîäå îçíà÷àåò «ñîãðåòûé ñîëíöåì» è «ðàñêðûâàòü», «ðàñöâåòàòü» (âðåìÿ ðàñêðûòèÿ ïî÷åê è öâåòåíèÿ ïåðâûõ öâåòîâ).  êàëåíäàðÿõ è òðàäèöèÿõ ìíîãèõ íàðîäîâ îòðàæåíû îñîáåííîñòè ðèìñêîãî êàëåíäàðÿ, ñâÿçàííûå ñ ìåñÿöàìè è òîëêîâàíèåì èõ íàçâàíèé.  àïðåëå â ßïîíèè êðàñî÷íî îòìå÷àþò äåíü öâåòåíèÿ ñàêóðû, äðåâíåðóññêîå íàçâàíèå ýòîãî ìåñÿöà — öâåòåíü. Ìåñÿö ìàéíóñ (ìàé) áûë íàçâàí â ÷åñòü áîãèíè ãîð è ïëîäîðîäèÿ Ìàéè, â Äðåâíåé Ðóñè îí — òðàâåíü. ×åòâåðòûé ìåñÿö — þíèóñ (èþíü) — ïîëó÷èë ñâîå íàçâàíèå â ÷åñòü äðåâíå-
64
ðèìñêîé áîãèíè ïëîäîðîäèÿ Þíîíû, æåíû Þïèòåðà. Êàê è â ðèìñêîì êàëåíäàðå, îí ñâÿçàí ñ áîãîì ñâåòà — Þïèòåðîì, â äðåâíåðóññêîì êàëåíäàðå — ýòî ñâåòîçàð, ò.å. îçàðåííûé ñâåòîì. Ìíîãèå íàçâàíèÿ ìåñÿöåâ äðåâíåðèìñêîãî êàëåíäàðÿ (ñåíòÿáðü — äåêàáðü) âîøëè â åâðîïåéñêèå êàëåíäàðè. Ñóùåñòâóåò âî âñåõ ñòðàíàõ äåëåíèå ãîäà íå òîëüêî íà ìåñÿöû è ñóòêè, íî è íà íåäåëè.
Âíóòðåííÿÿ ñòðóêòóðà êàëåíäàðÿ ñâÿçàíà ñ ñîîòíîøåíèåì ìåñÿöåâ è äíåé íåäåëè ñ ÷èñëàìè ìåñÿöåâ. Ñåìèäíåâíàÿ íåäåëÿ — ïåðèîä, ïðèìåðíî ñîîòâåòñòâóþùèé 1/4 ëóííîãî ìåñÿöà, èëè äëèòåëüíîñòè ìåæäó ÷åòûðüìÿ ôàçàìè Ëóíû. Ëóííûé ìåñÿö (ñèíîäè÷åñêèé) â ñðåäíåì ðàâåí 29,53 ñðåäíèõ ñóòîê. Äðåâíèì ëþäÿì áûëè èçâåñòíû 7 ïëàíåò, ê êîòîðûì îòíîñèëè Ñîëíöå, Ëóíó, Ìåðêóðèé, Âåíåðó, Ìàðñ, Þïèòåð, Ñàòóðí, è êàæäîé èç íèõ ïîñâÿùàëè îäèí äåíü íåäåëè. Ýòî ñâÿçàíî ñ òðàäèöèÿìè øóìåðñêîé àñòðîëîãèè è îòðàæåíî â êóëüòå ÷èñëà «ñåìü». Ïîýòîìó ñèñòåìà óñëîâíûõ àñòðîíîìè÷åñêèõ çíàêîâ, èçîáðàæàþùèõ íåáåñíûå ñâåòèëà è äíè íåäåëè, îäèíàêîâà. Íåäåëüíûé ïîäñ÷åò âðåìåíè çàðîäèëñÿ â ñòðàíàõ Âîñòî÷íîé Àçèè — Êèòàå, ßïîíèè, Âüåòíàìå.  ýòèõ ñòðàíàõ ïîñëå äíåé Ñîëíöà è Ëóíû (âîñêðåñåíüÿ è ïîíåäåëüíèêà) â ñîîòâåòñòâèè ñ äðåâíåêèòàéñêîé íàòóðôèëîñîôèåé, ïî êîòîðîé âñå ñóùåå ñâÿçûâàëîñü ñ ïÿòüþ ñòèõèÿìè èëè ýëåìåíòàìè ïðèðîäû (îãíåì, âîäîé, äåðåâîì, ìåòàëëîì, çåìëåé), ñëåäóþò äíè ýòèõ ñòèõèé. Èçâåñòíû òàêæå íåäåëè, ñîñòîÿùèå èç 5 (ïÿòèäíåâêè) è 10 (äåêàäû) ñóòîê.
Îòíîñèòåëüíî ñîâåðøåííàÿ ñèñòåìà ñ÷åòà âðåìåíè óæå áûëà â Åãèïòå 5 òûñÿ÷ ëåò íàçàä: ãîä èìåë 12 ìåñÿöåâ ïî 30 äíåé êàæäûé è äîïîëíèòåëüíûõ 5 äíåé, ò. å. 365 äíåé. Òàêîé ñ÷åò âðåìåíè êàê-òî óñòðàíÿë íåäîñòàòêè ñîëíå÷íî-ëóííîãî ðèìñêîãî êàëåíäàðÿ. Íî ïðîäîëæèòåëüíîñòü ãîäà — ïðîìåæóòîê âðåìåíè ìåæäó äâóìÿ ïîñëåäîâàòåëüíûìè ïðîõîæäåíèÿìè öåíòðà Ñîëíöà ÷åðåç òî÷êó âåñåííåãî ðàâíîäåíñòâèÿ — ðàâíà 365 ñóò 5 ÷ 46 ñ, è íà÷àëî ãîäà ñìåùàëîñü êî âñå áîëåå ðàííåé äàòå. Þëèé Öåçàðü ïðèãëàñèë â Ðèì àëåêñàíäðèéñêîãî àñòðîíîìà è ìàòåìàòèêà Ñîçèãåíà, è ñ åãî ïîìîùüþ ââåë ïðàâèëî âèñîêîñîâ, äîáàâëÿþùåå 1 ñóòêè çà 4 ãîäà. Ââåäåííûé Öåçàðåì â 46 ã. äî í. ý. þëèàíñêèé êàëåíäàðü (ñòàðûé ñòèëü) ïîëó÷èë ðàñïðîñòðàíåíèå â ñòðàíàõ Åâðîïû.  íåì íà÷àëî ãîäà áûëî îïðåäåëåíî ñ 1 ÿíâàðÿ, à ãîä íàñ÷èòûâàë 365,25 ñóòîê, ÷òî íåñêîëüêî ïðåâûñèëî èõ ïðîäîëæèòåëüíîñòü.  ðåçóëüòàòå ðàçíèöà (11 ìèí 23,9 ñ) íàêàïëèâàëàñü è ñîñòàâëÿëà îøèáêó â 1 ñóòêè çà 128 ëåò. Íèêåéñêèé öåðêîâíûé ñîáîð 325 ã. ïðèíÿë þëèàíñêèé êàëåíäàðü è óñòàíîâèë åäèíûå äëÿ âñåé èìïåðèè õðèñòèàíñêèå ïðàçäíè÷íûå äíè. Çàäà÷à ðåôîðìû êàëåíäàðÿ ñîñòîÿëà â èñïðàâëåíèè íàêîïèâøåéñÿ îøèáêè â ðàâíîäåíñòâèÿõ, íî ìåíÿòü ïðàâèëà Íèêåéñêîãî ñîáîðà äîëãî íå ðåøàëèñü.  1514 ã. êàëåíäàðíàÿ êîëëåãèÿ çàïðàøèâàëà ìíåíèå ïîëüñêîãî àñòðîíîìà Í.Êîïåðíèêà, íî îí îòâåòèë, ÷òî ïîêà äëèíà ãîäà èçâåñòíà íåäîñòà-
65
òî÷íî òî÷íî. Íî â 1581 ã. âàòèêàíñêèé àñòðîíîì Èãíàòèé Äàíòè óáåäèë Ðèìñêîãî ïàïó Ãðèãîðèÿ XIII âîñïîëüçîâàòüñÿ ïðîåêòîì èòàëüÿíñêîãî âðà÷à, àñòðîíîìà è ìàòåìàòèêà Àëîèçèÿ Ëèëèî. Òàê áûë ââåäåí ãðèãîðèàíñêèé êàëåíäàðü (íîâûé ñòèëü) ñ 15 îêòÿáðÿ 1582 ã., ò.å. ïîñëå 4 îêòÿáðÿ íàñòóïèëî 15-å, à íå 5-å. Óòî÷íåíèå þëèàíñêîãî êàëåíäàðÿ êàñàëîñü òîëüêî óëó÷øåíèÿ åãî âíåøíåé ñòðóêòóðû — ïðèáëèæåíèÿ ê çíà÷åíèþ 365,2422 ñóò — ââîäèëîñü 97 âèñîêîñíûõ ëåò â êàæäûå 400 ëåò, ò. å. ÷èñëî âèñîêîñîâ áûëî óìåíüøåíî íà 3. Ãîäû ñòîëåòèé, ÷èñëî ñîòåí êîòîðûõ íå äåëèòñÿ íà 4, ñ÷èòàþòñÿ ïðîñòûìè (1700, 1800, 1900), à ãîäû, ó êîòîðûõ ÷èñëî ñîòåí äåëèòñÿ íà 4, — âèñîêîñíûìè (1600, 2000 è ò.ä.). Îøèáêà â 1 ñóò â ýòîì êàëåíäàðå íàêàïëèâàåòñÿ ëèøü çà 3323 ãîäà. Ïîäîáíóþ ñèñòåìó ñ÷åòà âðåìåí (ñ ïðàâèëîì âèñîêîñîâ) ïðåäëàãàë åùå â XI â. èðàíñêèé ó÷åíûé è ïîýò Îìàð Õàéÿì. Ãðèãîðèàíñêèé êàëåíäàðü â òå÷åíèå XVI â. ïîñòåïåííî ïðèíèìàëñÿ ñíà÷àëà â ñòðàíàõ êàòîëè÷åñêèõ, â XVIII â. — â ñòðàíàõ ïðîòåñòàíòñêèõ; â 1873 ã. — â ßïîíèè, â 1911 — â Êèòàå, â 1918 — â Ñîâåòñêîé Ðîññèè, â 1924 — â Ãðåöèè è Þãîñëàâèè, â 1925 — â Èðàíå, â 1926 — â Òóðöèè, â 1928 — â Åãèïòå.  çàâèñèìîñòè îò âðåìåíè ââåäåíèÿ ïðèõîäèëîñü äîáàâëÿòü ê äàòå 10, 11, 12 èëè 13 ñóòîê.
Íî ïðîáëåìà óëó÷øåíèÿ êàëåíäàðÿ âñå-òàêè îñòàåòñÿ. Îíà ñâÿçàíà ñ íåñîèçìåðèìîñòüþ òðåõ îñíîâíûõ ïðîìåæóòêîâ âðåìåíè, çàèìñòâîâàííûõ ó ïðèðîäû: ñðåäíèõ ñîëíå÷íûõ ñóòîê, ëóííîãî ìåñÿöà è ñîëíå÷íîãî (òðîïè÷åñêîãî) ãîäà. Íåäîñòàòêè ñîâðåìåííîãî ãðèãîðèàíñêîãî êàëåíäàðÿ çàêëþ÷àþòñÿ èìåííî â íåñîâåðøåíñòâå åãî âíóòðåííåé ñòðóêòóðû: äíè íåäåëè íå ñîãëàñîâàíû ñ ÷èñëàìè ìåñÿöåâ â ðàçíûõ ãîäàõ è äàæå â îäíîì; ïîëóãîäèÿ, êâàðòàëû è ìåñÿöû ñîäåðæàò ðàçíîå ÷èñëî ñóòîê, è íà÷àëà ðàçíûõ ìåñÿöåâ ïðèõîäÿòñÿ íà ðàçíûå äíè íåäåëè. Îòñþäà íåóäîáñòâà ïëàíèðîâàíèÿ è ó÷åòà.
Ýðîé (îò ëàò. àårà — èñõîäíîå ÷èñëî) íàçûâàåòñÿ íà÷àëüíàÿ äàòà ñèñòåìû ëåòîñ÷èñëåíèÿ è ïîñëåäóþùàÿ ñèñòåìà. Ó ìíîãèõ íàðîäîâ ýðû ñâÿçûâàëè ñ âðåìåíåì öàðñòâîâàíèÿ êàêîé-ëèáî äèíàñòèè: äèíàñòèè ôàðàîíîâ (3100 — 3066 ãã. äî í. ý. â Åãèïòå), äèíàñòèè èìïåðàòîðîâ (â Êèòàå èëè ßïîíèè). Ýðà ãðå÷åñêèõ îëèìïèàä áûëà ðàññ÷èòàíà ñ 1 ÿíâàðÿ 776 ã. äî í.ý., ïðè÷åì áûëî ïðèíÿòî äâà öèêëà: ïî 235 (19 ëåò) è ïî 940 (îêîëî 76 ëåò) ëóííûõ ìåñÿöåâ.  Èòàëèè ýðà îñíîâàíèÿ ãîðîäà Ðèìà íà÷èíàåòñÿ ñ 22.04.753 ã. äî í. ý. Íàðîäû Âîñòîêà, èñïîâåäóþùèå èñëàì, íà÷èíàþò îòñ÷åò îò õèäæðû (â ïåð. — ïåðåñåëåíèå), ìîìåíòà ïåðåñåëåíèÿ ìèôè÷åñêîãî Ìóõàììåäà (Ìàãîìåòà) èç Ìåêêè â Ìåäèíó, êîòîðîå ïðîèçîøëî 16 èþíÿ 622 ã. í.ý., â ïÿòíèöó, åñëè ñ÷èòàòü ïî ïåðâîìó âå÷åðíåìó âîñõîäó ñåðïà ìîëîäîé Ëóíû ïîñëå íîâîëóíèÿ. Ñîâðåìåííîå ëåòîñ÷èñëåíèå â Åâðîïå è Àìåðèêå âåäåòñÿ îò ìèôè÷åñêîé äàòû «ðîæäåñòâà Õðèñòîâà», êîòîðîå ïðîèçîøëî â 753 ã. ïîñëå îñíîâàíèÿ Ðèìà (êàê ñ÷èòàë õðèñòèàíñêèé ìîíàõ Åêñèãóóñ â 525 ã.).
66
 áîëüøèíñòâå ñòðàí îíà èçâåñòíà ïîä íàçâàíèåì À.Ä. (Anno Domini), ÷òî çíà÷èò «ãîä ãîñïîäà».  äîïåòðîâñêîé Ðîññèè ãîäû ñ÷èòàëèñü îò ñîòâîðåíèÿ ìèðà (êàê â Âèçàíòèè — ñ íà÷àëîì 01.09.5508 ã. äî í. ý.), à â 1700 ã. ïåðåøëè íà íà÷àëî ãîäà ñ 1 ÿíâàðÿ è íà ñ÷åò îò ðîæäåñòâà Õðèñòîâà (Ð.Õ., èëè íîâàÿ ýðà). Ïðîáëåìà ðåôîðìû êàëåíäàðÿ îáñóæäàåòñÿ óæå ñòîëåòèå, ïðåäëàãàþòñÿ ðàçíûå âàðèàíòû, íî ñäåëàòü âûáîð âåñüìà ñëîæíî, òàê êàê íåîáõîäèìî ñîãëàñèå íàðîäîâ ðàçíûõ êóëüòóð.
Òàê, 2000 ã. — ýòî 2754 ã. îò îñíîâàíèÿ Ðèìà, ìóñóëüìàíñêèé 1378 ã. õèäæðû, èóäåéñêèé — 5760 ã., áóääèñòñêèé — 2544 ã., êèòàéñêèé — 4697 ã. Íîâûé ãîä âî ìíîãèõ êàëåíäàðÿõ ïðèõîäèòñÿ íà ðàçíûå äàòû.  ëóííî-ñîëíå÷íî-þïèòåðíîì êàëåíäàðå Âüåòíàìà, Êèòàÿ è ßïîíèè îí íàñòóïàåò îò 13 ÿíâàðÿ äî 24 ôåâðàëÿ, â Èçðàèëå — ìåæäó 6 ñåíòÿáðÿ è 5 îêòÿáðÿ, â Èðàíå — â äåíü âåñåííåãî ðàâíîäåíñòâèÿ (20 — 22 ìàðòà).  ëóííûõ êàëåíäàðÿõ ìóñóëüìàíñêèõ ñòðàí íîâîãîäíÿÿ äàòà ìîæåò ïðèõîäèòüñÿ íà ëþáîé äåíü ãîäà. Ê ïðèìåðó, â Àôãàíèñòàíå è Èðàíå 21.03.1980 îòìå÷àëîñü íàñòóïëåíèå 1359 ã.  ßïîíèè ôèêñàöèÿ äàò òàêîâà: ïîðÿäêîâûé íîìåð äíÿ è íîìåð ëóííîãî ìåñÿöà, çàòåì ïîðÿäêîâûé íîìåð ýðû (ãîäà ïðàâëåíèÿ èìïåðàòîðà) è ïîðÿäêîâûé íîìåð ãîäà äåâèçà. Åñòü ïðàâèëà è òàáëèöû ïåðåâîäà äàò íà ãðèãîðèàíñêèé êàëåíäàðü, óæå ïðèíÿòûé âî ìíîãèõ ñòðàíàõ.
