Генезис. Небо и Земля. Том 1. История

§262. Дмитрий Владимирович Скобельцын (1929) для количественного исследования Комптон-эффекта и космических лучей применил камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле и доказал, что в составе космического излучения имеются заряженные частицы – электроны. [558] Он обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов и установил появление их генетически связанными группами (ливнями), заложив тем самым основы физики частиц высоких энергий. Оценка суммарной ионизации, производимой этими неотклоняемыми частицами, согласовалась с имевшимися тогда данными об ионизации, создаваемой «ультра-гамма-излучением» (как тогда именовали космические лучи) на уровне моря. В этих же экспериментах Скобельцин на фотографиях впервые зарегистрировал позитроны – слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, но не смог объяснить их природу. Скобельцин (1934) провел анализ условий образования электронно-фотонной компоненты космических лучей и вопроса о наличии равновесия между мягкой (то есть электронно-фотонной) и проникающей компонентами космических лучей, и выяснил, что электроны, образующиеся при распаде мезонов, не могут объяснить ту мягкую компоненту, которая имеется в атмосфере, начиная с высот в несколько километров и выше, и что происхождение этой избыточной (или, как ее называют, «неравновесной») мягкой компоненты должно быть отнесено за счет другого источника. [559] По его предложению были поставлены опыты, направленные на определение интенсивности электронной компоненты, происходящей от распада мезонов. При этом было установлено, что наблюдающаяся на опыте интенсивность этой компоненты меньше, чем ожидалось, исходя из общепринятых в то время представлений о распаде мезона на один электрон и одно нейтрино.

§263. Джинсом (1929) была опубликована работа о поведении газовых уплотнений под действием сил тяготения, ставшая основой для теории гравитационной неустойчивости (неустойчивость Джинса), объясняющей происхождение структурных элементов Вселенной. Критические величины возникающих под воздействием сил тяготения возмущений в веществе получили названия длина волны Джинса и масса Джинса. [560] Анализ эволюции вращающихся объектов Джинса позволил опровергнуть теорию Лапласа о формировании Солнечной системы из одиночного газового облака. В 20—30 годах XX века была популярна его собственная приливная теория создания Солнечной системы, в которой предполагалось, что планеты были сформированы из вещества, исторгнутого Солнцем, в результате катастрофической близости проходящей мимо звезды. Редкость создания планетарных систем объяснялась малой вероятностью встречи двух звёзд. Хотя теория была опровергнута в середине 30-х годов, приливное взаимодействие продолжает рассматриваться как один из механизмов развития галактик и звёздных скоплений. [561]

§264. В 1929 году Эдвин Хаббл сформулировал закон, доказывающий постоянное расширение нашей Вселенной, из которого следует, что расширению вселенской области, в которой располагается и галактика Млечный путь, свойственны изотропия и однородность, то есть расширение нашей Вселенной является одинаковым по всем направлениям. Закон Хаббла является добавочным обоснованием существующей гипотезы Большого взрыва, приведшего к началу вселенского расширения. Сопоставление расстояний с лучевыми скоростями показало чёткую линейную зависимость скорости от расстояния. [562] Хаббл вывел постоянную (константу) – коэффициент, входящий в закон Хаббла, обозначаемый обычно буквой H, который связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления и имеет размерность обратную времени, обычно выражается в километрах в секунду на мегапарсек, обозначая таким образом среднюю скорость разлёта в современную эпоху двух галактик, разделённых расстоянием в 1 мегапарсек. В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, а смысл термина «постоянная» – в том, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной величина H одинакова.

§265. Под руководством Слайфера шли поиски занептуновой планеты, предсказанной наблюдавшим возмущения орбит планет Первсивалем Лоуэллом (1905), которые привели к открытию Клайдом Томбо (1930) планеты, названной Плутоном. [563] В 1978 году выяснилось, что масса Плутона слишком мала, чтобы его гравитация влияла на газовые гиганты. Это обусловило кратковременный интерес к «планете Х». В начале 1990-х годов её поиски почти прекратились, поскольку в результате исследования данных, поступивших от космического зонда «Вояджер-2», оказалось, что отклонения орбиты Урана объясняются недооценкой массы Нептуна. [564] После 1992 года, в результате открытия многочисленных транснептуновых объектов, встал вопрос, следует ли и дальше считать Плутон планетой, или, возможно, его и его «соседей» следует отнести к новому особому классу объектов, как это было сделано в случае с астероидами. Хотя некоторые большие члены этой группы сначала считались планетами, в 2006 году Международный астрономический союз переквалифицировал Плутон и его крупнейших соседей в карликовые планеты, вследствие чего в Солнечной системе осталось лишь восемь планет. [565].

