Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Раньше звезды были загадкой. Никто не знал, каким образом они испускают такое количество энергии. Именно Эддингтон придумал правдоподобный механизм свечения звезд. Для понимания его идеи следует обратить пристальное внимание на атомы. Атом водорода состоит из двух частиц: протона (который заряжен положительно) и электрона (несущего отрицательный заряд). Протон и электрон удерживает рядом электромагнитная сила, заставляющая притягиваться друг к другу противоположные заряды. Протон примерно в две тысячи раз тяжелее электрона, поэтому именно он определяет вес атома водорода.

Атом гелия состоит из двух электронов и двух протонов. Но еще его ядро содержит две нейтральные частицы. Это нейтроны, вес которых практически совпадает с весом протонов. В простой модели атома гелия ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, вокруг которых вращаются два электрона. Практически весь вес этого атома обеспечивается четырьмя входящими в ядро частицами, поэтому, казалось бы, атом гелия должен быть в четыре раза тяжелее атома водорода. Но на самом деле он на 0,7% легче расчетного значения. Часть его массы куда-то исчезла. А в соответствии со специальной теорией относительности Эйнштейна уменьшение массы означает уменьшение энергии. Этим обстоятельством и воспользовался Эддингтон.

Эддингтон рассудил, что источником энергии для звезд, возможно, служит превращение водорода в гелий. В раскаленном аду в самой сердцевине звезды может происходить объединение ядер атомов водорода. В ходе радиоактивного распада часть протонов превращается в нейтроны, а из протонов и нейтронов формируются ядра гелия. При этом каждый атом высвобождает незначительное количество энергии. Однако общей энергии всех атомов хватает на то, чтобы питать звезду и излучать свет. Если большая часть Солнца состоит из водорода, до завершения его преобразования в гелий процесс горения должен продолжаться почти 9 миллиардов лет. Учитывая, что возраст Земли составляет 4,5 миллиарда лет, речь, по всей видимости, идет о сумме указанных чисел.

В своей книге для объяснения звездной астрофизики Эддингтон создал целую доктрину. Предложив источник звездной энергии, он пояснил, почему звезды не сжимаются: испуская наружу всю вырабатываемую энергию, они противостоят силе тяжести. Звезды представляют собой совершенные физические системы, которые могут быть описаны в терминах его уравнений. Однако книга «Внутреннее строение звезд» — далеко не исчерпывающий источник информации. С математическим красноречием Эддингтон смог описать жизнь звезд, но не стал касаться их смерти. Логика подсказывала ему, что в какой-то момент питающее звезду топливо заканчивается и исчезает излучение, которое не давало ей сжиматься под действием собственной гравитации. Как он пишет в своей книге: «Кажется, при истощении запаса субатомной энергии, которое в конце концов должно наступить, звезда сталкивается со значительными трудностями… Это любопытная проблема, и можно делать самые фантастические предположения о том, что происходит после этого». Разумеется, в число фантастических предположений входила и теория Эйнштейна с решением Шварцшильда, поэтому Эддингтон написал: «Сила тяжести будет столь большой, что преодолеть ее не сможет даже свет, его лучи начнут падать на поверхность звезды, как камень на землю». С точки зрения Эддингтона, это был слишком надуманный и исключительно математический результат. В книге он написал: «Когда мы доказываем результат, не понимая его — просто потому что он неожиданно появился из лабиринта математических формул, — нет оснований надеяться, что мы сможем его где-то применить».

Но если отбросить самые фантастические предположения, что могло бы происходить после выгорания топлива? Наблюдения 1914 года намекали на возможность существования кладбищ таких коллапсировавших звезд. При изучении Сириуса — самой яркой звезды нашего неба, почти в тридцать раз превосходящей яркостью Солнце, — астрономы обнаружили на ее орбите странный тусклый спутник. Названный Сириусом В, вопреки тусклому свечению, он был очень горячим и обладал примечательными свойствами: при массе, сравнимой с массой Солнца, его радиус был меньше радиуса Земли. Это означает очень большую плотность. В начале 1920-х годов этот объект получил название «белый карлик» и стал считаться одной из загадок звездного зоопарка, возможной конечной точкой жизненного цикла звезд. Ключом к пониманию природы белых карликов могла бы стать новомодная теория квантовой физики.

Квантовая физика делит природу на мельчайшие составляющие и странным образом объединяет их обратно. Причиной ее появления стало необычное явление, с которым ученые столкнулись в XIX веке. Оказалось, что соединения и химические вещества особым образом поглощают и испускают свет. Результатом этих процессов является отнюдь не непрерывный диапазон длин волн. Вещества отражают свет в виде дискретного набора волн с определенными длинами, формируя похожий на штрихкод спектр, который впоследствии Весто Слайфер и Милтон Хьюмасон использовали для открытия красного смещения. Господствовавшая в то время ньютоновская физика вкупе с теорией электричества Максвелла были не в состоянии объяснить это странное явление.

В удивительном 1905 году Эйнштейн принялся за объяснение другого странного экспериментального факта: фотоэлектрического эффекта. Атомы бомбардируемого светом металла поглощают этот свет, периодически выбрасывая электроны. Вот как описал это явление его первооткрыватель Филипп Ленард: «При простом воздействии ультрафиолетового света металлические пластины выделяют в воздух отрицательное статическое электричество». Может показаться, что достаточно облучить металл сильным потоком света, но на самом деле это не так. Для эмиссии электронов требуется определенная энергия и частота светового пучка. Наблюдая этот эффект, Эйнштейн предположил, что свет перемещается квантованными порциями, аналогично тому, как материя распадается на элементарные частицы. И только нужная частота такого квантования обеспечивает фотоэффект. Эйнштейн назвал их «квантами света», позднее они стали известны как фотоны.

По мере совершенствования экспериментальных методов на рубеже XX века природа стала представляться все более Дискретной. Другими словами, казалось, что природа тоже квантована. В начале XX века начали появляться импровизированные модели окружающего мира в мельчайшем масштабе, Целый набор новых правил поведения атомов и взаимодействия их со светом. И хотя Эйнштейн внес свой личный вклад в новую Науку, в основном он наблюдал за ее развитием с некоторым Недоверием. Предложенные для квантованного мира правила были достаточно корявыми и не вписывались в вытекавшую из принципов относительности элегантную математическую картину.

К 1927 году правила квантовой физики окончательно прояснились. Независимо друг от друга два физика, Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, предложили теории, непротиворечиво объясняющие квантовую природу атомов. И подобно тому, как Эйнштейн конструировал свою общую теорию относительности, эти ученые были вынуждены математически сформулировать свои версии квантовой теории. Гейзенберг использовал матрицы — таблицы чисел, работа с которыми требовала крайней аккуратности. В отличие от обычных чисел результат умножения матрицы А на матрицу В, как правило, отличается от результата умножения матрицы В на матрицу А. Это свойство имеет самые поразительные следствия. Шрёдингер предпочел описать реальность, то есть атомы, ядра и электроны, образующие материю, в терминах волн — экзотических объектов, которые, как и в теории Гейзенберга, приводили к ряду странных явлений.