Не было в науке периода переосмысления большего, нежели тот, что произошел в ХХ веке. Сложилась новая парадигма понимания мироздания, за которой последовали удивительные по своей сложности технические решения. Они позволили нам добыть энергию из атома, а ко второй половине столетия — преодолеть земную гравитацию и положить начало эры освоения космоса. Эта часть цикла статей о развитии науки в ХХ веке расскажет о самых значимых достижениях, предопределивших облик нынешней науки и техники. В первом материале речь пойдет о рождении квантовой механики и теории относительности Эйнштейна.
Кванты мироздания: новая физика Планка
К концу ХІХ столетия теория классической механики Ньютона полностью доминировала в научном сообществе. Ею пытались объяснить все, начиная от механизма работы настенных часов и заканчивая движением космических тел. Тем не менее, даже самым верным адептам Ньютона было очевидно, что его физика содержит ряд неточностей. Ньютоновская механика с погрешностями описывала движение планет и спутников, была неточна и в описании физики процессов, происходящих на атомарном уровне.
В 1900 году расширить ньютоновские знания о мироздании пытался немецкий физик Макс Планк. Он сформулировал основы квантовой механики, исследуя абсолютно черное тело (АЧТ) — идеализированное физическое тело, поглощающее все поступающее на него излучение, а затем способное излучать его на любых частотах. Густав Кирхгоф, который в 1860 году впервые описал АЧТ, предполагал, что спектр электромагнитного излучения абсолютно черного тела может наблюдаться лишь в том случае, если оно находится в термодинамическом равновесии с окружающей его средой. По достижении такого температурного равновесия абсолютно черное тело должно было излучать во внешнее пространство большие объемы тепловой энергии, поглощенной ним ранее.
При достижении термодинамического равновесия тепловое излучение АЧТ начинало носить четко выраженный непрерывный характер распределения энергии, плотность которой зависела только от температуры поверхности самого тела, но никак не от его химических и физических свойств, что было свойственно всем реальным объектам, наблюдаемым в природе. Мало того, экспериментальные наблюдения за излучением твердых объектов, обладающих схожими с АЧТ свойствами (серыми телами), полностью расходились с моделями, предсказанными классической физикой. Данный вопрос стал краеугольным камнем и одной из самых таинственных из нерешенных задач физики конца ХІХ века.
Попытки математически описать процесс теплового излучения АЧТ предпринимали многие физики. Из них вплотную к решению проблемы подошел британец лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт). Закон Рэлея-Джинса хорошо подходил для описания распределения энергии на больших длинах волн, однако для излучения волн малой длины он был совершенно неприменим.
Это было самым настоящим парадоксом классической физики, постулировавшей, что распределение энергии в пространстве непрерывно и носит строго волновой характер. Парадокс получил название «ультрафиолетовая катастрофа» и к концу ХІХ века был готов поставить под сомнение всю классическую физику, однако Макс Планк начал свою работу над решением этой задачи.
В исследовании проблемы излучения энергии черного тела Планк применил инновационный подход, в то время полностью противоречивший классической физике Ньютона. Ученый предположил, что энергия, которую могут излучать атомы абсолютно черного тела, выделяется не непрерывно, а дискретно — маленькими и неделимыми порциями, которые Планк нарек «квантами энергии». Его теория полностью подтвердилась, когда ученый внес элементарный квант действия (или постоянную Планка, h=6,626×10-34 Дж) в свои уравнения, сравнил их с экспериментальными данными и убедился, что его расчеты идеально описывают данные, полученные в лабораториях. Так родилась знаменитая формула Планка, совершившая настоящую революцию в понимании физики, происходящей на атомарном уровне мироздания.
Квантовая природа излучения, осмысленная однажды Максом Планком и записанная им в лаконичной формуле, позволила ученым по-новому взглянуть на поведение материи на микроуровне, химические элементы периодической таблицы Менделеева, и расширить знания о возрасте и процессах формирования нашей Вселенной. Принципы квантовой механики сегодня лежат в основе всех известных электроприборов. Эта новая физика полностью разрушила главный метанарратив классической физики Ньютона, утверждавшей, что наша реальность детерминирована (предопределена) и на всех своих уровнях подчиняется одним и тем же фундаментальным законам.