Âîçðàñò Âñåëåííîé îöåíèâàåòñÿ â 13 — 15 ìëðä ëåò (ïîñëå íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ, ñîãëàñíî ïðèíÿòîé ìîäåëè Áîëüøîãî Âçðûâà). Êàê ìîæíî èçìåðèòü òàêèå îãðîìíûå âðåìåíà, íå ñîïîñòàâèìûå ñ æèçíüþ íå òîëüêî ÷åëîâå÷åñòâà, íî è âñåãî æèâîãî íà Çåìëå?
Ìåòîä ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà îñíîâàí íà íåçàâèñèìîñòè ïåðèîäà ïîëóðàñïàäà ðàäèîàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ îò âíåøíèõ óñëîâèé. Èçâåñòíî, ÷òî âñå æèâîå ïîëó÷àåò äâóîêèñü óãëåðîäà èç âîçäóõà. Íåêîòîðàÿ ÷àñòü óãëåðîäà ðàäèîàêòèâíà, è ëþáîé îáðàçåö âåùåñòâà, èçãîòîâëåííûé èç æèâîãî, ñîäåðæèò ýòó æå äîëþ ðàäèîàêòèâíîãî óãëåðîäà. Èçìåðÿÿ ñêîðîñòü îòñ÷åòîâ äëÿ êàêîãî-òî îáðàçöà, ìîæíî âû÷èñëèòü, ñêîëüêî ëåò ïðîøëî ñ òîãî âðåìåíè, êîãäà äàííûé êóñîê äîñêè áûë æèâûì äåðåâîì.  äåòåêòîðå «ñâåæåå» âåùåñòâî äàñò 16 îòñ÷./ìèí íà êàæäûé ãðàìì óãëåðîäà, à çà 5600 ëåò îíî äàñò òîëüêî 8 îòñ÷./ìèí íà 1 ã è ò. ä. Ìíîãèå àðõåîëîãè÷åñêèå íàõîäêè «äàòèðîâàíû» îïðåäåëåííûì êîëè÷åñòâîì îñòàâøåãîñÿ â èõ âåùåñòâå ðàäèîàêòèâíîãî óãëåðîäà. Ïî åãî êîëè÷åñòâó ìîæíî îïðåäåëèòü âîçðàñò äî 25 000 ëåò.
Ïî ïåðèîäó ïîëóðàñïàäà ýëåìåíòîâ ìîæíî çàãëÿíóòü â ïðîøëîå: çà ýòî âðåìÿ ïîëîâèíà âåùåñòâà ïðåâðàùàåòñÿ â äðóãîé ýëåìåíò, çà ñëåäóþùèé ïåðèîä ïîëóðàñïàäà — åùå ïîëîâèíà è ò.ä. (ðèñ. 2.5). Òàê êàê íåò ðàäèîàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ñ ïåðèîäîì ïîëóðàñïàäà â 106—108 ëåò, òî âîçðàñò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû — îêîëî 108 ëåò. Èç ñîîòíîøåíèÿ äðóãèõ èçîòîïîâ 235U è 238U âîçðàñò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû áûë óòî÷íåí è ñîñòàâèë 5 109 ëåò. Îöåíêà âîçðàñòà Âñåëåííîé, ñâÿçàííàÿ ñ ìîäåëÿìè ýâîëþöèè, ïîçâîëÿåò çàêëþ÷èòü, ÷òî
67
Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà áûëà îáðàçîâàíà â ðåçóëüòàòå âçðûâà çâåçäû, ïî ìåíüøåé ìåðå, âòîðîãî ïîêîëåíèÿ. Ïûëü ïîñëå âçðûâà ñêó÷èâàëàñü â âèõðè, ãðóïïèðîâàëàñü ïîä äåéñòâèåì ãðàâèòàöèè. Íàøåìó Ñîëíöó ïîäîáíûé âçðûâ óæå íå ãðîçèò — ñîãëàñíî ìîäåëÿì ðàçâèòèÿ çâåçä òàêîãî òèïà ïðèìåðíî ÷åðåç 5 ìëðä ëåò îíî ðàñøèðèòñÿ, ïîòîì ñîæìåòñÿ è ïðåâðàòèòñÿ â îñòûâàþùåãî êàðëèêà. Ñóùåñòâóþùàÿ íûíå Âñåëåííàÿ îáðàçîâàëàñü ïðèìåðíî 15 ìëðä ëåò íàçàä è ñ òåõ ïîð ðàñøèðÿåòñÿ.
Ïðèâåäåì íåêîòîðûå âðåìåííûå èíòåðâàëû: ñóòêè — 8,64 • 104 ñ; ãîä — 3 • 107 ñ; ñðåäíÿÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè ÷åëîâåêà — 2 • 109 ñ; ñðåäíèé âîçðàñò åãèïåòñêèõ ïèðàìèä — 1 • 1012 ñ; ñóùåñòâîâàíèå æèçíè íà Çåìëå — 7,5 • 1016 ñ; âðåìÿ ïîÿâëåíèÿ: ïåðâîáûòíîãî ÷åëîâåêà — 5 • 1013 ñ; ìëåêîïèòàþùèõ — 5 1015 ñ; çåìíîâîäíûõ — 7,5-1015 ñ; âîçðàñò Çåìëè — 1,5-1017 ñ; âîçðàñò Âñåëåííîé — 5 • 1017 ñ.
Îáðàòèìñÿ ê âðåìåííûì èíòåðâàëàì, ìåíüøèì 1 ñ. Ïåðèîä êîëåáàíèé çâóêîâîé âîëíû äîñòèãàåò 0,001 ñ, ðàäèîâîëíû — 10-6 ñ. Ìåíüøèå ïðîìåæóòêè âðåìåíè ñâÿçàíû ñ ðàññòîÿíèÿìè â ìèêðîìèðå, è èõ ìîæíî èçìåðÿòü ÷åðåç ñêîðîñòü ñâåòà. Çà 10-9 ñ ñâåò ïðîõîäèò ðàññòîÿíèå 30 ñì, ñîîòâåòñòâåííî, ìîæíî ðàññ÷èòàòü, ÷òî ðàññòîÿíèå, ðàâíîå ðàçìåðó àòîìà, ñâåò ïðîõîäèò çà 10-18 ñ, àòîìíîãî ÿäðà — çà 10-24 ñ. Êîëåáàíèÿ ìîëåêóë ñîâåðøàþòñÿ çà 10-12 ñ, àòîìà — 10-15 ñ, ÿäðà — 10-21 ñ.
2.5. Ñòðóêòóðíûå óðîâíè îðãàíèçàöèè ìàòåðèè
Ñîâðåìåííîå íàó÷íîå çíàíèå îñíîâàíî íà ñòðóêòóðíîñòè ìàòåðèè è ñèñòåìíîì ïîäõîäå. Ñèñòåìà — ýòî îïðåäåëåííàÿ öåëîñòíîñòü, ïðîÿâëÿþùàÿ ñåáÿ êàê íå÷òî åäèíîå ïî îòíîøåíèþ ê äðóãèì îáúåêòàì èëè óñëîâèÿì.  ïîíÿòèå ñèñòåìû âõîäèò ñîâîêóïíîñòü ýëåìåíòîâ è ñâÿçåé ìåæäó íèìè. Ïîä ýëåìåíòîì ñèñòåìû ïîíèìàåòñÿ êîìïîíåíò ñèñòåìû, êîòîðûé äàëåå, âíóòðè äàííîé
68
ñèñòåìû, ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê íåäåëèìûé, ïîä ñòðóêòóðíîé îðãàíèçàöèåé ìàòåðèè — åå èåðàðõè÷åñêîå ñòðîåíèå — ëþáîé îáúåêò îò ìèêðî÷àñòèö äî îðãàíèçìîâ, ïëàíåò è ãàëàêòèê ÿâëÿåòñÿ ÷àñòüþ áîëåå ñëîæíîãî îáðàçîâàíèÿ è ñàì ìîæåò ñ÷èòàòüñÿ òàêîâûì, ò. å. ñîñòîÿùèì èç íåêèõ ñîñòàâíûõ ÷àñòåé. Äîñòóïíàÿ äëÿ íàáëþäåíèÿ ÷àñòü ìèðà ïðîñòèðàåòñÿ â ïðîñòðàíñòâå îò 10-17 äî 1026 ì, à âî âðåìåíè — äî 2 • 1010 ëåò.
Ìîëåêóëà — íàèìåíüøàÿ ÷àñòèöà âåùåñòâà, ñîõðàíÿþùàÿ åãî õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà. Ìîëåêóëû ñîñòîÿò èç àòîìîâ, ñîåäèíåííûõ õèìè÷åñêèìè ñâÿçÿìè. Ìîëåêóëà èíåðòíûõ ãàçîâ — ýòî ïðîñòî àòîìû, à ó äðóãèõ ãàçîâ îíà ñîñòîèò èç äâóõ èëè áîëåå àòîìîâ. Ìîëåêóëû, ñîñòîÿùèå èç ìíîãèõ ïîâòîðÿþùèõñÿ ãðóïï àòîìîâ, íàçûâàþò ìàêðîìîëåêóëàìè. Íî ñâîéñòâà âåùåñòâ îïðåäåëÿþòñÿ íå òîëüêî ñîñòàâîì ìîëåêóë, íî è èõ ñòðóêòóðîé.  ìîëåêóëå âûäåëèëè ñòðóêòóðíûå áëîêè, êàæäûé èç êîòîðûõ îáëàäàåò ñâîåé óíèêàëüíîé ðåàêöèîííîé ñïîñîáíîñòüþ. Òåîðèÿ õèìè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ ìîëåêóë áûëà ñîçäàíà À.Ì.Áóòëåðîâûì, à ïîçæå ïîäòâåðæäåíà êâàí-òîâî-ìåõàíè÷åñêèìè ðàñ÷åòàìè. Ïîä ìîëåêóëÿðíîé ñòðóêòóðîé ïîíèìàåòñÿ ñî÷åòàíèå àòîìîâ, êîòîðûå èìåþò çàêîíîìåðíîå ðàñïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå è ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé õèìè÷åñêîé ñâÿçüþ ñ ïîìîùüþ âàëåíòíûõ ýëåêòðîíîâ.
Àòîì — ñîñòàâíàÿ ÷àñòü ìîëåêóëû. Ñóùåñòâîâàíèå ñòðóêòóðû àòîìà áûëî äîêàçàíî îòêðûòèåì â 1897 ã. Äæ.Äæ.Òîìñîíîì ýëåêòðîíà, íàçûâàåìîãî àòîìîì ýëåêòðè÷åñòâà. Çàðÿä ýëåêòðîíà Òîìñîí îïðåäåëèë óæå â 1898 ã., à ÷åðåç 5 ëåò ïðåäëîæèë ìîäåëü ñòðîåíèÿ àòîìà.  1903 ã. Ý. Ðåçåðôîðä íàøåë ïîñðåäñòâîì îïûòîâ ñ îòêëîíåíèåì à-ëó÷åé, ÷òî îòíîøåíèå çàðÿäà ê ìàññå ïî çíàêó è âåëè÷èíå ñîîòâåòñòâóåò äâàæäû èîíèçèðîâàííûì àòîìàì ãåëèÿ. Îïûòû ïîêàçàëè, ÷òî â àòîìàõ ñóùåñòâóþò ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûå ÷àñòèöû — ÿäðà, â êîòîðûõ ñîñðåäîòî÷åíà ïî÷òè âñÿ ìàññà àòîìà è êîòîðûå èìåþò ðàçìåðû 10-14 ì, òîãäà êàê ðàçìåðû ñàìîãî àòîìà ïîðÿäêà 10-10 ì. Áûëà ïðåäëîæåíà «ïëàíåòàðíàÿ» ìîäåëü àòîìà. Èññëåäîâàíèÿ ìíîãèõ ó÷åíûõ ïîçâîëèëè ñäåëàòü âûâîä, ÷òî ìåñòî ýëåìåíòà â Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå, åãî àòîìíûé íîìåð îïðåäåëÿþòñÿ ÷èñëîì ýëåìåíòàðíûõ çàðÿäîâ ÿäðà àòîìà. Ïåðèîäè÷íîñòü æå ñâîéñòâ ýëåìåíòîâ îáúÿñíèëà òîëüêî êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà.
Âñëåä çà ýëåêòðîíîì áûëè îòêðûòû ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû: ïðîòîí, íåéòðîí è äðóãèå (ñåé÷àñ èõ èçâåñòíî áîëåå òðåõñîò) è ñîîòâåòñòâóþùèå èì àíòè÷àñòèöû. Äëÿ óïîðÿäî÷åíèÿ èõ ãðóïïèðóþò ïî âðåìåíè æèçíè, ó÷àñòèþ â ðàçíûõ òèïàõ ôóíäàìåíòàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé è äðóãèì ïðèçíàêàì.
Êâàðêîâàÿ ìîäåëü ñòðîåíèÿ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ñóùåñòâóåò ñ 1964 ã. (Ã.Öâåéã, Ì.Ãåëë-Ìàí). Ñíà÷àëà êâàðêè ðàññìàòðèâàëèñü êàê ãèïîòåòè÷åñêèå ñòðóêòóðíûå ýëåìåíòû ñ äðîáíûì ýëåêòðè÷åñêèì çàðÿäîì, íî îíè çàíÿëè â êâàíòîâîé õðîìîäèíàìèêå ðîëü
69
îñíîâíûõ ÷àñòèö. Îòêðûòèå âîçìîæíîñòè ïðåâðàùåíèé îäíèõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö â äðóãèå ïîêàçûâàåò, ÷òî îíè òîæå èìåþò ñëîæíóþ âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó. Åå îïèñûâàþò ñ ïîìîùüþ òàê íàçûâàåìûõ «âèðòóàëüíûõ» ÷àñòèö, òàê êàê ýòó âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó íåâîçìîæíî îïèñàòü ÷åðåç äðóãèå ÷àñòèöû.
Ìèêðîìèð — ìèð î÷åíü ìàëûõ ìèêðîîáúåêòîâ, ðàçìåðû êîòîðûõ îò 10-10 äî 10-18 ì, à âðåìÿ æèçíè ìîæåò áûòü äî 10-24 ñ. Èñïóñêàíèå è ïîãëîùåíèå ñâåòà ïðîèñõîäèò ïîðöèÿìè, êâàíòàìè, ïîëó÷èâøèìè íàçâàíèå ôîòîíîâ. Ýòî ìèð — îò àòîìîâ äî ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Ïðè ýòîì äëÿ ìèêðîìèðà ñâîéñòâåíåí êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâîé äóàëèçì, ò.å. ëþáîé ìèêðîîáúåêò îáëàäàåò êàê âîëíîâûìè, òàê è êîðïóñêóëÿðíûìè ñâîéñòâàìè. Îïèñàíèå ìèêðîìèðà îïèðàåòñÿ íà ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè Í. Áîðà è ñîîòíîøåíèÿ íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà. Ìèð ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, êîòîðûå äîëãî ñ÷èòàëè ýëåìåíòàðíûìè «êèðïè÷èêàìè», ïîä÷èíÿåòñÿ çàêîíàì êâàíòîâîé ìåõàíèêè, êâàíòîâîé ýëåêòðîäèíàìèêè, êâàíòîâîé õðîìîäè-íàìèêè. Êâàíòîâîå ïîëå íîñèò äèñêðåòíûé õàðàêòåð.
Ìàêðîìèð — ýòî ìèð îáúåêòîâ, ñîèçìåðèìûõ ñ ÷åëîâå÷åñêèì îïûòîì. Ðàçìåðû ìàêðîîáúåêòîâ èçìåðÿþòñÿ îò äîëåé ìèëëèìåòðà äî ñîòåí êèëîìåòðîâ, à âðåìåíà — îò ñåêóíä äî ëåò. Ïîâåäåíèå æå ìàêðîñêîïè÷åñêèõ òåë, ñîñòîÿùèõ èç ìèêðî÷àñòèö, îïèñûâàåòñÿ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêîé è ýëåêòðîäèíàìèêîé. Ìàòåðèÿ ìîæåò ïðåáûâàòü êàê â âèäå âåùåñòâà, òàê è â âèäå ïîëÿ, ïðè÷åì âåùåñòâî äèñêðåòíî, à ïîëå — íåïðåðûâíî. Ñêîðîñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïîëÿ ðàâíû ñêîðîñòè ñâåòà, ìàêñèìàëüíîé èç âîçìîæíûõ ñêîðîñòåé, à ñêîðîñòè äâèæåíèÿ ÷àñòèö âåùåñòâà âñåãäà ìåíüøå ñêîðîñòè ñâåòà.
