ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 17.04.19
    ТЕКСТ: Волтер Айзексон
    Фото: Wikimedia
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Язик до фізики доведе

    Перевернути уявлення про Всесвіт догори дриґом? Легко! Альберт Ейнштейн робив це кілька разів. Про теорії, які лягли в основу сучасного розуміння світобудови, космологію й «найбільшу помилку життя» науковця читайте в уривку з нової книжки Волтера Айзексона «Ейнштейн: Життя і всесвіт генія», яка виходить у видавництві «Наш Формат».

    Космологія вивчає властивості Всесвіту в цілому – його розмір, форму, склад, минуле і майбутнє в усіх часових і просторових вимірах. Це дуже широка галузь. І дуже складна. Дати космологічним поняттям точне визначення непросто, іноді неясно, чи мають вони смисл узагалі. В основі вивчення природи Всесвіту лежать рівняння гравітаційного поля загальної теорії відносності, так що Ейнштейна можна вважати основоположником сучасної космології.

     

    Допоміг йому в цьому, принаймні на початковому етапі, видатний математик і ще видатніший астрофізик, директор Потсдамської обсерваторії Карл Шварцшильд. Він ознайомився з новим варіантом загальної теорії відносності і на початку 1916 року спробував застосувати її до вивчення небесних тіл.

     

    Роботу Шварцшильда ускладнювала одна обставина. Під час війни він пішов добровольцем на фронт і статті Ейнштейна йому довелося читати в окопах на Східному фронті – основні обов’язки Шварцшильда полягали в розрахунку траєкторій артилерійських снарядів. Однак він примудрився знайти вільний час і розрахувати на основі рівнянь зтв гравітаційне поле довкола космічних тіл. У подібному становищі колись був і Ейнштейн – займався теоретичною фізикою в паузах між розглядом патентних заявок, – от тільки Шварцшильд воював на фронті.

     

    У січні 1916 року Шварцшильд надіслав результати своїх розрахунків Ейнштейну й написав, що тепер його теорія «засяє в усьому блиску». Крім усього іншого, розрахунки Шварцшильда з великою точністю підтверджували, що рівняння Ейнштейна правильно пояснюють зсув орбіти Меркурія. Ейнштейн був у захваті і відповів: «Я не сподівався, що точне розв’язання проблеми можна сформулювати так просто». Наступного четверга він особисто представив доробок Шварцшильда на традиційному засіданні Прусської академії.

     

    Перші розрахунки Шварцшильда стосувалися викривлення простору-часу довкола необертової сферичної зорі. Через кілька тижнів він надіслав Ейнштейну ще одну роботу про те, що відбуватиметься всередині такої зорі.

     

    З його розрахунків випливало, що в обох випадках може – точніше, повинно – відбуватися щось дивне. Якщо всю масу зорі або будь-якого іншого об’єкта стиснути у сферу достатньо малого об’єму – її радіус тепер називають шварцшильдівським – розрахунки стануть неправильними. У центрі такої сфери простір-час мав нескінченно закручуватися довкола себе. Приміром, так мало б статися, якби всю масу Сонця стиснули в радіус трьох кілометрів, а всю масу Землі – у радіус близько сантиметра.

     

    Що це означало? Те, що в межах шварцшильдівського радіуса силу тяжіння не зможе подолати ніщо, навіть світло чи будь-яка інша форма випромінення. Час там теж зупиниться. Іншими словами, мандрівник, який наближається до шварцшильдівської сфери, з погляду зовнішнього спостерігача нерухомо застигне.

     

    Ейнштейн так ніколи й не повірить, що ці результати мають реальний фізичний сенс. 1939 року він навіть напише статтю «з чітким поясненням, чому “шварцшильдівських сингулярностей” не існує у фізичній реальності». Однак через кілька місяців Роберт Опенгеймер і його учень Гартланд Снайдер доведуть протилежне й покажуть, що зорю може спіткати гравітаційний колапс.

     

    На жаль, Шварцшильду не судилося розвинути свої ідеї. Через кілька тижнів після написання цих статей він захворів на фронті на страшну автоімунну хворобу, яка почала з’їдати клітини його шкіри, і помер у травні 1916-го у віці сорока двох років.

     

    Уже після смерті Ейнштейна вчені доведуть, що дивна теорія Шварцшильда правильна. Зорі можуть колапсувати, і це не рідкість – таке явище існує.

     

    У 1960-х роках фізики-теоретики Стівен Гокінг, Роджер Пенроуз, Джон Вілер, Фрімен Дайсон і Кіп Торн переконливо показали, що це явище прямо випливає із загальної теорії відносності і воно цілком реальне. Вілер назвав його «чорною дірою». Відтоді «чорні діри» міцно увійшли в понятійний арсенал космології, наукової фантастики і серіалу «Зоряний шлях».