Решив проблему с излучением абсолютно черного тела, Планк, сам того не желая, привнес в науку больше неопределенности, чем все предшествующие ему коллеги по научной деятельности. Именно эта неопределенность ляжет в основу трудов другого великого физика ХХ века — Альберта Эйнштейна.
Нелинейное время: Эйнштейн и релятивизм
Помимо физических процессов, происходящих на Земле, ньютоновская физика пыталась описать и движение космических объектов, в частности планет Солнечной системы. Для этого Ньютон переосмыслил законы планетарного движения, ранее сформулированные Кеплером, применив к ним свой универсальный закон всемирного тяготения, согласно которому масса тела порождала вокруг него силовое поле (гравитацию), взаимодействующее с таким же силовым полем другого объекта, заставляя их притягиваться друг к другу.
Для Ньютона силу гравитационного взаимодействия, возникающую между двумя объектами мгновенно, определяло только расстояние между ними — чем дальше более массивный объект располагался от менее массивного, тем слабее проявлялась его гравитационная сила. В космологической системе Ньютона масса, скорость и расстояние для всех объектов в Солнечной системе были абсолютными константами, которые не менялись со временем. Ньютон считал, что окружающий его мир являет собой подобие часового механизма, однажды заведенного богом и теперь работающего по одним и тем же неизменным законам.
Космологическая модель, предложенная Ньютоном, работала, а ее предсказания смогли объяснить земные приливы и отливы, вызванные гравитационным воздействием Луны, еще и открыть восьмую планету Солнечной системы — Нептун, о существовании которого косвенно свидетельствовало смещение орбиты открытого столетием ранее Урана. Несмотря на все это, теория гравитации Ньютона по-прежнему содержала ряд неточностей, самой большой из которых являлось аномальное смещение перигелия Меркурия. Впервые замеченное в 1859 году, оно поставило под сомнение правильность математических расчетов закона тяготения Ньютона применительно к космологическому масштабу.
Научное сообщество не могло принять тот факт, что теория Ньютона была ошибочной, ведь ранее она уже успешно предсказывала наличие других планет в Солнечной системе, позже обнаруженных астрономами. Отклонения перигелия Меркурия от расчетных значений сначала объясняли наличием возле Солнца еще одной планеты — Вулкана, масса которого должна была смещать орбиту Меркурия, при этом оставаясь невидимой с Земли из-за сильно яркого свечения Солнца. Впрочем, за 50 с лишним лет Вулкан так и не был найден, тогда за разрешение орбитальной загадки Меркурия взялся молодой немецкий физик — Альберт Эйнштейн.
Эйнштейн допустил немыслимое для ньютоновской физики строение мира — он предположил, что пространство и время неразрывно связаны друг с другом и могут изменяться в зависимости от того, в какой системе отсчета ведется наблюдение за ними. Взяв за постоянную скорость света (с ≈300 км/с), Эйнштейн сумел математически доказать, что для быстро движущихся объектов время начинает течь медленнее.
Помимо неразрывной связи пространства со временем, Эйнштейн подтвердил и прямую зависимость энергии от массы объекта. Релятивизм (относительность), сформулированный Эйнштейном, постулировал, что энергия любого объекта может быть рассчитана по формуле (ниже приведен ее упрощенный вариант):
E=mc2 (где m — это масса объекта, а c — постоянная скорости света, равная ≈300 км/с)
Эта простая и лаконичная формула дала научному сообществу понимание того, что даже в самых малых объектах во Вселенной заключены колоссальные объемы энергии. Впоследствии именно эта концепция положила начало экспериментам по расщеплению атома, которые позволили людям добывать невиданные ранее объемы энергии на атомных электростанциях, а к середине века создать самое разрушительное оружие в мире — атомную бомбу.
Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности (СТО) в 1905 году. Спустя десятилетие проб и ошибок представил ее дополненный вариант — общую теорию относительности (ОТО), опубликованную в 1915 году. ОТО пыталась объяснить механизмы гравитационного воздействия и их влияние на искривление ткани пространства-времени.
В своей ОТО Эйнштейн отверг ньютоновское представление о мгновенном распространении гравитации в пространстве. Для этого он провел аналогии с электромагнитным полем Максвелла и предположил, что гравитационное возмущение должно распространяться в пространстве-времени с помощью аналога электромагнитных волн, которые Эйнштейн назвал «гравитационными волнами». При этом мгновенность распространения таких волн была невозможна по причине того, что согласно ОТО, ни один объект во Вселенной не мог двигаться быстрее скорости света.