Ìåãàìèð — ìèð îáúåêòîâ êîñìè÷åñêîãî ìàñøòàáà: ïëàíåòû, çâåçäû, ãàëàêòèêè, Ìåòàãàëàêòèêà. Êðîìå íèõ âî Âñåëåííîé ïðèñóòñòâóþò ìàòåðèÿ â âèäå èçëó÷åíèÿ è äèôôóçíàÿ ìàòåðèÿ. Ïîñëåäíÿÿ ìîæåò çàíèìàòü îãðîìíûå ïðîñòðàíñòâà â âèäå ãèãàíòñêèõ îáëàêîâ ãàçà è ïûëè — ãàçî-ïûëåâûõ òóìàííîñòåé.  çâåçäàõ ñîñðåäîòî÷åíî 97 % âåùåñòâà íàøåé Ãàëàêòèêè — Ìëå÷íûé Ïóòü.  äðóãèõ ãàëàêòèêàõ ðàñïðåäåëåíèå ìàòåðèè ïðèìåðíî òàêîå æå.  Ãàëàêòèêå ïî÷òè âñå çâåçäû ÿâëÿþòñÿ äâîéíûìè, à âñåãî èõ áîëåå 120 ìëðä. Äèàìåòð Ãàëàêòèêè ïîðÿäêà 100 òûñ. ñâ. ëåò; íàøå Ñîëíöå — ðÿäîâàÿ çâåçäà òèïà «æåëòûé êàðëèê», íàõîäèòñÿ íà êðàþ óòîëùåííîãî äèñêà, â 5 ïê îò êðàÿ. Íî èìåþòñÿ çâåçäíûå ñèñòåìû, ñîñòîÿùèå èç 3 — 5 çâåçä, ÷àñòî îêðóæåííûå äèôôóçíîé ìàòåðèåé. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ ìîãóò ñîñòîÿòü èç íåñêîëüêèõ ñîòåí îòäåëüíûõ çâåçä, à øàðîâûå ñêîïëåíèÿ — èç ñîòåí òûñÿ÷. Ãàëàêòèêè (èõ äî 10 ìëðä), íàáëþäàåìûå ñ Çåìëè êàê òóìàííûå ïÿòíûøêè, èìåþò ðàçíóþ ôîðìó: ñïèðàëüíóþ, íåïðàâèëüíóþ, ýëëèïòè÷åñêóþ. Îíè îáðàçóþò ñêîïëåíèÿ èç íåñêîëüêèõ òûñÿ÷ îòäåëüíûõ ñèñòåì. Ñèñòåìó ãàëàêòèê íàçûâàþò Ìåòàãàëàêòèêîé. Ìåãàìèð îïèñûâàåòñÿ çàêîíàìè êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè ñ ïîïðàâêàìè, êîòîðûå áûëè âíåñåíû òåîðèåé îòíîñèòåëüíîñòè.
70
2.6. Ïîíÿòèå «ïîëå». Óðàâíåíèÿ Ìàêñâåëëà. Ñâåò — ýëåêòðîìàãíèòíàÿ âîëíà
Ïîëå — îäíà èç ôîðì ñóùåñòâîâàíèÿ ìàòåðèè è, ïîæàëóé, ñàìàÿ âàæíàÿ. Ïîíÿòèå «ïîëå» îòðàæàåò òîò ôàêò, ÷òî ýëåêòðè÷åñêèå è ìàãíèòíûå ñèëû äåéñòâóþò ñ êîíå÷íîé ñêîðîñòüþ íà ðàññòîÿíèè, âçàèìíî è íåïðåðûâíî ïîðîæäàÿ äðóã äðóãà. Ïîëå èçëó÷àåòñÿ, ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñ êîíå÷íîé ñêîðîñòüþ â ïðîñòðàíñòâå, âçàèìîäåéñòâóåò ñ âåùåñòâîì. Ôàðàäåé ñôîðìóëèðîâàë èäåè ïîëÿ êàê íîâîé ôîðìû ìàòåðèè, à çàïèñè âëîæèë â çàïå÷àòàííûé êîíâåðò, çàâåùàâ âñêðûòü åãî ïîñëå ñâîåé ñìåðòè (ýòîò êîíâåðò áûë îáíàðóæåí òîëüêî â 1938 ã.). Ôàðàäåé èñïîëüçîâàë (1840) èäåþ âñåîáùåãî ñîõðàíåíèÿ è ïðåâðàùåíèÿ ýíåðãèè, õîòÿ ñàì çàêîí åùå íå áûë îòêðûò.
 ëåêöèÿõ (1845) Ôàðàäåé ãîâîðèë íå òîëüêî îá ýêâèâàëåíòíûõ ïðåâðàùåíèÿõ ýíåðãèè èç îäíîé ôîðìû â äðóãóþ, íî è î òîì, ÷òî îí äàâíî ïûòàëñÿ «îòêðûòü ïðÿìóþ ñâÿçü ìåæäó ñâåòîì è ýëåêòðè÷åñòâîì» è ÷òî «óäàëîñü íàìàãíèòèòü è íàýëåêòðèçîâàòü ëó÷ ñâåòà è îñâåòèòü ìàãíèòíóþ ñèëîâóþ ëèíèþ». Åìó ïðèíàäëåæèò ìåòîäèêà èçó÷åíèÿ ïðîñòðàíñòâà âîêðóã çàðÿæåííîãî òåëà ñ ïîìîùüþ ïðîáíûõ òåë, ââåäåíèå äëÿ èçîáðàæåíèÿ ïîëÿ ñèëîâûõ ëèíèé. Îí îïèñàë ñâîè îïûòû ïî âðàùåíèþ ïëîñêîñòè ïîëÿðèçàöèè ñâåòà ìàãíèòíûì ïîëåì. Èçó÷åíèå âçàèìîñâÿçè ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ âåùåñòâ ïðèâåëî Ôàðàäåÿ íå òîëüêî ê îòêðûòèþ ïàðà- è äèàìàãíåòèçìà, íî è ê óñòàíîâëåíèþ ôóíäàìåíòàëüíîé èäåè — èäåè ïîëÿ. Îí ïèñàë (1852): «Ñðåäà èëè ïðîñòðàíñòâî, åãî îêðóæàþùèå, èãðàþò ñòîëü æå ñóùåñòâåííóþ ðîëü, êàê è ñàì ìàãíèò, áóäó÷è ÷àñòüþ íàñòîÿùåé è ïîëíîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû».
Ôàðàäåé ïîêàçàë, ÷òî ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà èíäóêöèè Å âîçíèêàåò ïðè èçìåíåíèè ìàãíèòíîãî ïîòîêà Ô (ðàçìûêàíèè, çàìûêàíèè, èçìåíåíèè òîêà â ïðîâîäíèêàõ, ïðèáëèæåíèè èëè óäàëåíèè ìàãíèòà è ïð.). Ìàêñâåëë âûðàçèë ýòîò ôàêò ðàâåíñòâîì: Å = -äÔ/ät. Ïî Ôàðàäåþ, ñïîñîáíîñòü èíäóöèðîâàòü òîêè ïðîÿâëÿåòñÿ ïî îêðóæíîñòè âîêðóã ìàãíèòíîé ðàâíîäåéñòâóþùåé. Ìàêñâåëë çàïèñûâàåò ýòî â âåêòîðíîé ôîðìå (ðèñ. 2.6, a): rot E = = -äB/ät, ò. å. ïåðåìåííîå ìàãíèòíîå ïîëå îêðóæåíî âèõðåâûì ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì, à çíàê ìèíóñ ñâÿçàí ñ ïðàâèëîì Ëåíöà: âîçíèêàåò èíäóêöèîííûé òîê òàêîãî íàïðàâëåíèÿ, ÷òîáû ïðåïÿòñòâîâàòü èçìåíåíèþ, ïîðîæäàþùåìó åãî. Îáîçíà÷åíèå rot — îò àíãë. rotor— âèõðü.  1846 ã. Ô. Íåéìàí íàøåë, ÷òî íà ñîçäàíèå èíäóêöèîííîãî òîêà íàäî çàòðàòèòü îïðåäåëåííîå êîëè÷åñòâî ýíåðãèè.
Ìàêñâåëë ìàòåìàòè÷åñêè îáðàáîòàë èäåè Ôàðàäåÿ, ñâÿçàâ â ñâîèõ óðàâíåíèÿõ âñå ýêñïåðèìåíòàëüíûå çàêîíû, ïîëó÷åííûå â îáëàñòè ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ÿâëåíèé. Çàêîí Àìïåðà èìååò äåëî ñ ìàãíèòíûì ïîëåì âäîëü çàìêíóòîãî êîíòóðà ñ òîêîì (ðèñ. 2.6, á). Àíàëîã çàêîíà Êóëîíà â ýëåêòðîñòàòèêå — çàêîí Áèî— Ñàâàðà âûãëÿäåë â âåêòîðíîé ôîðìå òàê: rot H = j. Ñóììèðóÿ òîêè
71
è ïîëÿ äëÿ ïîêàçà òîãî, ÷òî ìàãíèòíîå ïîëå ñîçäàåòñÿ íå òîëüêî òîêîì ïðîâîäèìîñòè j, íî è òîêîì ñìåùåíèÿ, Ìàêñâåëë ââîäèò äîïîëíèòåëüíûé ÷ëåí äD/ät, ãäå D — âåêòîð ýëåêòðè÷åñêîé èíäóêöèè. Òàê, ïî àíàëîãèè ñ ôàðàäååâîé ïîëÿðèçàöèåé äèýëåêòðèêà îí ââåë â ñâîè óðàâíåíèÿ ïîëÿðèçàöèþ ïðîñòðàíñòâà, èëè âàêóóìà. Ââåäåíèå ïîëÿðèçàöèè âàêóóìà âûçâàëî íåîäíîçíà÷íóþ ðåàêöèþ ñî ñòîðîíû ó÷åíûõ, äî ñèõ ïîð îáñóæäåíèå ýòîãî âîïðîñà íå ñõîäèò ñî ñòðàíèö íàó÷íûõ æóðíàëîâ, âûçûâàÿ äèñêóññèè. Íî Ìàêñâåëëà ýòî íå î÷åíü âîëíîâàëî, òàê êàê îí ïðåäñòàâëÿë âàêóóì äèýëåêòðè÷åñêîé ñðåäîé, à íå ñïëîøíîé ïóñòîòîé.
Îí ïèñàë: «Ìû íå â ñîñòîÿíèè ïîíèìàòü ðàñïðîñòðàíåíèå âî âðåìåíè èíà÷å, êàê òîëüêî äâóìÿ ñïîñîáàìè — èëè êàê ïîëåò ìàòåðèàëüíîé ñóáñòàíöèè ÷åðåç ïðîñòðàíñòâî, èëè êàê ðàñïðîñòðàíåíèå ñîñòîÿíèÿ äâèæåíèÿ èëè íàïðÿæåíèÿ â ñðåäå, óæå ñóùåñòâóþùåé â ïðîñòðàíñòâå... Âñå òåîðèè ïðèâîäÿò ê êîíöåïöèè ñðåäû, â êîòîðîé èìååò ìåñòî ðàñïðîñòðàíåíèå. È åñëè ìû ïðèìåì ýòó ñðåäó â êà÷åñòâå ãèïîòåçû, òî ÿ ñ÷èòàþ, ÷òî îíà äîëæíà çàíèìàòü âûäàþùååñÿ ìåñòî â íàøèõ èññëåäîâàíèÿõ è ÷òî íàì ñëåäóåò ïîïûòàòüñÿ ñêîíñòðóèðîâàòü ðàöèîíàëüíîå ïðåäñòàâëåíèå î âñåõ äåòàëÿõ åå äåéñòâèÿ».  êîíöå æèçíè Ìàêñâåëë íàïèñàë äëÿ
72
Áðèòàíñêîé ýíöèêëîïåäèè ñòàòüþ «Ýôèð», ãäå áûëè òàêèå ñòðîêè: «Íåñîìíåííî, ÷òî ìåæïëàíåòíîå è ìåæçâåçäíîå ïðîñòðàíñòâà íå ñóòü ïðîñòðàíñòâà ïóñòûå, íî çàíÿòû ìàòåðèàëüíîé ñóáñòàíöèåé èëè òåëîì, ñàìûì îáøèðíûì è, íàäî äóìàòü, ñàìûì îäíîðîäíûì, êàêîå òîëüêî íàì èçâåñòíî» (1879).
Êðîìå óæå ñôîðìóëèðîâàííûõ äâóõ óðàâíåíèé, îòðàæàþùèõ çàêîí èíäóêöèè è çàêîí Áèî—Ñàâàðà, Ìàêñâåëë çàïèñàë â âåêòîðíîé ôîðìå çàêîíû î çàìêíóòîñòè ìàãíèòíûõ ñèëîâûõ ëèíèé div B = 0 è î ñòðóêòóðå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ div D = ð (ð — ïëîòíîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà), à òàêæå ãðóïïó óðàâíåíèé äëÿ âåêòîðîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, ñâÿçàííûõ ñ õàðàêòåðèñòèêàìè ñðåäû: è òîêà ïðîâîäèìîñòè ãäå
— ñòîðîííÿÿ ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà; - ýëåêòðè÷åñêàÿ è
ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòè ñðåäû.
 öåëîì ñèñòåìà óðàâíåíèé, çàïèñàííàÿ Ìàêñâåëëîì â âåêòîðíîé ôîðìå, èìååò êîìïàêòíûé âèä:
Âõîäÿùèå â ýòè óðàâíåíèÿ âåêòîðû ýëåêòðè÷åñêîé è ìàãíèòíîé èíäóêöèè (D è Â) è âåêòîðû íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî è ìàãíèòíîãî ïîëåé (Å è Í) ñâÿçàíû óêàçàííûìè ïðîñòûìè ñîîòíîøåíèÿìè ñ äèýëåêòðè÷åñêîé ïîñòîÿííîé å è ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ ñðåäû μ. Èñïîëüçîâàíèå ýòîé îïåðàöèè îçíà÷àåò, ÷òî âåêòîð íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ âðàùàåòñÿ âîêðóã âåêòîðà òîêà ïëîòíîñòè j.
Ñîãëàñíî óðàâíåíèþ (1), ëþáîé òîê âûçûâàåò âîçíèêíîâåíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ â îêðóæàþùåì ïðîñòðàíñòâå, ïîñòîÿííûé òîê — ïîñòîÿííîå ìàãíèòíîå ïîëå. Òàêîå ïîëå íå ìîæåò âûçâàòü â «ñëåäóþùèõ» îáëàñòÿõ ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå, òàê êàê, ïî óðàâíåíèþ (2), òîëüêî èçìåíÿþùååñÿ ìàãíèòíîå ïîëå ïîðîæäàåò òîê. Âîêðóã ïåðåìåííîãî òîêà ñîçäàåòñÿ è ïåðåìåííîå ìàãíèòíîå ïîëå, ñïîñîáíîå ñîçäàòü â «ñëåäóþùåì» ýëåìåíòå ïðîñòðàíñòâà ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå âîëíû, âîëíû íåçàòóõàþùåé, — ýíåðãèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ïóñòîòå ïîëíîñòüþ ïåðåõîäèò â ýíåðãèþ ýëåêòðè÷åñêîãî, è íàîáîðîò. Ïîñêîëüêó ñâåò ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ â âèäå ïîïåðå÷íûõ âîëí, ìîæíî ñäåëàòü äâà âûâîäà: ñâåò — ýëåêòðîìàãíèòíîå âîçìóùåíèå; ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ â ïðîñòðàíñòâå â âèäå ïîïåðå÷íûõ âîëí ñî ñêîðîñòüþ ñ = 3 • 108 ì/ñ, çàâèñÿùåé îò ñâîéñòâ ñðåäû, è ïîýòîìó íåâîçìîæíî «ìãíîâåííîå äàëüíîäåéñòâèå». Ýòî ïðåä÷óâñòâîâàë Ëîìîíîñîâ, äîêàçàëè Ôàðàäåé è Ìàêñâåëë. Èòàê, â ñâåòîâûõ âîëíàõ êîëåáàíèÿ ñîâåðøàþò íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè-
73
÷åñêîãî è ìàãíèòíîãî ïîëåé, à íîñèòåëåì âîëíû ñëóæèò ñàìî ïðîñòðàíñòâî, êîòîðîå íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè íàïðÿæåíèÿ. À îíî çà ñ÷åò òîêà ñìåùåíèÿ ñîçäàñò íîâîå ìàãíèòíîå ïîëå è òàê äî áåñêîíå÷íîñòè (ðèñ. 2.6, â).
Ñìûñë óðàâíåíèé (3) è (4) ïîíÿòåí — (3) îïèñûâàåò ýëåêòðîñòàòè÷åñêóþ òåîðåìó Ãàóññà è îáîáùàåò çàêîí Êóëîíà, (4) îòðàæàåò ôàêò îòñóòñòâèÿ ìàãíèòíûõ çàðÿäîâ. Äèâåðãåíöèÿ (îò ëàò. divergere— îáíàðóæèâàòü ðàñõîæäåíèå) åñòü ìåðà èñòî÷íèêà. Åñëè â ñòåêëå, íàïðèìåð, íå ðîæäàþòñÿ ñâåòîâûå ëó÷è, à òîëüêî ïðîõîäÿò ñêâîçü íåãî, divD = 0. Ñîëíöå êàê èñòî÷íèê ñâåòà è òåïëîòû îáëàäàåò ïîëîæèòåëüíîé äèâåðãåíöèåé, à òåìíîòà — îòðèöàòåëüíîé. Ïîýòîìó ñèëîâûå ëèíèè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ êîí÷àþòñÿ íà çàðÿäàõ, ïëîòíîñòü êîòîðûõ ð, à ìàãíèòíîãî — çàìêíóòû ñàìè íà ñåáÿ è íèãäå íå êîí÷àþòñÿ.
Ñèñòåìà âçãëÿäîâ, êîòîðàÿ ëåãëà â îñíîâó óðàâíåíèé Ìàêñâåëëà, ïîëó÷èëà íàçâàíèå ìàêñâåëëîâñêîé òåîðèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ. Õîòÿ ýòè óðàâíåíèÿ èìåþò ïðîñòîé âèä, íî ÷åì áîëüøå Ìàêñâåëë è åãî ïîñëåäîâàòåëè ðàáîòàëè íàä íèìè, òåì áîëåå ãëóáîêèé ñìûñë îòêðûâàëñÿ èì. Ã. Ãåðö, îïûòû êîòîðîãî ÿâèëèñü ïåðâûì ïðÿìûì äîêàçàòåëüñòâîì âåðíîñòè òåîðèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ Ôàðàäåÿ—Ìàêñâåëëà, ïèñàë î íåèñ÷åðïàåìîñòè óðàâíåíèé Ìàêñâåëëà: «Íåëüçÿ èçó÷àòü ýòó óäèâèòåëüíóþ òåîðèþ, íå èñïûòûâàÿ ïî âðåìåíàì òàêîãî ÷óâñòâà, áóäòî ìàòåìàòè÷åñêèå ôîðìóëû æèâóò ñîáñòâåííîé æèçíüþ, îáëàäàþò ñîáñòâåííûì ðàçóìîì — êàæåòñÿ, ÷òî ýòè ôîðìóëû óìíåå íàñ, óìíåå äàæå ñàìîãî àâòîðà, êàê áóäòî îíè äàþò íàì áîëüøå, ÷åì â ñâîå âðåìÿ áûëî â íèõ çàëîæåíî».
Ïðîöåññ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïîëÿ áóäåò ïðîäîëæàòüñÿ äî áåñêîíå÷íîñòè â âèäå íåçàòóõàþùåé âîëíû — ýíåðãèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ïóñòîòå ïîëíîñòüþ ïåðåõîäèò â ýíåðãèþ ýëåêòðè÷åñêîãî, è íàîáîðîò. Ñðåäè ïîñòîÿííûõ, âõîäÿùèõ â óðàâíåíèÿ, áûëà êîíñòàíòà ñ; Ìàêñâåëë íàøåë, ÷òî åå çíà÷åíèå ðàâíÿëîñü òî÷íî çíà÷åíèþ ñêîðîñòè ñâåòà. Íà ýòî ñîâïàäåíèå íåëüçÿ áûëî íå îáðàòèòü âíèìàíèÿ. Èòàê, â ñâåòîâûõ âîëíàõ êîëåáàíèÿ ñîâåðøàþò íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî è ìàãíèòíîãî ïîëåé, à íîñèòåëåì âîëíû ñëóæèò ñàìî ïðîñòðàíñòâî, êîòîðîå íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè íàïðÿæåíèÿ.
Ñâåòîâàÿ âîëíà — ýòî âîëíà ýëåêòðîìàãíèòíàÿ, «áåãóùàÿ â ïðîñòðàíñòâå è îòäåëåííàÿ îò èñïóñòèâøèõ åå çàðÿäîâ», êàê âûðàçèëñÿ Âàéñêîïô. Îòêðûòèå Ìàêñâåëëà îí ñðàâíèë ïî âàæíîñòè ñ îòêðûòèåì çàêîíà òÿãîòåíèÿ Íüþòîíà. Íüþòîí ñâÿçàë äâèæåíèå ïëàíåò ñ òÿãîòåíèåì íà Çåìëå è îòêðûë ôóíäàìåíòàëüíûå çàêîíû, óïðàâëÿþùèå ìåõàíè÷åñêèì äâèæåíèåì ìàññ ïîä äåéñòâèåì ñèë. Ìàêñâåëë ñâÿçàë îïòèêó ñ ýëåêòðè÷åñòâîì è âûâåë ôóíäàìåíòàëüíûå çàêîíû (óðàâíåíèÿ Ìàêñâåëëà), óïðàâëÿþùèå ïîâåäåíèåì ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëåé è èõ âçàèìîäåéñòâèåì ñ çàðÿäàìè è ìàãíèòàìè. Òðóäû Íüþòîíà ïðèâåëè ê ââåäåíèþ
74
ïîíÿòèÿ âñåîáùåãî çàêîíà òÿãîòåíèÿ, òðóäû Ìàêñâåëëà — ïîíÿòèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ è ê óñòàíîâëåíèþ çàêîíîâ åãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ.
Åñëè ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå ìîæåò ñóùåñòâîâàòü íåçàâèñèìî îò ìàòåðèàëüíîãî íîñèòåëÿ, òî äàëüíîäåéñòâèå äîëæíî óñòóïèòü ìåñòî áëèçêîäåéñòâèþ, ïîëÿì, ðàñïðîñòðàíÿþùèìñÿ â ïðîñòðàíñòâå ñ êîíå÷íîé ñêîðîñòüþ. Èäåè òîêà ñìåùåíèÿ (1861), ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí è ýëåêòðîìàãíèòíîé ïðèðîäû ñâåòà (1865) áûëè íàñòîëüêî ñìåëûìè è íåîáû÷íûìè, ÷òî äàæå ñëåäóþùåå ïîêîëåíèå ôèçèêîâ íå ñðàçó ïðèíÿëî òåîðèþ Ìàêñâåëëà.  1888 ã. Ã. Ãåðö îòêðûë ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû, íî òàêîãî àêòèâíîãî ïðîòèâíèêà òåîðèè Ìàêñâåëëà, êàê Ó. Òîìñîí (Êåëüâèí), ñìîãëè óáåäèòü ëèøü ýêñïåðèìåíòû Ï.Í.Ëåáåäåâà, îòêðûâøåãî â 1889 ã. ñóùåñòâîâàíèå ñâåòîâîãî äàâëåíèÿ.
Ïëîòíîñòü ïîòîêà ýíåðãèè â âîëíå, ðàñïðåäåëåííîé â íåêîòîðîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà è êîëåáëþùåéñÿ âî âðåìåíè, — ýòî êîëè÷åñòâî ýëåêòðîìàãíèòíîé ýíåðãèè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç åäèíè÷íóþ ïëîùàäêó, ïåðïåíäèêóëÿðíóþ íàïðàâëåíèþ ðàñïðîñòðàíåíèÿ, â åäèíèöó âðåìåíè. Ïëîòíîñòü ïîòîêà ýíåðãèè îáîçíà÷àþò áóêâîé SIT. Äëÿ ïëîñêîé âîëíû ñ Å =  ýíåðãèÿ äåëèòñÿ ïîðîâíó ìåæäó ýëåêòðè÷åñêîé è ìàãíèòíîé êîìïîíåíòàìè, ïîýòîìó óäîáíî çàïèñàòü: SÏ= Å2 = Â2.
Ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå Ñîëíöà ïåðåíîñèò íà Çåìëþ åãî ýíåðãèþ, ñíàáæàÿ íàñ òåïëîòîé è ñâåòîì. Ó÷åíèå î äâèæåíèè ýíåðãèè áûëî ðàçðàáîòàíî ðóññêèì ôèçèêîì Í.À.Óìîâûì. Îí ïîêàçàë, ÷òî èçìåíåíèå ýíåðãèè âíóòðè îáúåìà îïðåäåëÿåòñÿ åå ïîòîêîì, ïðîõîäÿùèì ÷åðåç ïîâåðõíîñòü. ×åðåç 11 ëåò ïîñëå ïóáëèêàöèè Óìîâà àíãëèéñêèé ôèçèê ëîðä Äæ. Ðýëåé ïðåäñòàâèë Êîðîëåâñêîìó îáùåñòâó ñîîáùåíèå Äæ. Ïîéòèíãà «Î ïåðåíîñå ýíåðãèè â ýëåêòðîìàãíèòíîì ïîëå», ãäå ñîäåðæàëèñü íåçàâèñèìî ïîëó÷åííûå àíàëîãè÷íûå ðåçóëüòàòû. Ïîýòîìó â íàñòîÿùåå âðåìÿ âåêòîð SÏ = [Å, Í] íàçûâàþò âåêòîðîì Óìîâà—Ïîéòèíãà.
Èìïóëüñ ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû ìîæíî çàïèñàòü àíàëîãè÷íî: èç ôîðìóëû Å = òñ2 ñëåäóåò ïîëó÷èòü çíà÷åíèå ýêâèâàëåíòíîé ìàññû è, çíàÿ ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëíû ñ, ïîñ÷èòàòü èìïóëüñ, ò. å. Ð = òñ = Å/ñ. Òàê êàê ñêîðîñòü ñâåòà îãðîìíà, ìû íå çàìå÷àåì äàâëåíèÿ ñâåòà, îáóñëîâëåííîãî íàëè÷èåì èìïóëüñà íè îò ñâåòîâîé âîëíû, íè îò ñâåòÿùåéñÿ ëàìïî÷êè, íè îò Ñîëíöà.  òåîðèè Ìàêñâåëëà ýíåðãèÿ ðàñïðåäåëåíà â ïðîñòðàíñòâå ñ îáúåìíîé ïëîòíîñòüþ, çàïèñàííîé âûøå, è ýëåêòðîìàãíèòíàÿ âîëíà íåñåò ýíåðãèþ. Ó÷åíûé óòâåðæäàë, ÷òî, ïàäàÿ íà ïîãëîùàþùóþ ïîâåðõíîñòü, âîëíà äîëæíà ïðîèçâîäèòü äàâëåíèå, ïðîïîðöèîíàëüíîå îáúåìíîé ïëîòíîñòè ýíåðãèè.
 ñåðåäèíå XIX â. Ìàêñâåëë îáúåäèíèë ýëåêòðè÷åñòâî è ìàãíåòèçì â åäèíîé òåîðèè ïîëÿ. Ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä ñâÿçàí ñ ýëåìåíòàðíûìè ÷àñòèöàìè, èç êîòîðûõ ñàìûå èçâåñòíûå — ýëåêòðîí
75
è ïðîòîí — èìåþò îäèíàêîâûé ïî âåëè÷èíå çàðÿä å, ýòî óíèâåðñàëüíàÿ ïîñòîÿííàÿ ïðèðîäû.  ÑÈ = 1,6 • 10-19 Êë. Õîòÿ ìàãíèòíûõ çàðÿäîâ ïîêà íå îáíàðóæåíî, â òåîðèè îíè óæå âîçíèêàþò. Ïî ìíåíèþ ôèçèêà Äèðàêà, âåëè÷èíà ìàãíèòíûõ çàðÿäîâ äîëæíà áûòü êðàòíîé çàðÿäó ýëåêòðîíà
Äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ â îáëàñòè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ïðèâåëè ê ïðîòèâîðå÷èÿì ñ ïðåäñòàâëåíèÿìè êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè, êîòîðûå ïûòàëñÿ óñòðàíèòü ïóòåì ìàòåìàòè÷åñêîãî ñîãëàñîâàíèÿ òåîðèé ãîëëàíäñêèé ôèçèê X. À. Ëîðåíö. Îí ââåë ïðåîáðàçîâàíèÿ êîîðäèíàò èíåðöèàëüíûõ ñèñòåì, êîòîðûå â îòëè÷èå îò êëàññè÷åñêèõ ïðåîáðàçîâàíèé Ãàëèëåÿ ñîäåðæàëè êîíñòàíòó — ñêîðîñòü ñâåòà, êîòîðàÿ è îñóùåñòâëÿëà ñâÿçü ñ òåîðèåé ïîëÿ. Èçìåíèëèñü ìàñøòàáû âðåìåíè è äëèí ïðè ñêîðîñòÿõ, áëèçêèõ ê ñêîðîñòè ñâåòà. Ôèçè÷åñêèé ñìûñë ýòèõ ïðåîáðàçîâàíèé Ëîðåíöà áûë îáúÿñíåí òîëüêî À. Ýéíøòåéíîì â 1905 ã. â åãî ðàáîòå «Ê ýëåêòðîäèíàìèêå äâèæóùèõñÿ òåë», ñîñòàâèâøåé îñíîâó ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè (ÑÒÎ), èëè ðåëÿòèâèñòñêîé ìåõàíèêè.
2.7. Òèïû ôóíäàìåíòàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé â ôèçèêå
Åñòåñòâîçíàíèå íå òîëüêî âûäåëÿåò òèïû ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ âî Âñåëåííîé, íî è ðàñêðûâàåò ñâÿçè ìåæäó íèìè. Ñâÿçü ìåæäó îáúåêòàìè â öåëîñòíîé ñèñòåìå áîëåå óïîðÿäî÷åíà, áîëåå óñòîé÷èâà, ÷åì ñâÿçü êàæäîãî èç ýëåìåíòîâ ñ ýëåìåíòàìè èç âíåøíåé ñðåäû. ×òîáû ðàçðóøèòü ñèñòåìó, âûäåëèòü èç ñèñòåìû òîò èëè èíîé ýëåìåíò, íóæíî ïðèëîæèòü ê íåé îïðåäåëåííóþ ýíåðãèþ. Ýòà ýíåðãèÿ èìååò ðàçíóþ âåëè÷èíó è çàâèñèò îò òèïà âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó ýëåìåíòàìè ñèñòåìû.  ìåãàìèðå ýòè âçàèìîäåéñòâèÿ îáåñïå÷èâàþòñÿ ãðàâèòàöèåé, â ìàêðîìèðå ê ãðàâèòàöèè äîáàâëÿåòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñòâèå, è îíî ñòàíîâèòñÿ îñíîâíûì, êàê áîëåå ñèëüíîå.  ìèêðîìèðå íà ðàçìåðàõ àòîìà ïðîÿâëÿåòñÿ åùå áîëåå ñèëüíîå ÿäåðíîå âçàèìîäåéñòâèå, îáåñïå÷èâàþùåå öåëîñòíîñòü àòîìíûõ ÿäåð. Ïðè ïåðåõîäå ê ýëåìåíòàðíûì ÷àñòèöàì ýíåðãèÿ âíóòðåííèõ ñâÿçåé ñòàíîâèòñÿ ñðàâíèìîé ñ ñîáñòâåííîé ýíåðãèåé ÷àñòèö — ñëàáîå ÿäåðíîå âçàèìîäåéñòâèå îáåñïå÷èâàåò èõ öåëîñòíîñòü. Òàê ÷òî ÷åì ìåíüøå ðàçìåðû ìàòåðèàëüíûõ ñèñòåì, òåì áîëåå ïðî÷íî ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé ýëåìåíòû.
Èñòîðèÿ íàóêè çíàåò ìíîæåñòâî ïîïûòîê ïðåäñòàâèòü ñëîæíûå ïðîöåññû âî Âñåëåííîé â âèäå îïðåäåëåííûõ ñõåì. Óñïåøíîå ïîçíàíèå îêðóæàþùåãî ìèðà è ïðèâåäåíèå íàáëþäàåìûõ ÿâëåíèé ê ïðîñòåéøèì ïîíÿòèÿì âîçìîæíû ëèøü â òîì ñëó÷àå, åñëè áû ìû ñóìåëè îïèñàòü ìèð â òåðìèíàõ îãðàíè÷åííîãî ÷èñëà ôóíäàìåíòàëüíûõ ÷àñòèö è íåñêîëüêèõ òèïîâ ôóíäàìåíòàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé, â êîòîðûå îíè ìîãóò âñòóïàòü. Ñåé÷àñ ìû çíàåì, ÷òî ïðèðîäíûå âåùåñòâà — ýòî õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ ýëåìåíòîâ, ïîñòðîåííûõ èç àòîìîâ è ñîáðàííûõ â Ïåðèîäè÷åñêóþ
76
òàáëèöó. Íåêîòîðîå âðåìÿ ñ÷èòàëè, ÷òî àòîìû è åñòü ýëåìåíòàðíûå êèðïè÷èêè ìèðîçäàíèÿ, íî ïîòîì óñòàíîâèëè, ÷òî àòîì ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé «öåëóþ Âñåëåííóþ» è ñîñòîèò èç âçàèìîäåéñòâóþùèõ äðóã ñ äðóãîì åùå áîëåå ôóíäàìåíòàëüíûõ ÷àñòèö: ïðîòîíîâ, ýëåêòðîíîâ, íåéòðîíîâ, ìåçîíîâ è ò.ä. ×èñëî ÷àñòèö, ïðåòåíäóþùèõ íà ýëåìåíòàðíîñòü, óâåëè÷èâàåòñÿ, íî òàê ëè óæ îíè ýëåìåíòàðíû?