     

    Учені відкрили багато чорних дір по всьому Всесвіту, зокрема в центрі нашої галактики – її маса у кілька мільйонів разів перевищує масу Сонця. «Чорні діри не рідкість, це не якийсь випадковий атрибут Всесвіту, – каже Дайсон. – Це єдині місця у Всесвіті, де теорія відносності постає в усій своїй красі і славі. Тут, і ніде більше, час і простір утрачають індивідуальність і зливаються у викривлену чотиривимірну структуру, яку з дивовижною точністю описують рівняння Ейнштейна».

     

    Ейнштейн вважав, що спосіб, у який зтв розв’язує проблему «відра Ньютона», сподобався б Ернсту Маху: інерція (або відцентрова сила) не виникатиме при обертанні тіла в абсолютно порожньому Всесвіті, вона виникає тільки при обертанні відносно всіх інших тіл у Всесвіті. «Згідно з моєю теорією, інерція – це просто взаємодія між масами, а не ефект, у якому бере участь “простір” як такий, окремо від спостережуваних мас, – писав Ейнштейн Шварцшильду. – Можна сказати так: якщо уявити, що всі речі зникли, то за Ньютоном інерційний простір Галілея залишиться, а в моїй інтерпретації не залишиться нічого».

     

    Проблема інерції втягнула Ейнштейна в дискусію з видатним лейденським астрономом Вілемом де Сітером. Весь 1916 рік Ейнштейн намагався врятувати постулат про відносність інерції і принцип Маха – удавався до різного роду математичних хитрощів і вводив «граничні умови», як-от існування віддалених, принципово неспостережуваних мас на периферії Всесвіту. Як завважив де Сітер, сам Мах за таке не похвалив би – постулювати існування неспостережуваних сутностей він вважав гріхом проти науки.

     

    До лютого 1917 року Ейнштейн сформулював новий підхід. «Я повністю відмовився від своїх поглядів, які ви справедливо розкритикували, – писав він де Сітеру. – Цікаво, що ви скажете про божевільну ідею, яку я розглядаю зараз». Ця ідея спершу здалася Ейнштейну настільки ексцентричною, що він написав своєму другові Паулю Еренфесту: «Через неї я ризикую потрапити в божевільню» – і жартома просив його переконатися, що в Лейдені її немає, тільки тоді, мовляв, він приїде.

     

    Ейнштейн опублікує цю ідею у статті, яка стане епохальною: «Питання космології і загальна теорія відносності». На перший погляд справді могло здатися, що це якась маячня: у простору немає меж, бо гравітація викривляє його так, що він замикається сам на себе.

     

    Ейнштейн почав з того, що абсолютно нескінченний Всесвіт, заповнений зорями та іншими об’єктами, існувати не може. Інакше в кожній точці простору виникала б нескінченна сила тяжіння і нескінченна кількість світла, що приходить з усіх сторін. З іншого боку, неможливим здавався і скінченний Всесвіт, що «плаває» десь у просторі. У такому разі ніщо не заважало б зорям та енергії розлітатися навсібіч, і Всесвіт спорожнів би.

     

    Тож Ейнштейн запропонував третій варіант: скінченний Всесвіт, але без меж. У такому Всесвіті маси викривляють простір і при розширенні Всесвіту він (тобто чотиривимірна тканина простору-часу) замикається сам на себе. Така система замкнена й скінченна, але не має ні кінця, ні краю.

     

    Щоб людям було легше зрозуміти цю ідею, Ейнштейн запропонував для початку уявити двовимірний плаский світ, схожий на аркуш паперу, – назвімо його Пласконія. Дослідники-пласконці можуть мандрувати по такому світу в будь-якому напрямку, але поняття «вгору» і «вниз» не мають для них сенсу.

     

    А тепер уявіть, що цей світ усе ще двовимірний, але трохи (для пласконців майже непомітно) викривлений. «Уявімо тепер двовимірне життя не на площині, а на сферичній поверхні», – писав Ейнштейн. Випущена пласконцями стріла полетить ніби по прямій, але врешті-решт зробить коло і повернеться в ту саму точку, – достоту як корабель, що пливе завжди прямо, повернеться в підсумку назад з іншого боку Землі.

     

    Викривлення зробить двовимірний пласконський світ скінченним, але знайти його межі пласконцям не вдасться. Хоч у якому напрямку вони підуть – завжди повертатимуться в ту саму точку. «Цей чарівний експеримент показує, що світ цих істот скінченний, але не має меж», – писав Ейнштейн. Навіть якби пласконський всесвіт був схожий на повітряну кульку і розширювався під час надування, у ньому все одно не було б меж.

     

    Ідея Ейнштейна полягала в тому, що, за аналогією, наш тривимірний простір теж може викривлюватися і створювати замкнену скінченну систему без меж. Нам, тривимірним істотам, уявити таке непросто, але цю ідею можна легко виразити за допомогою математичного апарату неевклідової геометрії, що його розробили Гаус і Ріман. Так само можна виразити викривлення чотиривимірного простору-часу.