Само понятие гравитации также подверглось переосмыслению: в ОТО Эйнштейн доказал, что гравитация является не отдельной и вездесущей силой, а лишь следствием искривления пространства-времени. Иными словами, именно масса, заключенная в материи, провоцировала искривление пространства-времени. И чем большей была эта масса, тем большее искривление наблюдалось. Массивные тела, например звезды, создавали в ткани пространства-времени воронку, заставляя окружающие их тела (планеты) словно бы «падать» в нее, совершая свое орбитальное движение.
Убедиться воочию, как гравитация массивных объектов способствует искривлению пространства-времени, научное сообщество смогло спустя четыре года после публикации ОТО. Во время солнечного затмения в 1919 году Эйнштейн, ссылаясь на свою теорию относительности, предсказал искривление света, исходящего от яркого звездного скопления Гиады во время его прохождения вблизи Солнца.
Группа астрономов под предводительством Артура Эддингтона и Эндрю Кроммелина наблюдала затмение из нескольких обсерваторий, расположенных в Бразилии и Африке, и собственными глазами увидела то, как предсказательная модель Эйнштейна работала — свет действительно искривлялся на 1,61″ ± 0,30″ (дюйм), проходя вблизи Солнца, что было поразительно близко к предсказанному Эйнштейном значению искривления в 1,75″.
Это доказывало, что теория Ньютона, на тот момент главенствующая в науке более 200 лет, действительно содержала ряд фундаментальных неточностей. Свет и правда обладал массой (что категорически отрицал Ньютон). А на следующее утро своей массой в научном сообществе обзавелась и фигура Эйнштейна — передовицы всех научных изданий назвали его человеком, совершившим фундаментальный прорыв в науке естествознания.
Теперь, когда ОТО получила свои эмпирические доказательства, она смогла объяснить и аномальную кривизну, наблюдаемую в перигелии Меркурия — так как планета находилась ближе всего к Солнцу, гравитация звезды вызывала дополнительную прецессию Меркурия, равную отклонению ее орбиты на 43″ каждое столетие. Критики Эйнштейна потерпели сокрушительное поражение, сам же отец-основатель релятивизма стал главной научной фигурой ХХ столетия, открыв дорогу к удивительным технологическим инновациям современности.
GPS, МРТ и лазеры как наглядный пример того, зачем нам ОТО
Со стартом космической эры во второй половине ХХ века основные принципы общей теории относительности и квантовой механики легли в основу ряда технологий, с которыми мы взаимодействуем практически каждый день.
Принципы ОТО — основополагающие в функционировании американских спутников системы глобального позиционирования (GPS), а также европейской спутниковой навигационной системы Galileo. Для точной передачи и определения месторасположения приемника GPS-сигнала на Земле спутники на орбите должны быть четко синхронизированы друг с другом во времени, что достигается благодаря наличию атомных цезиевых часов, способных определять время с удивительной точностью.
Однако на орбите время необходимо не только точно определять, но и корректировать, поскольку ОТО свидетельствует, что скорость, с которой спутники движутся по орбите, и их удаление от центра масс Земли неуклонно будут приводить к появлению временных погрешностей.
Именно поэтому в 1990-х годах на момент своего запуска каждый спутник системы GPS обладал специальным синхронизатором, который должен был включиться в случае, если предсказания теории относительности касательно того, что время в условиях земной гравитации течет медленнее, чем на орбите, подтвердятся. Проработав всего 20 дней без включенного синхронизатора, цезиевые часы на спутнике системы позиционирования зафиксировали отклонение во времени на 442,5 части от 1012, что без внедрения коррекции во времени могло бы привести к погрешности в 38 000 наносекунд в день. Ни о какой точности GPS-устройств на Земле, без поправок, описанных в ОТО, не могло бы быть и речи.
Квантовая механика, в свою очередь, положила начало повсеместному использованию таких технологий, как лазеры, солнечные батареи, электронные микроскопы и аппараты МРТ, сканеры которых используются для медицинской визуализации и диагностирования болезней.
Квантовая механика стоит на пороге новых технологических прорывов, среди которых квантовые компьютеры, способные одновременно обрабатывать множество вычислительных задач. Принципы квантовой телепортации в будущем будут использованы для организации новых систем зашифрованной связи, однако сегодня эта технология находится на начальном этапе своего развития.