Ìåõàíèêà Íüþòîíà áûëà ïðèçíàíà, íî ïðîèñõîæäåíèå ñèë, êîòîðûå âûçûâàþò óñêîðåíèÿ, â íåé íå îáñóæäàëèñü. Ñèëû ãðàâèòàöèè äåéñòâóþò ÷åðåç ïóñòîòó, îíè äàëüíîäåéñòâóþùèå, òîãäà êàê ñèëû ýëåêòðîìàãíèòíûå — ÷åðåç ñðåäó.  íàñòîÿùåå âðåìÿ âñå âçàèìîäåéñòâèÿ â ïðèðîäå ñâîäÿò ê ÷åòûðåì òèïàì: ãðàâèòàöèîííûå, ýëåêòðîìàãíèòíûå, ñèëüíûå ÿäåðíûå è ñëàáûå ÿäåðíûå.
Ãðàâèòàöèÿ (îò ëàò. gravitas— òÿæåñòü) — èñòîðè÷åñêè ïåðâîå èññëåäîâàííîå âçàèìîäåéñòâèå. Âñëåä çà Àðèñòîòåëåì ñ÷èòàëè, ÷òî âñå òåëà ñòðåìÿòñÿ â «ñâîåìó ìåñòó» (òÿæåëûå — âíèç, ê Çåìëå, ëåãêèå — ââåðõ). Ôèçèêå XVII—XVIII ââ. áûëè èçâåñòíû òîëüêî ãðàâèòàöèîííûå âçàèìîäåéñòâèÿ. Ïî Íüþòîíó, äâå òî÷å÷íûå ìàññû ïðèòÿãèâàþò äðóã äðóãà ñ ñèëîé, íàïðàâëåííîé âäîëü ñîåäèíÿþùåé èõ ïðÿìîé: Çíàê ìèíóñ óêàçûâàåò íà òî, ÷òî ìû èìååì äåëî ñ ïðèòÿæåíèåì, r — ðàññòîÿíèå ìåæäó òåëàìè (ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ðàçìåð òåë íàìíîãî ìåíüøå r), ò1 è ò2 — ìàññû òåë. Âåëè÷èíà G— óíèâåðñàëüíàÿ ïîñòîÿííàÿ, îïðåäåëÿþùàÿ çíà÷åíèå ãðàâèòàöèîííûõ ñèë. Åñëè òåëà ìàññîé ïî 1 êã íàõîäÿòñÿ íà ðàññòîÿíèè 1 ì äðóã îò äðóãà, òî ñèëà ïðèòÿæåíèÿ ìåæäó íèìè ðàâíà 6,67 • 10-11 í. Ãðàâèòàöèÿ óíèâåðñàëüíà, âñå òåëà ïîäâåðæåíû åé è äàæå ñàìà ÷àñòèöà — èñòî÷íèê ãðàâèòàöèè. Åñëè áû âåëè÷èíà Gáûëà áîëüøå, òî óâåëè÷èëàñü áû è ñèëà, íî Gî÷åíü ìàëà, è ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå â ìèðå ñóáàòîìíûõ ÷àñòèö íåñóùåñòâåííî, à ìåæäó ìàêðîñêîïè÷åñêèìè òåëàìè åëå çàìåòíî. Êýâåíäèø ñóìåë èçìåðèòü âåëè÷èíó G, ïîëüçóÿñü êðóòèëüíûìè âåñàìè. Óíèâåðñàëüíîñòü ïîñòîÿííîé Gîçíà÷àåò, ÷òî â ëþáîì ìåñòå Âñåëåííîé è â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè ñèëà ïðèòÿæåíèÿ ìåæäó òåëàìè ìàññîé ïî 1 êã, ðàçäåëåííûìè ðàññòîÿíèåì 1 ì, áóäåò èìåòü òî æå çíà÷åíèå. Ïîýòîìó ìîæíî ãîâîðèòü, ÷òî âåëè÷èíà Gîïðåäåëÿåò ñòðóêòóðó ãðàâèòèðóþùèõ ñèñòåì. Ãðàâèòàöèÿ, èëè òÿãîòåíèå, íå î÷åíü ñóùåñòâåííà ïðè âçàèìîäåéñòâèè ìåæäó ìàëûìè ÷àñòèöàìè, íî îíà óäåðæèâàåò ïëàíåòû, âñþ Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó è ãàëàêòèêè. Ìû ïîñòîÿííî îùóùàåì ãðàâèòàöèþ â íàøåé æèçíè. Çàêîí óòâåðäèë äàëüíîäåéñòâóþùóþ ïðèðîäó ñèëû òÿãîòåíèÿ è îñíîâíîå ñâîéñòâî ãðàâèòàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ — åãî óíèâåðñàëüíîñòü.
Òåîðèÿ òÿãîòåíèÿ Ýéíøòåéíà (ÎÒÎ) äàåò îòëè÷àþùèåñÿ ðåçóëüòàòû îò çàêîíà Íüþòîíà â ñèëüíûõ ãðàâèòàöèîííûõ ïîëÿõ, â ñëàáûõ — îáå òåîðèè ñîâïàäàþò. Ñîãëàñíî ÎÒÎ, ãðàâèòàöèÿ — ýòî ïðîÿâëåíèå èñêðèâëåíèÿ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. Òåëà äâèæóòñÿ ïî èñêðèâëåííûì òðàåêòîðèÿì íå ïîòîìó, ÷òî íà íèõ äåéñòâóåò
77
ãðàâèòàöèÿ, à ïîòîìó, ÷òî îíè äâèæóòñÿ â èñêðèâëåííîì ïðîñòðàíñòâå-âðåìåíè. Äâèæóòñÿ «êðàò÷àéøèì ïóòåì, è òÿãîòåíèå — ýòî ãåîìåòðèÿ». Âëèÿíèå èñêðèâëåíèÿ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè ìîæíî îáíàðóæèòü íå òîëüêî âáëèçè êîëëàïñèðóþùèõ îáúåêòîâ òèïà íåéòðîííûõ çâåçä èëè ÷åðíûõ äûð. Òàêîâû, íàïðèìåð, ïðåöåññèÿ îðáèòû Ìåðêóðèÿ èëè çàìåäëåíèå âðåìåíè íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè (ñì. ðèñ. 2.3, â). Ýéíøòåéí ïîêàçàë, ÷òî ãðàâèòàöèþ ìîæíî îïèñûâàòü êàê ýêâèâàëåíò óñêîðåííîãî äâèæåíèÿ.
×òîáû èçáåæàòü ñæàòèÿ Âñåëåííîé ïîä âëèÿíèåì ñàìîãðàâèòàöèè è îáåñïå÷èòü åå ñòàöèîíàðíîñòü, îí ââåë âîçìîæíûé èñòî÷íèê ãðàâèòàöèè ñ íåîáû÷íûìè ñâîéñòâàìè, âåäóùèé ê «ðàñòàëêèâàíèþ» ìàòåðèè, à íå ê êîíöåíòðàöèè åå, à ñèëà îòòàëêèâàíèÿ âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì ðàññòîÿíèÿ. Íî ýòè ñâîéñòâà ìîãóò ïðîÿâëÿòüñÿ òîëüêî â î÷åíü áîëüøèõ ìàñøòàáàõ Âñåëåííîé. Ñèëà îòòàëêèâàíèÿ íåèìîâåðíî ìàëà è íå çàâèñèò îò îòòàëêèâàþùåé ìàññû; åå ïðåäñòàâëÿþò â âèäå ãäå ò — ìàññà îò-
òàëêèâàåìîãî îáúåêòà; r — åãî ðàññòîÿíèå îò îòòàëêèâàþùåãî òåëà; L— êîíñòàíòà.  íàñòîÿùåå âðåìÿ óñòàíàâëèâàþò âåðõíèé ïðåäåë äëÿ L= 10-53 ì-2, ò.å. äëÿ äâóõ òåë ìàññîé ïî 1 êã, íàõîäÿùèõñÿ íà ðàññòîÿíèè 1 ì, ñèëà ïðèòÿæåíèÿ ïðåâûøàåò êîñìè÷åñêîå îòòàëêèâàíèå, ïî êðàéíåé ìåðå â 1025 ðàç. Åñëè äâå ãàëàêòèêè ñ ìàññàìè 1041 êã íàõîäÿòñÿ íà ðàññòîÿíèè 10 ìëí ñâ. ëåò (îêîëî 1022 ì), òî äëÿ íèõ ñèëû ïðèòÿæåíèÿ ïðèìåðíî óðàâíîâåøèâàëèñü áû ñèëàìè îòòàëêèâàíèÿ, åñëè âåëè÷èíà Läåéñòâèòåëüíî áëèçêà ê óêàçàííîìó âåðõíåìó ïðåäåëó. Ýòà âåëè÷èíà íå èçìåðåíà äî ñèõ ïîð, õîòÿ è âàæíà äëÿ êðóïíîìàñøòàáíîé ñòðóêòóðû Âñåëåííîé êàê ôóíäàìåíòàëüíàÿ.
Ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñòâèå, îáóñëîâëåííîå ýëåêòðè÷åñêèìè è ìàãíèòíûìè çàðÿäàìè, ïåðåíîñèòñÿ ôîòîíàìè. Ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó çàðÿäàìè ñëîæíûì îáðàçîì çàâèñÿò îò ïîëîæåíèÿ è äâèæåíèÿ çàðÿäîâ. Åñëè äâà çàðÿäà q1è q2íåïîäâèæíû è ñîñðåäîòî÷åíû â òî÷êàõ íà ðàññòîÿíèè r, òî âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó íèìè ýëåêòðè÷åñêîå è îïðåäåëÿåòñÿ çàêîíîì Êóëîíà:  çàâèñèìîñòè îò çíàêîâ çàðÿäîâ q1è q2ñèëà ýëåêòðè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, íàïðàâëåííàÿ âäîëü ïðÿìîé, ñîåäèíÿþùåé çàðÿäû, áóäåò ñèëîé ïðèòÿæåíèÿ èëè îòòàëêèâàíèÿ. Çäåñü ÷åðåç îáîçíà÷åíà ïîñòîÿííàÿ, îïðåäåëÿþùàÿ èíòåíñèâíîñòü ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, åå çíà÷åíèå ðàâíî 8,85 • 10-12 Ô/ì. Òàê, äâà çàðÿäà ïî 1 Êë, ðàçíåñåííûå íà 1 ì, áóäóò èñïûòûâàòü ñèëó 8,99 109 Í. Ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä âñåãäà ñâÿçàí ñ ýëåìåíòàðíûìè ÷àñòèöàìè. ×èñëåííàÿ âåëè÷èíà çàðÿäà íàèáîëåå èçâåñòíûõ ñðåäè íèõ — ïðîòîíà è ýëåêòðîíà — îäèíàêîâà: ýòî óíèâåðñàëüíàÿ ïîñòîÿííàÿ å = 1,6 10-19 Êë. Çàðÿä ïðîòîíà ñ÷èòàåòñÿ ïîëîæèòåëüíûì, ýëåêòðîíà — îòðèöàòåëüíûì.
Ìàãíèòíûå ñèëû ïîðîæäàþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèìè òîêàìè — äâèæåíèåì ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ. Ñóùåñòâóþò ïîïûòêè îáúåäèíèòü
78
òåîðèè ñ ó÷åòîì ñèììåòðèé, â êîòîðûõ ïðåäñêàçûâàåòñÿ ñóùåñòâîâàíèå ìàãíèòíûõ çàðÿäîâ (ìàãíèòíûõ ìîíîïîëåé), íî îíè ïîêà íå îáíàðóæåíû. Ïîýòîìó âåëè÷èíà å îïðåäåëÿåò è èíòåíñèâíîñòü ìàãíèòíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Åñëè ýëåêòðè÷åñêèå çàðÿäû äâèæóòñÿ ñ óñêîðåíèåì, òî îíè èçëó÷àþò — îòäàþò ýíåðãèþ â âèäå ñâåòà, ðàäèîâîëí èëè ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé â çàâèñèìîñòè îò äèàïàçîíà ÷àñòîò. Ïî÷òè âñå íîñèòåëè èíôîðìàöèè, âîñïðèíèìàåìûå íàøèìè îðãàíàìè ÷óâñòâ, èìåþò ýëåêòðîìàãíèòíóþ ïðèðîäó, õîòÿ è ïðîÿâëÿþòñÿ ïîä÷àñ â ñëîæíûõ ôîðìàõ. Ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ îïðåäåëÿþò ñòðóêòóðó è ïîâåäåíèå àòîìîâ, óäåðæèâàþò àòîìû îò ðàñïàäà, îòâå÷àþò çà ñâÿçè ìåæäó ìîëåêóëàìè, ò. å. çà õèìè÷åñêèå è áèîëîãè÷åñêèå ÿâëåíèÿ.
Ãðàâèòàöèÿ è ýëåêòðîìàãíåòèçì — äàëüíîäåéñòâóþùèå ñèëû, ðàñïðîñòðàíÿþùèåñÿ íà âñþ Âñåëåííóþ.
Ñèëüíûå è ñëàáûå ÿäåðíûå âçàèìîäåéñòâèÿ — êîðîòêîäåéñòâóþùèå è ïðîÿâëÿþòñÿ òîëüêî â ïðåäåëàõ ðàçìåðîâ àòîìíîãî ÿäðà, ò. å. â îáëàñòÿõ ïîðÿäêà 10-14 ì.
Ñëàáîå ÿäåðíîå âçàèìîäåéñòâèå îòâåòñòâåííî çà ìíîãèå ïðîöåññû, îáóñëàâëèâàþùèå íåêîòîðûå âèäû ÿäåðíûõ ðàñïàäîâ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö (íàïðèìåð, (3-ðàñïàä — ïðåâðàùåíèå íåéòðîíîâ â ïðîòîíû) ñ ðàäèóñîì äåéñòâèÿ ïî÷òè òî÷å÷íûì: îêîëî 10-18 ì. Îíî ñèëüíåå ñêàçûâàåòñÿ íà ïðåâðàùåíèÿõ ÷àñòèö, ÷åì íà èõ äâèæåíèè, ïîýòîìó åãî ýôôåêòèâíîñòü îïðåäåëÿþò ïîñòîÿííîé, ñâÿçàííîé ñî ñêîðîñòüþ ðàñïàäà, — óíèâåðñàëüíîé ïîñòîÿííîé ñâÿçè g(W), îïðåäåëÿþùåé ñêîðîñòü ïðîòåêàíèè ïðîöåññîâ òèïà ðàñïàäà íåéòðîíà. Ñëàáîå ÿäåðíîå âçàèìîäåéñòâèå îñóùåñòâëÿþò òàê íàçûâàåìûå ñëàáûå áîçîíû, è îäíè ñóáàòîìíûå ÷àñòèöû ìîãóò ïðåâðàùàòüñÿ â äðóãèå. Îòêðûòèå íåñòàáèëüíûõ ñóáúÿäåðíûõ ÷àñòèö îáíàðóæèëî, ÷òî ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå âûçûâàåò ìíîæåñòâî ïðåâðàùåíèé. Ñâåðõíîâûå çâåçäû — îäèí èç íåìíîãèõ ñëó÷àåâ íàáëþäàåìîãî ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ.
Ñèëüíîå ÿäåðíîå âçàèìîäåéñòâèå ïðåïÿòñòâóåò ðàñïàäó àòîìíûõ ÿäåð, è íå áóäü åãî, ÿäðà ðàñïàëèñü áû èç-çà ñèë ýëåêòðè÷åñêîãî îòòàëêèâàíèÿ ïðîòîíîâ.  ðÿäå ñëó÷àåâ äëÿ åãî õàðàêòåðèñòèêè ââîäÿò âåëè÷èíó g(S), àíàëîãè÷íóþ ýëåêòðè÷åñêîìó çàðÿäó, íî íàìíîãî áîëüøóþ. Ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå, îñóùåñòâëÿåìîå ãëþîíàìè, ðåçêî ñïàäàåò äî íóëÿ çà ïðåäåëàìè îáëàñòè ðàäèóñîì îêîëî 10-15 ì. Îíî ñâÿçûâàåò ìåæäó ñîáîé êâàðêè, âõîäÿùèå â ñîñòàâ ïðîòîíîâ, íåéòðîíîâ è äðóãèõ ïîäîáíûõ ÷àñòèö, èìåíóåìûõ àäðîíàìè. Ãîâîðÿò, ÷òî âçàèìîäåéñòâèå ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ åñòü îòðàæåíèå èõ âíóòðåííèõ âçàèìîäåéñòâèé, íî ïîêà êàðòèíà ýòèõ ãëóáèííûõ ÿâëåíèé ñêðûòà îò íàñ. Ñ íèì ñâÿçàíû ýíåðãèÿ, âûäåëÿåìàÿ Ñîëíöåì è çâåçäàìè, ïðåâðàùåíèÿ â ÿäåðíûõ ðåàêòîðàõ è îñâîáîæäåíèå ýíåðãèè.