     

    У такому викривленому всесвіті траєкторія променя світла здаватиметься прямою, а насправді буде замкненою кривою. «Ідея скінченного, але безмежного простору – одна з найвеличніших думок про устрій світу за всю історію людства», – казав фізик Макс Борн.

     

    Так, але що знаходиться поза цим викривленим всесвітом? Що з іншого боку викривленої поверхні? Це не питання, на яке в нас немає відповіді, а питання, яке не має сенсу. Так само безглуздо питати пласконця, що знаходиться за межами його двовимірного світу.

     

    Можна припустити, образно або математично, як виглядають речі в четвертому просторовому вимірі, але немає сенсу питати, що міститься поза викривленим тривимірним простором нашого Всесвіту. Це питання має сенс хіба що в науковій фантастиці.

    Згодом, коли виявиться, що Всесвіт розширяється, Ейнштейн назве її «найбільшою помилкою» свого життя

    Модель космосу, яку Ейнштейн вивів із рівнянь загальної теорії відносності, була елегантною і заворожувала. Але в ній було одне вузьке місце: з рівнянь гравітаційного поля випливало, що Всесвіт має або розширюватися, або стискатися, але не може бути статичним, бо у статичному Всесвіті гравітаційні сили стиснуть усю матерію докупи.

     

    А це суперечило спостереженням астрономів. За їхніми тодішніми даними, Всесвіт складався лише з галактики Чумацький Шлях, а вона здавалася цілком стабільною і статичною. Судячи з усього, зорі лише трішки зсувалися, а якби Всесвіт розширювався, вони мали б швидко віддалятися і тьмяніти. Інші галактики типу Андромеди здавалися тоді нез’ясованими плямами в небі. (Американські астрономи з Ловелівської обсерваторії в Аризоні помітили, що спектри деяких загадкових спіральних туманностей зсуваються у червоний бік спектра, але ще не зрозуміли, що це далекі галактики, які з прискоренням віддаляються від нас).

     

    Якщо традиційна картина світу суперечила його елегантній теорії, Ейнштейн був схильний сумніватися у традиційній картині світу, а не у своїй елегантній теорії. І його впертість нерідко приносила плоди. У цьому разі рівняння гравітаційного поля натякали, ба навіть кричали, що традиційні уявлення про стабільний Всесвіт хибні і від них пора відмовитися так само, як від ньютонівської концепції абсолютного часу.

     

    Але на цей раз він обмежився, за його словами, «невеликим уточненням». Щоб уникнути колапсу матерії, він увів «силу відштовхування»: невелику поправку в рівняння зтв, щоб урівноважити силу тяжіння.

     

    В оновлених рівняннях цю поправку позначала грецька літера λ, помножена на метричний тензор gμν. У результаті виходив стабільний статичний Всесвіт. У статті 1917 року Ейнштейн, по суті, вибачався: «Ми мусили вивести нове узагальнення рівнянь гравітаційного поля, яке не спирається на наші поточні знання про тяжіння».

     

    Він назвав цю нову поправку «космологічним членом», або «космологічною сталою» (kosmologische Glied). Згодом, коли виявиться, що Всесвіт розширяється, Ейнштейн назве її «найбільшою помилкою» свого життя. Але сьогодні, коли стало відомо, що Всесвіт не просто розширюється, а розширюється з прискоренням, космологічну сталу вважають корисною, ба навіть необхідною поправкою.

     

    За п’ять місяців 1905 року Ейнштейн перевернув фізику, сформулювавши поняття квантів, загальну теорію відносності і статистичні методи, які доводили існування атомів. Цього разу добігав кінця довший інтелектуальний штурм, який почався восени 1915 року і тривав до весни 1917 року. За словами Деніса Овербая, «історія фізики не знала вагомішого внеску, зробленого однією людиною». Здається, що перший творчий спалах, коли Ейнштейн працював патентним чиновником, дався йому легко, між іншим. Але цього разу робота йшла важко і вимагала великих зусиль – Ейнштейн почувався виснаженим, його мучили болі у шлунку.

     

    За цей час він узагальнив теорію відносності, вивів рівняння поля для гравітації, знайшов фізичне пояснення квантам світла, висловив припущення, що кванти світла мають імовірнісну, а не детерміновану природу, і сформулював ідею структури Всесвіту в цілому. Ейнштейн довів, що яку сутність не візьми – від найменшої, кванта, до найбільшої, цілого Всесвіту, – йому в сучасній науці немає рівних.

    ТЕКСТ: Волтер Айзексон
    Фото: Wikimedia
    Статті
    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Космос
    Що таке сонячні плями і чи впливають вони на людей

    Чи можуть спалахи на Сонці та магнітні бурі провокувати погане самопочуття в людей?

    Ідеї
    Пропаганда у російському кіно

    Як кіно стало частиною пропагандистської та політичної ідеології росії та чи можна якось дати цьому раду?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: