Не було в науці періоду переосмислення, більшого за той, що стався у ХХ столітті. Утворилася нова парадигма розуміння світобудови, за якою пішли дивовижні за своєю складністю технічні рішення. Вони дозволили нам добути енергію з атома, а до другої половини століття — подолати земну гравітацію та започаткувати епоху освоєння космосу. Ця частина циклу статей про розвиток науки в ХХ сторіччі розповість про найбільш значущі досягнення, що визначили вигляд нинішньої науки та техніки. У першому матеріалі згадаємо народження квантової механіки та теорії відносності Ейнштейна.
Кванти світобудови: нова фізика Планка
Наприкінці ХІХ століття теорія класичної механіки Ньютона повністю домінувала у науковому співтоваристві. Нею намагалися пояснити все, починаючи від механізму роботи настінного годинника і закінчуючи рухом космічних тіл. Утім, навіть найвірнішим адептам Ньютона було очевидно, що його фізика містить низку неточностей. Ньютонівська механіка з похибками описувала рух планет та супутників, і була неточною в описі фізики процесів, що відбуваються на атомарному рівні.
У 1900 році розширити ньютонівські знання про світобудову намагався німецький фізик Макс Планк. Він сформулював основи квантової механіки, досліджуючи абсолютно чорне тіло (АЧТ) — ідеалізоване фізичне тіло, яке поглинає все випромінювання, що надходить на нього, а потім може випромінювати його на будь-яких частотах. Густав Кірхгоф, який 1860 року вперше описав АЧТ, припускав, що спектр електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла може спостерігатися лише в тому випадку, якщо воно перебуває у термодинамічній рівновазі з навколишнім середовищем. При досягненні такої температурної рівноваги абсолютно чорне тіло мало випромінювати у зовнішній простір великі обсяги теплової енергії, поглиненої ним раніше.
При досягненні термодинамічної рівноваги теплове випромінювання АЧТ набуває чітко вираженого безперервного характеру розподілу енергії, щільність якої залежить лише від температури поверхні самого тіла (аж ніяк не від його хімічних і фізичних властивостей, що властиво всім реальним об’єктам, які спостерігаються в природі). Ба більше, експериментальні спостереження за випромінюванням твердих об’єктів, що мають схожі з АЧТ властивості (сірі тіла), повністю розходилися з моделями, які передбачала класична фізика. Це питання стало наріжним каменем і одним із найбільш таємничих серед невирішених завдань фізики кінця ХІХ століття.
Спроби математично описати процес теплового випромінювання АЧТ робили багато фізиків. З них упритул до вирішення проблеми підійшов британець лорд Релей (Джон Вільям Стретт). Закон Релея-Джинса добре підходив для опису розподілу енергії на великих довжинах хвиль, проте для випромінювання хвиль малої довжини був абсолютно непридатним.
Це було справжнісіньким парадоксом класичної фізики, яка постулювала, що розподіл енергії у просторі безперервний і йому притаманний строго хвильовий характер. Парадокс отримав назву “ультрафіолетова катастрофа” і до кінця ХІХ століття був готовий поставити під сумнів усю класичну фізику, проте Макс Планк розпочав свою роботу над вирішенням цього завдання.
У з’ясуванні проблеми випромінювання енергії чорного тіла Планк застосував інноваційний підхід, який на той час повністю суперечив класичній фізиці Ньютона. Вчений припустив, що енергія, яку можуть випромінювати атоми абсолютно чорного тіла, виділяється не безперервно, а дискретно — маленькими і неподільними порціями, які Планк назвав “квантами енергії”. Його теорія повністю підтвердилася, коли вчений вніс елементарний квант дії (або постійну Планка, h=6,626×10-34 Дж) у свої рівняння, порівняв їх із експериментальними даними та переконався, що його розрахунки ідеально описують дані, отримані в лабораторіях. Так народилася знаменита формула Планка, яка здійснила справжню революцію у розумінні фізики, що відбувається на атомарному рівні світобудови.
Квантова природа випромінювання, осмислена одного разу Максом Планком і записана ним у лаконічній формулі, дозволила вченим по-новому поглянути на поведінку матерії на мікрорівні, хімічні елементи періодичної таблиці Менделєєва, і розширити знання про вік та процеси формування нашого Всесвіту. Принципи квантової механіки сьогодні є основою всіх відомих електроприладів. Ця нова фізика повністю зруйнувала головний метанаратив класичної фізики Ньютона, яка стверджувала, що наша реальність детермінована (заздалегідь визначена), і на всіх своїх рівнях підпорядковується однаковим фундаментальним законам.
Вирішивши проблему з випромінюванням абсолютно чорного тіла, Планк, сам того не бажаючи, привніс у науку більше невизначеності, ніж усі його попередники — колеги з наукової діяльності. Саме ця невизначеність ляже в основу праць іншого великого фізика ХХ століття — Альберта Ейнштейна.
Нелінійний час: Ейнштейн та релятивізм
Крім фізичних процесів, що відбуваються на Землі, ньютонівська фізика намагалася описати і рух космічних об’єктів, зокрема планет Сонячної системи. Для цього Ньютон переосмислив закони планетарного руху, раніше сформульовані Кеплером, застосувавши до них свій універсальний закон всесвітнього тяжіння, згідно з яким маса тіла породжувала навколо нього силове поле (гравітацію), яке взаємодіяло з таким самим силовим полем іншого об’єкта, змушуючи їх притягуватися одне до одного.
Для Ньютона силу гравітаційної взаємодії, що виникає між двома об’єктами миттєво, визначала лише відстань між ними — що далі більш масивний об’єкт розташовувався від менш масивного, тим слабше виявлялася його гравітаційна сила. У космологічній системі Ньютона маса, швидкість і відстань для всіх об’єктів у Сонячній системі були абсолютними константами, які не змінювалися з часом. Ньютон вважав, що навколишній світ є подобою годинникового механізму, який одного разу був заведений богом і тепер працює за одними й тими ж незмінними законами.
Космологічна модель, запропонована Ньютоном, працювала, а її передбачення змогли пояснити земні припливи та відливи, спричинені гравітаційним впливом Місяця, ще й відкрити восьму планету Сонячної системи — Нептун, про існування якого опосередковано свідчило зміщення орбіти відкритого на століття раніше Урана. Попри все це, теорія гравітації Ньютона, як і раніше, містила низку неточностей, найбільшою з яких було аномальне усунення перигелію Меркурія. Вперше помічене 1859 року, воно поставило під сумнів правильність математичних розрахунків закону тяжіння Ньютона стосовно космологічного масштабу.
Наукове співтовариство не наважувалось усвідомити той факт, що теорія Ньютона була помилковою, адже раніше вона вже успішно передбачала наявність інших планет у Сонячній системі, пізніше виявлених астрономами. Відхилення перигелію Меркурія від розрахункових значень спочатку пояснювали наявністю біля Сонця ще однієї планети — Вулкана, маса якого мала зміщувати орбіту Меркурія, залишаючись при цьому невидимою з Землі через яскраве світіння Сонця. Втім, за 50 з гаком років Вулкан так і не був знайдений, тож за вирішення орбітальної загадки Меркурія взявся молодий німецький фізик — Альберт Ейнштейн.
Ейнштейн припустив немислиму для ньютонівської фізики будову світу — він вважав, що простір і час нерозривно пов’язані один із одним і можуть змінюватися залежно від того, за якою системою відліку ведеться спостереження за ними. Взявши за постійну швидкість світла (с ≈300 км/с), Ейнштейн зумів математично довести, що для об’єктів, які швидко рухаються, час починає спливати повільніше.
Окрім нерозривного зв’язку простору з часом Ейнштейн підтвердив і пряму залежність енергії від маси об’єкта. Релятивізм (відносність), сформульований Ейнштейном, постулював, що енергія будь-якого об’єкта може бути розрахована за формулою (нижче наведено її спрощений варіант):
E=mc2 (де m — це маса об’єкта, а c — постійна швидкості світла, що дорівнює ≈300 км/с).
Ця проста і лаконічна формула дала науковій спільноті розуміння того, що навіть у найменших об’єктах у Всесвіті укладено колосальні обсяги енергії. Згодом саме ця концепція започаткує експерименти з розщеплення атома, які дозволять людям видобувати небачені раніше обсяги енергії на атомних електростанціях, а до середини століття створити найруйнівнішу зброю у світі — атомну бомбу.
Ейнштейн опублікував свою спеціальну теорію відносності (СТО) у 1905 році. Після десятиліття спроб і помилок представив її доповнений варіант — загальну теорію відносності (ЗТВ), опубліковану 1915 року. ЗТВ намагалася пояснити механізми гравітаційної дії та їхній вплив на викривлення тканини простору-часу.
У своїй ЗТВ Ейнштейн відкинув ньютонівське уявлення про миттєве поширення гравітації у просторі. Для цього він провів аналогії з електромагнітним полем Максвелла і припустив, що гравітаційне збурення також має поширюватися у просторі-часі за допомогою аналога електромагнітних хвиль, які Ейнштейн назвав “гравітаційними хвилями”. При цьому миттєвість поширення таких хвиль була неможливою через те, що згідно з ЗТВ, жоден об’єкт у Всесвіті не міг рухатися скоріше за швидкість світла.