Ïåðå÷èñëåííûå òèïû âçàèìîäåéñòâèé èìåþò, âèäèìî, ðàçíóþ ïðèðîäó. Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè íå ÿñíî, èñ÷åðïûâàþòñÿ ëè èìè
79
âñå âçàèìîäåéñòâèÿ â ïðèðîäå. Ñàìîå ñèëüíîå — êîðîòêîäåéñòâóþùåå ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå, ýëåêòðîìàãíèòíîå ñëàáåå åãî íà 2 ïîðÿäêà, ñëàáîå — íà 14 ïîðÿäêîâ, à ãðàâèòàöèîííîå ìåíüøå ñèëüíîãî íà 39 ïîðÿäêîâ.  ñîîòâåòñòâèè ñ âåëè÷èíîé ñèë âçàèìîäåéñòâèÿ îíè ïðîèñõîäÿò çà ðàçíîå âðåìÿ. Ñèëüíûå ÿäåðíûå âçàèìîäåéñòâèÿ âîçíèêàþò ïðè ñòîëêíîâåíèè ÷àñòèö ñ îêîëîñâåòîâûìè ñêîðîñòÿìè. Âðåìÿ ðåàêöèé, îïðåäåëÿåìîå äåëåíèåì ðàäèóñà äåéñòâèÿ ñèë íà ñêîðîñòü ñâåòà, äàåò âåëè÷èíó ïîðÿäêà 10-23 ñ. Ïðîöåññû ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïðîèñõîäÿò çà 10-9 ñ, à ãðàâèòàöèîííûå — ïîðÿäêà 1016 ñ, èëè 300 ìëí ëåò.
«Çàêîí îáðàòíûõ êâàäðàòîâ», ïî êîòîðîìó äåéñòâóþò äðóã íà äðóãà òî÷å÷íûå ãðàâèòàöèîííûå ìàññû èëè ýëåêòðè÷åñêèå çàðÿäû, ñëåäóåò, êàê ïîêàçàë Ï.Ýðåíôåñò, èç òðåõìåðíîñòè ïðîñòðàíñòâà (1917).  ïðîñòðàíñòâå ï èçìåðåíèé òî÷å÷íûå ÷àñòèöû âçàèìîäåéñòâîâàëè áû ïî çàêîíó îáðàòíîé ñòåïåíè (n - 1). Äëÿ ï = 3 ñïðàâåäëèâ çàêîí îáðàòíûõ êâàäðàòîâ, òàê êàê 3 - 1 = 2. À ïðè è = 4, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò çàêîíó îáðàòíûõ êóáîâ, ïëàíåòû äâèãàëèñü áû ïî ñïèðàëÿì è áûñòðî óïàëè íà Ñîëíöå.  àòîìàõ ïðè ÷èñëå èçìåðåíèé áîëüøå òðåõ òàêæå íå ñóùåñòâîâàëî áû óñòîé÷èâûõ îðáèò, ò. å. íå áûëî áû õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ è æèçíè. Íà ñâÿçü òðåõìåðíîñòè ïðîñòðàíñòâà ñ çàêîíîì òÿãîòåíèÿ óêàçûâàë åùå è Êàíò.
Êðîìå òîãî, ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ðàñïðîñòðàíåíèå âîëí â ÷èñòîì âèäå íåâîçìîæíî â ïðîñòðàíñòâå ñ ÷åòíûì ÷èñëîì èçìåðåíèé — ïîÿâëÿþòñÿ èñêàæåíèÿ, íàðóøàþùèå ïåðåíîñèìóþ âîëíîé ñòðóêòóðó (èíôîðìàöèþ). Ïðèìåð òîìó — ðàñïðîñòðàíåíèå âîëíû ïî ðåçèíîâîìó ïîêðûòèþ (ïî ïîâåðõíîñòè ðàçìåðíîñòè ï = 2).  1955 ã. ìàòåìàòèê Ã. Äæ. Óèòðîó çàêëþ÷èë, ÷òî ïîñêîëüêó æèâûì îðãàíèçìàì íåîáõîäèìû ïåðåäà÷à è îáðàáîòêà èíôîðìàöèè, òî âûñøèå ôîðìû æèçíè íå ìîãóò ñóùåñòâîâàòü â ïðîñòðàíñòâàõ ÷åòíîé ðàçìåðíîñòè. Ýòîò âûâîä îòíîñèòñÿ ê èçâåñòíûì íàì ôîðìàì æèçíè è çàêîíàì ïðèðîäû è íå èñêëþ÷àåò ñóùåñòâîâàíèÿ èíûõ ìèðîâ, èíîé ïðèðîäû.
2.8. Ïîïûòêè ïîñòðîåíèÿ Òåîðèè Âñåãî Ñóùåãî
Îò Íüþòîíà è Ï.Ëàïëàñà ñîõðàíèëîñü ðàññìîòðåíèå ìåõàíèêè êàê óíèâåðñàëüíîé ôèçè÷åñêîé òåîðèè.  XIX â. ýòî ìåñòî çàíÿëà ìåõàíèñòè÷åñêàÿ êàðòèíà ìèðà, âêëþ÷àþùàÿ ìåõàíèêó, òåðìîäèíàìèêó è êèíåòè÷åñêóþ òåîðèþ ìàòåðèè, óïðóãóþ òåîðèþ ñâåòà è ýëåêòðîìàãíåòèçì. Îòêðûòèå ýëåêòðîíà ñòèìóëèðîâàëî ïåðåñìîòð ïðåäñòàâëåíèé.  êîíöå âåêà Õ.Ëîðåíö ïîñòðîèë ñâîþ ýëåêòðîííóþ òåîðèþ äëÿ îõâàòà âñåõ ÿâëåíèé ïðèðîäû, íî ýòîãî íå äîñòèã. Ïðîáëåìû, ñâÿçàííûå ñ äèñêðåòíîñòüþ çàðÿäà è íåïðåðûâíîñòüþ ïîëÿ, è ïðîáëåìû â òåîðèè èçëó÷åíèÿ («óëüòðàôèîëåòîâàÿ êàòàñòðîôà») ïðèâåëè ê ñîçäàíèþ êâàíòîâî-ïîëåâîé êàðòèíû ìèðà è êâàíòîâîé ìåõàíèêè. Ïîñëå ñîçäàíèÿ ÑÒÎ îæèäàëîñü, ÷òî âñåîáùèé îõâàò ìèðà ïðèðîäû ñïîñîáíà äàòü ýëåêò-
80
ðîìàãíèòíàÿ êàðòèíà ìèðà, ñîåäèíÿâøàÿ òåîðèþ îòíîñèòåëüíîñòè, òåîðèþ Ìàêñâåëëà è ìåõàíèêó, íî è ýòà èëëþçèÿ âñêîðå áûëà ðàçâåÿíà.
Ìíîãèå òåîðåòèêè ïûòàëèñü åäèíûìè óðàâíåíèÿìè îõâàòèòü ãðàâèòàöèþ è ýëåêòðîìàãíåòèçì. Ïîä âëèÿíèåì Ýéíøòåéíà, êîòîðûé ââåë ÷åòûðåõìåðíîå ïðîñòðàíñòâî-âðåìÿ, ñòðîèëèñü ìíîãîìåðíûå òåîðèè ïîëÿ â ïîïûòêàõ ñâåñòè ÿâëåíèÿ ê ãåîìåòðè÷åñêèì ñâîéñòâàì ïðîñòðàíñòâà.
Îáúåäèíåíèå îñóùåñòâèëîñü íà îñíîâå óñòàíîâëåííîé íåçàâèñèìîñòè ñêîðîñòè ñâåòà äëÿ ðàçíûõ íàáëþäàòåëåé, äâèæóùèõñÿ â ïóñòîì ïðîñòðàíñòâå ïðè îòñóòñòâèè âíåøíèõ ñèë. Ýéíøòåéí èçîáðàçèë ìèðîâóþ ëèíèþ îáúåêòà íà ïëîñêîñòè, ãäå ïðîñòðàíñòâåííàÿ îñü íàïðàâëåíà ãîðèçîíòàëüíî, à âðåìåííàÿ — âåðòèêàëüíî. Òîãäà âåðòèêàëüíàÿ ïðÿìàÿ — ýòî ìèðîâàÿ ëèíèÿ îáúåêòà, êîòîðûé ïîêîèòñÿ â äàííîé ñèñòåìå îòñ÷åòà, à íàêëîííàÿ — îáúåêòà, äâèæóùåãîñÿ ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ. Êðèâàÿ ìèðîâàÿ ëèíèÿ ñîîòâåòñòâóåò äâèæåíèþ îáúåêòà ñ óñêîðåíèåì. Ëþáàÿ òî÷êà íà ýòîé ïëîñêîñòè îòâå÷àåò ïîëîæåíèþ â äàííîì ìåñòå â äàííîå âðåìÿ è íàçûâàåòñÿ ñîáûòèåì. Ãðàâèòàöèÿ ïðè ýòîì óæå íå ñèëà, äåéñòâóþùàÿ íà ïàññèâíîì ôîíå ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè, à ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé èñêàæåíèå ñàìîãî ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. Âåäü ãðàâèòàöèîííîå ïîëå — ýòî «êðèâèçíà» ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè.
Äëÿ óñòàíîâëåíèÿ ñâÿçè ìåæäó ñèñòåìàìè îòñ÷åòà, äâèæóùèìèñÿ îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà, íóæíî èçìåðÿòü ïðîñòðàíñòâåííûå èíòåðâàëû â òåõ æå åäèíèöàõ, ÷òî è âðåìåííûå. Ìíîæèòåëåì äëÿ òàêîãî ïåðåñ÷åòà ìîæåò ñëóæèòü ñêîðîñòü ñâåòà, ñâÿçûâàþùàÿ ðàññòîÿíèå ñ âðåìåíåì, çà êîòîðîå ñâåò ìîæåò ýòî ðàññòîÿíèå ïðåîäîëåòü.  òàêîé ñèñòåìå 1 ì ðàâåí 3,33 íå (1 íå = 10-9 ñ). Òîãäà ìèðîâàÿ ëèíèÿ ôîòîíà ïðîéäåò ïîä óãëîì 45°, à ëþáîãî ìàòåðèàëüíîãî îáúåêòà — ïîä ìåíüøèì óãëîì (òàê êàê ñêîðîñòü ó íåãî âñåãäà ìåíüøå ñêîðîñòè ñâåòà). Ïîñêîëüêó ïðîñòðàíñòâåííàÿ îñü ñîîòâåòñòâóåò òðåì äåêàðòîâûì îñÿì, òî ìèðîâûå ëèíèè ìàòåðèàëüíûõ òåë áóäóò íàõîäèòüñÿ âíóòðè êîíóñà, îïèñûâàåìîãî ìèðîâîé ëèíèåé ôîòîíà. Ðåçóëüòàòû íàáëþäåíèé ñîëíå÷íîãî çàòìåíèÿ 1919 ã. ïðèíåñëè âñåìèðíóþ ñëàâó Ýéíøòåéíó. Ñìåùåíèÿ çâåçä, êîòîðûå ìîæíî óâèäåòü â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà òîëüêî âî âðåìÿ çàòìåíèÿ, ñîâïàëè ñ ïðåäñêàçàíèÿìè òåîðèè òÿãîòåíèÿ Ýéíøòåéíà. Òàê ÷òî åãî ãåîìåòðè÷åñêèé ïîäõîä ê ïîñòðîåíèþ òåîðèè òÿãîòåíèÿ áûë ïîäòâåðæäåí âïå÷àòëÿþùèìè ýêñïåðèìåíòàìè.
 òîì æå 1919 ã., êîãäà ïîÿâèëàñü ÎÒÎ, ïðèâàò-äîöåíò Êåíèã-ñáåðãñêîãî óíèâåðñèòåòà Ò. Êàëóöà îòïðàâèë Ýéíøòåéíó ñâîþ ðàáîòó, ãäå ïðåäëàãàë ïÿòîå èçìåðåíèå. Ïûòàÿñü íàéòè ïåðâîîñíîâó âñåõ âçàèìîäåéñòâèé (òîãäà áûëî èçâåñòíî äâà — òÿãîòåíèå è ýëåêòðîìàãíåòèçì), Êàëóöà ïîêàçàë, ÷òî îíè ìîãóò áûòü âûâåäåíû åäèíîîáðàçíî â ïÿòèìåðíîé ÎÒÎ. Äëÿ óñïåõà îáúåäèíåíèÿ íå èìåëè çíà÷åíèÿ ðàçìåðû ïÿòîãî èçìåðåíèÿ è, ìîæåò áûòü, îíè ñòîëü ìàëû, ÷òî èõ íå óäàåòñÿ îáíàðóæèòü. Òîëüêî ïîñëå äâóõ-
81
ãîäè÷íîé ïåðåïèñêè ñ Ýéíøòåéíîì ñòàòüþ îïóáëèêîâàëè. Øâåäñêèé ôèçèê Î. Êëåéí ïðåäëîæèë ìîäèôèêàöèþ îñíîâíîãî óðàâíåíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè ñ ïÿòüþ ïåðåìåííûìè âìåñòî ÷åòûðåõ (1926). Íåîùóùàåìûå íàìè èçìåðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà îí «ñâåðíóë» äî î÷åíü ìàëûõ ðàçìåðîâ (ïðèâåäÿ ïðèìåð íåáðåæíî áðîøåííîãî ïîëèâàëüíîãî øëàíãà, êîòîðûé èçäàëåêà êàæåòñÿ èçâèëèñòîé ëèíèåé, à âáëèçè êàæäàÿ åãî òî÷êà îêàçûâàåòñÿ îêðóæíîñòüþ). Ðàçìåðû ýòèõ ñâîåîáðàçíûõ ïåòåëåê 1020 ðàç ìåíüøå ðàçìåðà àòîìíîãî ÿäðà. Ïîýòîìó ïÿòîå èçìåðåíèå è íå íàáëþäàåìî, íî âîçìîæíî.
 ðàçâèòèå ïÿòèìåðíîé òåîðèè âíåñëè ñâîé âêëàä ñîâåòñêèå ó÷åíûå Ã.À.Ìàíäåëü è Â. À. Ôîê. Îíè ïîêàçàëè, ÷òî òðàåêòîðèÿ çàðÿæåííîé ÷àñòèöû â ïÿòèìåðíîì ïðîñòðàíñòâå ìîæåò áûòü ñòðîãî îïèñàíà êàê ãåîäåçè÷åñêàÿ ëèíèÿ (îò ãðå÷. geodaisia— çåìëåðàçäå-ëåíèå), èëè êðàò÷àéøèé ïóòü ìåæäó äâóìÿ òî÷êàìè íà ïîâåðõíîñòè, ò. å. ïÿòîå èçìåðåíèå ìîæåò áûòü ôèçè÷åñêè ðåàëüíûì. Îíî íå îáíàðóæåíî èç-çà ñîîòíîøåíèÿ íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà, êîòîðîå êàæäóþ ÷àñòèöó ïðåäñòàâëÿåò â âèäå âîëíîâîãî ïàêåòà, çàíèìàþùåãî â ïðîñòðàíñòâå îáëàñòü, ðàçìåð êîòîðîé çàâèñèò îò ýíåðãèè ÷àñòèöû (÷åì áîëüøå ýíåðãèÿ, òåì ìåíüøå îáúåì îáëàñòè). Åñëè ïÿòîå èçìåðåíèå ñâåðíóòî â ìàëóþ îêðóæíîñòü, òî, ÷òîáû åå îáíàðóæèòü, îñâåùàþùèå åå ÷àñòèöû äîëæíû îáëàäàòü áîëüøîé ýíåðãèåé. Óñêîðèòåëè äàþò ïó÷êè ÷àñòèö, îáåñïå÷èâàþùèå ðàçðåøàþùóþ ñïîñîáíîñòü 10-18 ì. Ïîýòîìó, åñëè îêðóæíîñòü â ïÿòîì èçìåðåíèè èìååò ìåíüøèå ðàçìåðû, åå ïîêà íåëüçÿ îáíàðóæèòü.
Êàê ïðåäñòàâèòü ñåáå ïÿòèìåðíîå ïðîñòðàíñòâî? Âîîáðàçèì ëèíèþ áåñêîíå÷íîé äëèíû, ñ êàæäîé òî÷êîé êîòîðîé ñâÿçàíà îêðóæíîñòü, íå÷òî âðîäå áåñêîíå÷íîãî öèëèíäðà. Îäíîìåðíàÿ ëèíèÿ è îäíîìåðíàÿ îêðóæíîñòü ïîðîæäàþò äâóõìåðíûé öèëèíäð. ×åòûðåõìåðíóþ êîíñòðóêöèþ ìîæíî ïðåäñòàâèòü èç äâóìåðíîé ïëîñêîñòè è äâóìåðíîé ñôåðû. Äàëåå, ïÿòèìåðíîå ïðîñòðàíñòâî ïîðîæäåíî îêðóæíîñòüþ è îáû÷íûì ÷åòûðåõìåðíûì ïðîñòðàíñòâîì, ò. å. îáúåäèíåíèåì ñôåðû è ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. Äëèíà îêðóæíîñòè â ïÿòîì èçìåðåíèè, ïðèâîäÿùàÿ ê îáðàçîâàíèþ ÷àñòèö â òåîðèè Êàëóöû, î÷åíü ìàëà: îêîëî 10-32 ì! Íî ðàáîòû ïî ìíîãîìåðíûì òåîðèÿì ïðîäîëæàëèñü. Òàê, ñîâåòñêèé ïðîôåññîð Þ. Á. Ðóìåð (ñâîþ íàó÷íóþ äåÿòåëüíîñòü îí íà÷àë åùå ó Ì. Áîðíà âî âðåìÿ ñîçäàíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè, îáùàëñÿ ñî âñåìè âåëèêèìè ôèçèêàìè XX â., â òîì ÷èñëå ñ Ýéíøòåéíîì, ïîñëåäíèå 30 ëåò ðàáîòàë â Íîâîñèáèðñêå) â ñâîåé ïÿòèìåðíîé òåîðèè ïîêàçàë, ÷òî ïÿòîìó èçìåðåíèþ ìîæíî ïðèäàòü ñìûñë äåéñòâèÿ. Òóò æå ïîÿâèëèñü ïîïûòêè ïðåäñòàâèòü íàãëÿäíî ýòî ïÿòèìåðíîå ïðîñòðàíñòâî, êàê ðàíåå ÷åòûðåõìåðíîå ïðîñòðàíñòâî-âðåìÿ, ââåäåííîå Ýéíøòåéíîì. Îäíà èç òàêèõ ïîïûòîê — ãèïîòåçà î ñóùåñòâîâàíèè «ïàðàëëåëüíûõ» ìèðîâ. ×åòûðåõìåðíîå èçîáðàæåíèå ìÿ÷à ïðåäñòàâèòü áûëî íåñëîæíî: ýòî ñîâîêóïíîñòü åãî èçîáðàæåíèé â êàæäîé âðåìåííîé òî÷êå — «òðóáà» èç ìÿ÷åé, êîòîðàÿ òÿíåòñÿ èç ïðîøëîãî â áóäóùåå. À ïÿòèìåðíûé ìÿ÷ —
82
ýòî óæå ïîëå, ïëîñêîñòü èç àáñîëþòíî îäèíàêîâûõ ìèðîâ. Âî âñåõ ìèðàõ, èìåþùèõ îò òðåõ äî ïÿòè èçìåðåíèé, äàæå îäíà ïðè÷èíà, õîòÿ áû ñëó÷àéíàÿ, ìîæåò ïîðîäèòü íåñêîëüêî ñëåäñòâèé.
Øåñòèìåðíàÿ Âñåëåííàÿ, ïîñòðîåííàÿ âûäàþùèìñÿ ñîâåòñêèì àâèàêîíñòðóêòîðîì Ë.Ð. Áàðòèíè, âêëþ÷àåò òðè ïðîñòðàíñòâåííûõ èçìåðåíèÿ è òðè âðåìåííûõ. Ó Áàðòèíè äëèíà âðåìåíè — äëèòåëüíîñòü, øèðèíà — êîëè÷åñòâî âàðèàíòîâ, âûñîòà — ñêîðîñòü âðåìåíè â êàæäîì èç âîçìîæíûõ ìèðîâ.
Òåîðèÿ êâàíòîâîé ãðàâèòàöèè äîëæíà áûëà ñîåäèíèòü ÎÒÎ è êâàíòîâóþ ìåõàíèêó. Âî Âñåëåííîé, ïîä÷èíåííîé çàêîíàì êâàíòîâîé ãðàâèòàöèè, êðèâèçíà ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè è åãî ñòðóêòóðà äîëæíû ôëóêòóèðîâàòü, êâàíòîâûé ìèð íèêîãäà íå íàõîäèòñÿ â ïîêîå. È ïîíÿòèÿ ïðîøëîãî è áóäóùåãî, ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ñîáûòèé â òàêîì ìèðå òîæå äîëæíû áûòü èíûìè. Ýòè èçìåíåíèÿ ïîêà íå îáíàðóæåíû, òàê êàê êâàíòîâûå ýôôåêòû ïðîÿâëÿþòñÿ â èñêëþ÷èòåëüíî ìàëûõ ìàñøòàáàõ.
 50-å ãã. XX â. Ð.Ôåéíìàí, Þ.Øâèíãåð è Ñ.Òîìîãàâà íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà ñîçäàëè êâàíòîâóþ ýëåêòðîäèíàìèêó, ñâÿçàâ êâàíòîâóþ ìåõàíèêó ñ ðåëÿòèâèñòñêèìè ïðåäñòàâëåíèÿìè è îáúÿñíèâ ìíîãèå ýôôåêòû, ïîëó÷åííûå ïðè èññëåäîâàíèè àòîìîâ è èõ èçëó÷åíèé. Çàòåì áûëà ðàçðàáîòàíà òåîðèÿ ñëàáûõ âçàèìîäåéñòâèé, è ïîêàçàíî, ÷òî ýëåêòðîìàãíåòèçì ìîæíî îáúåäèíèòü ìàòåìàòè÷åñêè òîëüêî ñî ñëàáûì âçàèìîäåéñòâèåì. Îäèí èç åå àâòîðîâ, ïàêèñòàíñêèé ôèçèê-òåîðåòèê À. Ñàëàì, ïèñàë: «Ñåêðåò äîñòèæåíèÿ Ýéíøòåéíà ñîñòîèò â òîì, ÷òî îí îñîçíàë ôóíäàìåíòàëüíîå çíà÷åíèå çàðÿäà â ãðàâèòàöèîííîì âçàèìîäåéñòâèè. È ïîêà ìû íå ïîéìåì ïðèðîäó çàðÿäîâ â ýëåêòðîìàãíèòíûõ, ñëàáûõ è ñèëüíûõ âçàèìîäåéñòâèÿõ òàê æå ãëóáîêî, êàê ýòî ñäåëàë Ýéíøòåéí äëÿ òÿãîòåíèÿ, íàäåæäû íà óñïåõ â îêîí÷àòåëüíîé óíèôèêàöèè ìàëî... Ìû õîòåëè áû íå òîëüêî ïðîäîëæèòü ïîïûòêè Ýéíøòåéíà, â êîòîðûõ åìó íå óäàëîñü ïðåóñïåòü, íî è âêëþ÷èòü â ýòó ïðîãðàììó îñòàëüíûå çàðÿäû».
Âîçðîäèëñÿ èíòåðåñ ê ìíîãîìåðíûì òåîðèÿì, è âíîâü ñòàëè îáðàùàòüñÿ ê ðàáîòàì Ýéíøòåéíà, Áåðãìàíà, Êàëóöû, Ðóìåðà, Éîðäàíà.  ðàáîòàõ ñîâåòñêèõ ôèçèêîâ (Ë.Ä.Ëàíäàó, È.ß.Ïîìåðàí÷óê, Å.Ñ.Ôðàäêèí) ïîêàçàíî, ÷òî ïðè ðàññòîÿíèÿõ 10-33 ñì â êâàíòîâîé ýëåêòðîäèíàìèêå ïîÿâëÿþòñÿ íåóñòðàíèìûå ïðîòèâîðå÷èÿ (ðàñõîäèìîñòè, àíîìàëèè, âñå çàðÿäû îáðàùàþòñÿ â íóëü). Ìíîãèå ó÷åíûå ðàáîòàëè íàä èäåÿìè ñîçäàíèÿ åäèíîé òåîðèè. Ñ. Âàéíáåðã, À. Ñàëàì è Ø. Ãëýøîó ïîêàçàëè, ÷òî ýëåêòðîìàãíåòèçì è ñëàáîå ÿäåðíîå âçàèìîäåéñòâèå ìîæíî ñ÷èòàòü ïðîÿâëåíèåì íåêîåé «ýëåêòðîñëàáîé» ñèëû è ÷òî èñòèííûå íîñèòåëè ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ — êâàðêè. Ñîçäàííàÿ òåîðèÿ — êâàíòîâàÿ õðîìîäèíàìèêà — ïîñòðîèëà ïðîòîíû è íåéòðîíû èç êâàðêîâ è ñôîðìèðîâàëà òàê íàçûâàåìóþ ñòàíäàðòíóþ ìîäåëü ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö.
83
Åùå Ïëàíê îòìåòèë ôóíäàìåíòàëüíóþ ðîëü âåëè÷èí, ñîñòàâëåííûõ èç òðåõ êîíñòàíò, îïðåäåëÿþùèõ îñíîâíûå òåîðèè, — ÑÒÎ (ñêîðîñòè ñâåòà ñ), êâàíòîâóþ ìåõàíèêó (ïîñòîÿííîé Ïëàíêà h) è òåîðèþ òÿãîòåíèÿ Íüþòîíà (ãðàâèòàöèîííîé ïîñòîÿííîé G). Èç èõ êîìáèíàöèè ìîæíî ïîëó÷èòü òðè âåëè÷èíû (ïëàíêîâñêèå) ñ
ðàçìåðíîñòÿìè ìàññû, âðåìåíè è äëèíû
= 5 • 1093 ã/ñì3. Ïëàíêîâñêàÿ äëèíà ñîâïàäàåò ñ êðèòè÷åñêèì ðàññòîÿíèåì, íà êîòîðîì òåðÿåò ñìûñë êâàíòîâàÿ ýëåêòðîäèíàìèêà. Ñåé÷àñ îïðåäåëåíà ãåîìåòðèÿ ëèøü íà ðàññòîÿíèÿõ áîëåå 10-16 ñì, êîòîðûå áîëüøå ïëàíêîâñêèõ íà 17 ïîðÿäêîâ âåëè÷èíû! Îáúåäèíåíèå âçàèìîäåéñòâèé íóæíî äëÿ óñòðàíåíèÿ â òåîðèè ðàñõî-äèìîñòåé è àíîìàëèé — ïðîáëåìó ñîñòàâëÿëî îïðåäåëåíèå ÷àñòèö êàê òî÷åê è èñêàæåíèå èìè ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. È åãî ñòàëè èñêàòü ñ ïîìîùüþ èäåé áîëåå âûñîêèõ ñèììåòðèé. Ýòè èäåè ïîëó÷èëè «âòîðîå äûõàíèå» â 80-å ãã. XX â. â òåîðèÿõ âåëèêîãî îáúåäèíåíèÿ ÒÂÎ è ñóïåðãðàâèòàöèè. ÒÂÎ — ýòî òåîðèÿ, ïîçâîëÿþùàÿ îáúåäèíèòü âñå âçàèìîäåéñòâèÿ, êðîìå ãðàâèòàöèîííîãî. Åñëè óäàñòñÿ îáúåäèíèòü ñ íåé è ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå, òî ïîëó÷èòñÿ Òåîðèÿ Âñåãî Ñóùåãî (ÒÂÑ). Òîãäà ìèð áóäåò îïèñûâàòüñÿ åäèíîîáðàçíî. Ïîèñê òàêîé «ñóïåðñèëû» ïðîäîëæàåòñÿ.
Òåîðèè ñóïåðãðàâèòàöèè èñïîëüçóþò ìíîãîìåðíûå ïîñòðîåíèÿ, ñâîéñòâåííûå ãåîìåòðè÷åñêîìó ïîäõîäó ïðè ïîñòðîåíèè ÎÒÎ. Ìîæíî ïîñòðîèòü ìèð èç ðàçíîãî ÷èñëà èçìåðåíèé (èñïîëüçóþò 11- è 26-ìåðíûå ìîäåëè), íî 11-ìåðíûå íàèáîëåå èíòåðåñíû è êðàñèâû ñ ìàòåìàòè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ: 7 — ìèíèìàëüíîå ÷èñëî ñêðûòûõ èçìåðåíèé ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè, êîòîðûå äîïóñêàþò âêëþ÷åíèå â òåîðèþ òðåõ íåãðàâèòàöèîííûõ ñèë, à 4 — îáû÷íûå èçìåðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. ×åòûðå èçâåñòíûõ âçàèìîäåéñòâèÿ ðàññìàòðèâàþò êàê ãåîìåòðè÷åñêèå êîíñòðóêöèè, èìåþùèå áîëåå ïÿòè èçìåðåíèé.
Òåîðèÿ ñóïåðñòðóí ðàçðàáàòûâàåòñÿ ñ ñåðåäèíû 80-õ ãã. XX â. íàðÿäó ñ ñóïåðãðàâèòàöèåé. Ýòó òåîðèþ íà÷àëè ðàçâèâàòü àíãëèéñêèé ó÷åíûé Ì. Ãðèí è àìåðèêàíñêèé ó÷åíûé Äæ. Øâàðö. Îíè ñîïîñòàâèëè ÷àñòèöàì âìåñòî òî÷êè îäíîìåðíóþ ñòðóíó, ïîìåùåííóþ â ìíîãîìåðíîå ïðîñòðàíñòâî. Ýòà òåîðèÿ, çàìåíèâ òî÷å÷íûå ÷àñòèöû êðîøå÷íûìè ýíåðãåòè÷åñêèìè ïåòëÿìè, óñòðàíèëà àáñóðäíîñòè, âîçíèêàþùèå ïðè ðàñ÷åòàõ. Êîñìè÷åñêèå ñòðóíû — ýòî ýêçîòè÷åñêèå íåâèäèìûå îáðàçîâàíèÿ, ïîðîæäåííûå òåîðèåé ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö.  ýòîé òåîðèè îòðàæåíà èåðàðõè÷íîñòü ïîíèìàíèÿ ìèðà — âîçìîæíîñòü òîãî, ÷òî íå ñóùåñòâóåò îêîí÷àòåëüíîãî îñíîâàíèÿ äëÿ ôèçè÷åñêîé ðåàëüíîñòè, à åñòü òîëüêî ïîñëåäîâàòåëüíîñòü âñå ìåíüøèõ è ìåíüøèõ ÷àñòèö. Ñóùåñòâóþò è î÷åíü
84
ìàññèâíûå ÷àñòèöû, è îêîëî òûñÿ÷è ÷àñòèö áåç ìàññû. Ó êàæäîé ñòðóíû, èìåþùåé ïëàíêîâñêèé ðàçìåð (10-33 ñì), ïðè ýòîì ìîæåò áûòü áåñêîíå÷íî ìíîãî òèïîâ (èëè ìîä) êîëåáàíèé. Êàê âèáðàöèÿ ñòðóí ñêðèïêè ïîðîæäàåò ðàçëè÷íûå çâóêè, òàê è âèáðàöèÿ ýòèõ ñòðóí ìîæåò ãåíåðèðîâàòü âñå ñèëû è ÷àñòèöû. Ñóïåðñòðóíû ïîçâîëÿþò ïîíÿòü êèðàëüíîñòü (îò ãðå÷. cheir— ðóêà), òîãäà êàê ñóïåðãðàâèòàöèÿ íå ìîæåò îáúÿñíèòü ðàçíèöû ìåæäó ëåâûì è ïðàâûì — â íåé ïîðîâíó ÷àñòèö êàæäîé íàïðàâëåííîñòè. Òåîðèÿ ñóïåðñòðóí, êàê è ñóïåðãðàâèòàöèè, ñâÿçàíà íå ñ îïûòîì, à ñ áîëåå õàðàêòåðíûì äëÿ ìàòåìàòèêè óñòðàíåíèåì àíîìàëèé è ðàñõîäèìîñòåé.
Àìåðèêàíñêèé ôèçèê Ý. Âèòòåí çàêëþ÷èë, ÷òî òåîðèÿ ñóïåðñòðóí — îñíîâíàÿ íàäåæäà íà áóäóùåå ôèçèêè, îíà íå òîëüêî ó÷èòûâàåò âîçìîæíîñòü ñèëû òÿæåñòè, íî è óòâåðæäàåò åå ñóùåñòâîâàíèå, è òÿæåñòü — åñòü ñëåäñòâèå òåîðèè ñóïåðñòðóí. Åãî òåõíîëîãèÿ, çàèìñòâîâàííàÿ èç òîïîëîãèè è òåîðèè êâàíòîâîãî ïîëÿ, ïîçâîëÿåò îòêðûâàòü ãëóáîêèå ñèììåòðèè ìåæäó çàïóòàííûìè óçëàìè âûñîêîé ìåðíîñòè. Áûëà çàôèêñèðîâàíà ðàçìåðíîñòü, ñîîòâåòñòâóþùàÿ îòíîñèòåëüíî íåïðîòèâîðå÷èâîé òåîðèè, îíà ðàâíà 506. (Çà 1981—1990 ãã. Âèòòåí îïóáëèêîâàë 96 ñòàòåé ïî òåîðèè ñóïåðñòðóí, è îíè öèòèðîâàëèñü 12 105 ðàç äðóãèìè ôèçèêàìè — ïîêà íåäîñÿãàåìûé ðåêîðä öèòèðóåìîñòè.)
Ñ ïîìîùüþ òåîðèè ñóïåðñòðóí ìîæíî îáúÿñíèòü «êëî÷êîâàòîñòü» ðàñïðåäåëåíèÿ âåùåñòâà âî Âñåëåííîé. Ñóïåðñòðóíû — ýòî íèòè, îñòàâøèåñÿ îò âåùåñòâà òîëüêî ÷òî ðîäèâøåéñÿ Âñåëåííîé. Îíè íåâåðîÿòíî ïîäâèæíû è ïëîòíû, èñêðèâëÿþò ïðîñòðàíñòâî âîêðóã ñåáÿ, îáðàçóþò êëóáêè è ïåòëè, ïðè÷åì ìàññèâíûå ïåòëè ìîãëè áû ñîçäàâàòü ãðàâèòàöèîííîå ïðèòÿæåíèå, äîñòàòî÷íî ñèëüíîå, ÷òîáû çàðîæäàëèñü ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû, ãàëàêòèêè è ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê. Ê 1986 ã. îïóáëèêîâàíî ìíîãî ðàáîò ïî êîñìè÷åñêèì ñòðóíàì, õîòÿ ñàìè îíè äî ñèõ ïîð íå îáíàðóæåíû. Íàéòè ñóïåðñòðóíû ñ÷èòàþò âîçìîæíûì ïî èñêðèâëåíèþ ïðîñòðàíñòâà, êîòîðîå îíè âûçûâàþò, äåéñòâóÿ êàê ãðàâèòàöèîííàÿ ëèíçà, èëè ïî èñïóñêàåìûì èìè ãðàâèòàöèîííûì âîëíàì. Ýâîëþöèþ ñóïåðñòðóí ðàçûãðûâàþò íà êîìïüþòåðàõ, è íà ýêðàíå äèñïëåÿ âîçíèêàþò êàðòèíû, ñîîòâåòñòâóþùèå íàáëþäàåìûì â êîñìîñå, — òàì òîæå îáðàçóþòñÿ âîëîêíà, ñëîè è ãèãàíòñêèå ïóñòîòû, â êîòîðûõ ïðàêòè÷åñêè íåò ãàëàêòèê.
Ýòî íåîáû÷àéíîå ñáëèæåíèå êîñìîëîãèè è ôèçèêè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö â ïîñëåäíèå 30 ëåò äàëî âîçìîæíîñòü ðàçîáðàòüñÿ â ñóòè ïðîöåññîâ ðîæäåíèÿ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè è âåùåñòâà â êîðîòêîì èíòåðâàëå îò 10-43 äî 10-35 ñ ïîñëå ïåðâè÷íîé ñèíãóëÿðíîñòè, íàçûâàåìîé Áîëüøèì Âçðûâîì. ×èñëî ðàçìåðíîñòåé 10 (ñóïåðãðàâèòàöèÿ) èëè 506 (òåîðèÿ ñóïåðñòðóí) — íå îêîí÷àòåëüíî, ìîãóò ïîÿâèòüñÿ è áîëåå ñëîæíûå ãåîìåòðè÷åñêèå îáðàçû, íî íåïîñðåäñòâåííîìó îáíàðóæåíèþ ìíîæåñòâî äîïîëíèòåëüíûõ ðàçìåðíîñòåé íå äîñòóïíî. Èñòèííàÿ ãåîìåòðèÿ Âñåëåííîé, âåðîÿòíî, íå èìååò òðåõ ïðîñòðàíñòâåííûõ èçìåðåíèé, ÷òî õàðàêòåðíî ëèøü äëÿ íàøåé Ìåòàãàëàêòèêè — íàáëþäàåìîé ÷àñòè Âñåëåííîé.
85
È âñå îíè, êðîìå òðåõ, â ìîìåíò Áîëüøîãî Âçðûâà (10—15 ìëðä ëåò íàçàä) ñâåðíóëèñü äî ïëàíêîâñêèõ ðàçìåðîâ. Íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ (äî ðàçìåðîâ Ìåòàãàëàêòèêè 1028 ñì) ãåîìåòðèÿ åâêëèäîâà è òðåõìåðíà, à íà ïëàíêîâñêèõ — íååâêëèäîâà è ìíîãîìåðíà. Ñ÷èòàþò, ÷òî ðàçðàáàòûâàåìûå ñåé÷àñ Òåîðèè Âñåãî Ñóùåãî (ÒÂÑ) äîëæíû îáúåäèíèòü îïèñàíèÿ âñåõ ôóíäàìåíòàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé ìåæäó ÷àñòèöàìè.
Ñîâïàäåíèå ïðåäìåòà èññëåäîâàíèé èçìåíèëî ñëîæèâøóþñÿ ìåòîäîëîãèþ íàóê. Àñòðîíîìèÿ ñ÷èòàëàñü íàáëþäàòåëüíîé íàóêîé, à óñêîðèòåëè — èíñòðóìåíòîì â ôèçèêå ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Òåïåðü ñòàëè ñòðîèòü ïðåäïîëîæåíèÿ î ñâîéñòâàõ ÷àñòèö è èõ âçàèìîäåéñòâèÿõ â êîñìîëîãèè, è ïðîâåðèòü èõ ñòàëî âîçìîæíûì óæå äëÿ íûíåøíåãî ïîêîëåíèÿ ó÷åíûõ. Òàê, èç êîñìîëîãèè ñëåäóåò, ÷òî ÷èñëî ôóíäàìåíòàëüíûõ ÷àñòèö äîëæíî áûòü íåâåëèêî. Ýòî ïðåäñêàçàíèå îòíîñèëîñü ê àíàëèçó ïðîöåññîâ ïåðâè÷íîãî ñèíòåçà íóêëîíîâ, êîãäà âîçðàñò Âñåëåííîé ñîñòàâëÿë îêîëî 1 ñ, è ñäåëàíî îíî áûëî â òî âðåìÿ, êîãäà êàçàëîñü, ÷òî äîñòèæåíèå áîëüøèõ ìîùíîñòåé íà óñêîðèòåëÿõ ïðèâåäåò ê óâåëè÷åíèþ ÷èñëà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Åñëè áû ÷àñòèö áûëî ìíîãî, Âñåëåííàÿ áûëà áû ñåé÷àñ èíîé.
Ïðîâåðèòü òåîðèþ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö äîëæåí áûë ñâåðõïðîâîäèìûé ñóïåðêîëëàéäåð äèàìåòðîì 75 êì. Åãî õîòåëè ïîñòðîèòü â ÑØÀ (áûëî ïîòðà÷åíî 2 ìëðä äîëë. è ïðîðûò â Òåõàñå òîííåëü äëèíîé 22 êì), íî Êîíãðåññ ÑØÀ îñòàíîâèë ýòè ðàáîòû. Ñòðóíû ñòîëü æå ìàëû ïî ñðàâíåíèþ ñ ïðîòîíîì, êàê è ïðîòîí ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàçìåðàìè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Äëÿ ïðîâåðêè òåîðèè ñóïåðñòðóí íóæíà ïðîñòðàíñòâåííàÿ áàçà ðàçìåðàìè ïîðÿäêà 1000 ñâ. ëåò, ïîýòîìó äàëüíåéøåå ïðîäâèæåíèå â ïðîâåðêå ÒÂÑ çàìîðîæåíî. Óÿçâèìîñòü òåîðèè ñóïåðñòðóí â òîì, ÷òî ïîêà îíà îïèðàåòñÿ ëèøü íà óìîçðèòåëüíûå ñóæäåíèÿ. Äà è âðÿä ëè ýòà òåîðèÿ áóäåò èìåòü ïðàêòè÷åñêóþ öåííîñòü; îíà óñòðàíèò ïàðàäîêñû êâàíòîâîé ìåõàíèêè, íî ôèçèêè íå ñìîãóò äîêàçàòü, ÷òî ýòà òåîðèÿ ÿâëÿåòñÿ îêîí÷àòåëüíîé, êàê äîêàçûâàþò òåîðåìû ìàòåìàòèêè; äëÿ íèõ äîñòàòî÷íî, ÷òî îíà ðàáîòàåò è äàåò ðåçóëüòàòû, ïîäòâåðæäàþùèåñÿ ýêñïåðèìåíòîì.
Çíàêîìÿñü ñ ÿâëåíèÿìè â ïðîñòûõ ñèñòåìàõ è ñîïðîâîæäàþùèìè èõ âçàèìîäåéñòâèÿìè, áóäåì èñêàòü è âûäåëÿòü îáùèå ïðàâèëà, êîòîðûì îíè ïîä÷èíÿþòñÿ, âûÿñíÿòü îáëàñòü èõ ïðèëîæåíèÿ è ïûòàòüñÿ ïðèìåíÿòü èõ ê áîëåå ñëîæíûì ñèñòåìàì. È îãðîìíàÿ è ñëîæíàÿ Âñåëåííàÿ ïðåäñòàíåò â âèäå ñîâîêóïíîñòè íåáîëüøîãî ÷èñëà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, êîòîðûå ìîãóò âçàèìîäåéñòâîâàòü òîëüêî ÷åòûðüìÿ ñïîñîáàìè è ïîä÷èíÿòüñÿ íåáîëüøîìó ÷èñëó ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ. Îäíàêî ïðè äâèæåíèè ïî ïóòè ïîçíàíèÿ ìèðà âñå áîëüøå âîçíèêàåò âîïðîñîâ è âñå òðóäíåå íà íèõ îòâå÷àòü. Òàê, â íåæèâîé ïðèðîäå ïîñòîÿííî îòêðûâàþò âñå íîâûå è íîâûå ñóáàòîìíûå ÷àñòèöû, è ìíîãèå äåòàëè èõ ïîâåäåíèÿ ïîêà îñòàþòñÿ íåÿñíûìè. Äàæå ó êâàðêîâ ïîÿâëÿþòñÿ íåèçâåñòíûå äî ñèõ ïîð êà÷åñòâà. Ãäå ïðåäåë äðîáëåíèÿ ìàòåðèè è ñóùåñòâóåò ëè îí? ×òî ïðåäñòàâëÿåò èç ñåáÿ ôèçè÷åñêèé âàêóóì? ×òî åñòü ÷àñòèöà è êàêîâî ñîîòíî-
86
øåíèå ìåæäó ðåàëüíûìè è âèðòóàëüíûìè ñîñòîÿíèÿìè, êîãäà ÷àñòèöà íà÷èíàåò ïðîÿâëÿòü ñâîéñòâà âîëíû, è ìîæíî ëè óëîâèòü ýòîò ìîìåíò ñîâðåìåííûìè ïðèáîðàìè?  ôèçèêå îêàçàëîñü ìíîãî óäèâèòåëüíûõ ñîâïàäåíèé, êîòîðûå íå ìîãóò áûòü ïîíÿòû êàê ÷èñòûå ñëó÷àéíîñòè èëè ÷èñòûå çàêîíîìåðíîñòè. Ìîæíî ïðîñëåäèòü âçàèìíûå ïðåâðàùåíèÿ ïîðÿäêà â õàîñ, ðîæäåíèå çàêîíîâ è óïîðÿäî÷åííîñòü õàîñà, íî âîçìîæíî ëè óïðàâëåíèå ýòèìè ïðîöåññàìè?
Ìû ïëîõî ïðåäñòàâëÿåì ñåáå äàæå ñîñòàâ è ñòðîåíèå âíóòðåííèõ îáëàñòåé Çåìëè, õîòÿ ïîëó÷åíû ðàçíîîáðàçíûå ñâåäåíèÿ î ñîñòàâå, ñòðîåíèè, äâèæåíèÿõ è æèçíåííûõ öèêëàõ çâåçä è äðóãèõ íåáåñíûõ îáúåêòîâ. ×åëîâå÷åñòâî âûøëî çà ïðåäåëû àòìîñôåðû, íà ðàçíûõ ïëàíåòàõ ïîáûâàëè êîñìè÷åñêèå ñòàíöèè è ëàáîðàòîðèè, íà Çåìëþ äîñòàâëåíû îáèëüíàÿ èíôîðìàöèÿ è îáðàçöû ãðóíòà äðóãèõ ïëàíåò. Íî ìû íå ìîæåì óâåðåííî îïðåäåëèòü íàëè÷èå æèçíè âíå Çåìëè, íè÷åãî íå çíàåì î ïðîèñõîæäåíèè è ãðàíèöàõ Âñåëåííîé. Ïî÷åìó ìèð èìåííî òàêîâ è êàêîâî áóäóùåå íàøåé ïëàíåòû è íàøåé ñîëíå÷íîé ñèñòåìû?  æèâîé ïðèðîäå êàê â öåëîì, òàê è â îòäåëüíûõ îðãàíèçìàõ êðóò íåÿñíîãî åùå áîëåå øèðîê. Íàì èçâåñòíî ìíîãîå îá îáùèõ ôóíêöèÿõ ðàçëè÷íûõ îðãàíîâ è òêàíåé, îá èõ âçàèìîäåéñòâèè, íî ïîïûòêè îïèñàòü ôóíêöèè ýòèõ îðãàíîâ ÷åðåç ïðîöåññû â êëåòêàõ äàëåêè îò æåëàåìîãî çàâåðøåíèÿ è ïîíèìàíèÿ. Îãðîìíîå âíèìàíèå ïðèâëå÷åíî ê ïðîáëåìå èçó÷åíèÿ äåÿòåëüíîñòè îòäåëüíîé æèâîé êëåòêè è ôóíêöèé, âûïîëíÿåìûõ êîëîññàëüíûì êîëè÷åñòâîì âõîäÿùèõ â êëåòêó õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, êîòîðûå ñîñòîÿò èç áîëåå ÷åì 1014 àòîìîâ. Ïðè öåëîñòíîì îáúÿñíåíèè ìíîãèõ çàêîíîìåðíîñòåé â ðàçíûõ îáëàñòÿõ çíàíèÿ íà ïåðâûé ïëàí âûõîäÿò ïðîáëåìû ñèììåòðèè íåæèâîé ïðèðîäû è àñèììåòðèè æèâîé.
Âîçìîæíî, ïðè îãðîìíûõ çíà÷åíèÿõ ýíåðãèè âñå âçàèìîäåéñòâèÿ óäàñòñÿ ñîåäèíèòü è ïîëó÷èòñÿ Òåîðèÿ Âñåãî Ñóùåãî (ÒÂÑ). Òîãäà ìèð áóäåò îïèñûâàòüñÿ åäèíîîáðàçíî. Íî ÷òî òàêîå êðàñèâîå è ýëåãàíòíîå îïèñàíèå ñêàæåò îá ÿâëåíèÿõ, ïðèäàþùèõ ñìûñë íàøåé æèçíè? È ìîæåò ëè êîãäà-íèáóäü òàêàÿ òåîðèÿ áûòü ïîäòâåðæäåíà ýêñïåðèìåíòàìè, êîòîðûå ñòàíîâÿòñÿ íåâîîáðàçèìî äîðîãèìè?!
Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè è ïîâòîðåíèÿ
- Êàê îïðåäåëÿþò âîçðàñò àðõåîëîãè÷åñêîé íàõîäêè, íàøåé ïëàíåòû? Êàêîâ äèàïàçîí âðåìåííûõ èíòåðâàëîâ âî Âñåëåííîé?
- Êàê èçìåðÿþò ðàññòîÿíèÿ â ìèêðîìèðå? Äàéòå ïîíÿòèå î ìåòðè÷åñêîé ñèñòåìå. Ãäå íà Çåìëå ìîæíî íàèáîëåå ïðèáëèçèòüñÿ ê åå öåíòðó?
- Êàê èçìåðÿþò âðåìÿ íà èíòåðâàëàõ, ìåíüøèõ 1 ñ? Êàêèìè ïðèáîðàìè? Îõàðàêòåðèçóéòå ñâîéñòâà âðåìåíè â ðàçëè÷íûõ óðîâíÿõ ïîçíàíèÿ.
- Êàê èçìåðèëè ðàçìåðû Çåìëè, Ëóíû, Ñîëíöà? Êàêîâ äèàïàçîí ðàññòîÿíèé âî Âñåëåííîé? Êàê îöåíèëè ðàçìåð Ãàëàêòèêè, Âñåëåííîé?
- Êàêèå äâèæåíèÿ Çåìëè ëåãëè â îñíîâó êàëåíäàðÿ, êàêèå êàëåíäàðè èñïîëüçóþò ñåé÷àñ; ñ ÷åì ñâÿçàíû èõ íåñîâåðøåíñòâà?
87
- Êàê îïðåäåëÿþò ðàññòîÿíèÿ äî çâåçä? ×òî òàêîå «ïàðàëëàêñ» è «çâåçäíàÿ âåëè÷èíà»?
- Ïîÿñíèòå, êàê èçìåíèëèñü ïðåäñòàâëåíèÿ î ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè Íüþòîíà â ñâÿçè ñ ñîçäàíèåì òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. ×òî òàêîå ðàçìåðíîñòü ïðîñòðàíñòâà?
- Îõàðàêòåðèçóéòå êîíöåïöèè áëèçêî- è äàëüíåäåéñòâèÿ. Ïîÿñíèòå ïîíÿòèå «ïîëå». Êòî è êàê ñîçäàâàë òåîðèþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ?
- Êàêèå ôóíäàìåíòàëüíûå âçàèìîäåéñòâèÿ âûäåëåíû â ôèçèêå è ïî÷åìó îíè òàê íàçâàíû?
10.  ÷åì ñóòü êîíöåïöèè àòîìèçìà? Êàê ðàçâèâàëàñü êîíöåïöèÿ àòî
ìèçìà è êàê îíà ñâÿçàíà ñ ñîâðåìåííûìè ïðîáëåìàìè ïîñòðîåíèÿ åäè
íîé ôèçè÷åñêîé òåîðèè?
.
Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå Îáðàòíî â ðàçäåë Íàóêà
|
|