Саме поняття гравітації теж зазнало переосмислення: у ЗТВ Ейнштейн довів, що гравітація є не окремою та всюдисущою силою, а лише наслідком викривлення простору-часу. Іншими словами, саме маса, ув’язнена в матерії, провокувала викривлення простору-часу. І чим більшою була ця маса, тим більше викривлення спостерігалося. Масивні тіла, наприклад зорі, створювали в тканині простору-часу вирву, змушуючи тіла (планети), що їх оточували, неначе “падати” в неї, здійснюючи свій орбітальний рух.
Побачити, як гравітація масивних об’єктів сприяє викривленню простору-часу, наукова спільнота змогла через чотири роки після публікації ЗТВ. За сонячного затемнення 1919 року Ейнштейн, посилаючись на свою теорію відносності, передбачив викривлення світла, що походить від яскравого зоряного скупчення Гіади під час його проходження поблизу Сонця.
Група астрономів під проводом Артура Еддінгтона та Ендрю Кроммеліна спостерігала затемнення з кількох обсерваторій, розташованих у Бразилії та Африці, і на власні очі переконалася в тому, що передбачувана модель Ейнштейна працювала — світло дійсно викривлялося на 1,61″ ± 0,30″ (дюйм), проходячи поблизу Сонця, що було вражаюче близько до передбаченого Ейнштейном значення викривлення в 1,75″.
Це доводило, що теорія Ньютона, яка на той момент панувала в науці понад 200 років, справді містила низку фундаментальних неточностей. Світло дійсно мало масу (що категорично заперечував Ньютон). А наступного ранку своєю масою в науковій спільноті обзавелася й постать Ейнштейна — передовиці всіх наукових видань назвали його людиною, що здійснила фундаментальний прорив у науці природознавства.
Тепер, коли ЗТВ отримала свої емпіричні докази, вона змогла пояснити і аномальну кривизну, що спостерігається в перигелії Меркурія — оскільки планета перебувала найближче до Сонця, гравітація зорі викликала додаткову прецесію Меркурія, рівну відхиленню її орбіти на 43″. Критики Ейнштейна зазнали нищівної поразки, сам же засновник релятивізму став головною науковою фігурою ХХ століття, відкривши дорогу до дивовижних технологічних інновацій сучасності.
GPS, МРТ та лазери як наочний приклад того, навіщо нам ЗТВ
Зі стартом космічної ери у другій половині ХХ століття основні принципи загальної теорії відносності та квантової механіки лягли в основу низки технологій, з якими ми взаємодіємо практично щодня.
Принципи ЗТВ є визначальними для функціонування американських супутників системи глобального позиціонування (GPS), і навіть європейської супутникової навігаційної системи Galileo. Для точної передачі та визначення розташування приймача GPS-сигналу на Землі супутники на орбіті мають бути чітко синхронізовані один із одним у часі, що досягається завдяки наявності атомних цезієвих годинників, здатних визначати час із дивовижною точністю.
Однак на орбіті час необхідно не тільки точно визначати, а й коригувати, адже ЗТВ свідчить, що швидкість, з якою супутники рухаються орбітою, та їхнє віддалення від центру мас Землі неухильно призводитимуть до появи тимчасових похибок.
Саме тому в 1990-х роках на момент запуску на кожному супутнику системи GPS був спеціальний синхронізатор, який мав включитися у випадку, якщо прогнози теорії відносності щодо того, що час в умовах земної гравітації спливає повільніше, ніж на орбіті, підтвердяться. Пропрацювавши всього 20 діб без включеного синхронізатора, цезієвий годинник на супутнику системи позиціонування зафіксував відхилення в часі на 442,5 частини від 1012, що без впровадження корекції за часом могло б призвести до похибки 38 000 наносекунд на день. Про жодну точність GPS-пристроїв на Землі, без поправок, описаних в ЗТВ, не могло б бути й мови.
Квантова механіка, зі свого боку, започаткувала повсюдне використання таких технологій, як лазери, сонячні батареї, електронні мікроскопи та апарати МРТ, сканери яких використовуються для медичної візуалізації та діагностування хвороб.
Квантова механіка стоїть на порозі нових технологічних проривів, серед яких квантові комп’ютери, здатні одночасно обробляти безліч обчислювальних завдань. Принципи квантової телепортації в майбутньому будуть використані для організації нових систем зашифрованого зв’язку, проте сьогодні ця технологія — на початковому етапі свого розвитку.