§266. Сэмюэль Торндайк (1930) отмечал, что «едва ли можно было поверить, что огромные промежутки между звездами совершенно пусты. Земные полярные сияния не могут быть невероятно возбуждены заряженными частицами, испускаемыми солнцем. Если миллионы других звезд также выбрасывают ионы, что, несомненно, верно, то в галактике не может существовать абсолютного вакуума». [566]

§267. Харлоу Шепли и его коллеги из обсерватории Гарвардского колледжа с конца 1920-х годов начали исследование галактик в южном полушарии неба, используя фотопластинки, полученные на 24-дюймовом телескопе Брюса в Блумфонтейне, Южная Африка. В 1930 году Харлоу Шепли опубликовал заметку по наблюдению удалённого объекта в созвездии Центавра: «Облако галактик в Центавре настолько большое, что может являться одним из самых густонаселённых, подобных ещё не обнаружили». [567] Он оценил расстояние до этого сверхскопления в 231 000 астрономических единиц, что ниже примерно 15% от принятого в настоящее время значения. К 1932 году Шепли сообщил об обнаружении 76000 галактик ярче 18-й видимой звёздной величины в области, занимающую третью часть южного полушария. [568] В 1989 году сверхскопление Шепли было официально открыто Сомаком Райчаудхори при исследовании галактик с помощью телескопа Шмидта в Великобритании, а организация структур галактик была названа Великим Аттрактором. [569] В данной работе сверхскопление было названо в честь Харлоу Шепли, в знак признания его заслуг в исследовании галактик, входящих в сверхскопление. Роберто Скарамелла (1989) и его сотрудники также отметили сверхскопление в каталоге Эйбелла – они назвали его альфа-областью. [570] В 2005 году астрономы при проведении рентгеновского обследования части неба обнаружили, что Великий Аттрактор имеет только одну десятую массы от изначально предполагавшейся учёными. Исследование также подтвердило озвученные ранее теории, что Местную группу на самом деле тянет в сторону гораздо более массивное сверхскопление галактик, которое лежит за пределами Великого Аттрактора. На данный момент вклад в скорость движения Местной группы со стороны Великого Аттрактора оценивается в 44%, остальная часть связана с глобальным течением, где значительная часть локальной вселенной, включая сам Великий Аттрактор, движется в направлении ещё более сильного центра притяжения, находящегося в районе сверхскопления Шепли.

§268. Люэлин Томас (1930) он написал пионерскую статью, посвящённую радиационной вязкости, то есть излучению электромагнитных волн движущимися потоками вещества, например, в окрестностях звёзд. [571] В 1935 году Томас рассмотрел проблему взаимодействия между нуклонами и приложил свои результаты к описанию структуры ядра трития. [572] В 1938 году он показал, что при определённой конфигурации магнитного поля, предполагающей периодическую зависимость от азимутального угла, орбиты заряженных частиц в циклотроне оказываются устойчивыми и изохронными. [573] Этот результат лёг в основу идеи изохронного циклотрона, устройства, которое нашло широкое применение в ядерной физике и медицине.

§269. После введения Гейзенбергом (1927) понятия коллапса волновой функции в работе о принципе неопределенности, он не пытался точно определить, что означает этот коллапс, но он подчеркивал, что это не следует понимать как физический процесс. Основатели Копенгагенской интерпретации предпочитали подчеркивать математический формализм происходящего. Джон фон Нейман (1932) включил коллапс волновой функции в математическую формулировку квантовой механики. [574] В соответствии с Гейзенбергом фон Нейман указал, что существуют два процесса изменения волновой функции: 1) вероятностный, неунитарный, нелокальный, прерывистое изменение, вызванное наблюдением и измерением; 2) детерминированный, унитарный, непрерывная временная эволюция изолированной системы, которая подчиняется уравнению Шрёдингера (или релятивистскому эквиваленту, то есть уравнению Дирака). В общем случае квантовые системы существуют в суперпозициях тех базисных состояний, которые наиболее точно соответствуют классическим описаниям, и, в отсутствие измерения, развиваются в соответствии с уравнением Шрёдингера. Однако, когда производится измерение, волновая функция коллапсирует, с точки зрения наблюдателя, только до одного из базисных состояний, и измеряемое свойство однозначно приобретает собственное значение этого конкретного состояния. После коллапса система снова эволюционирует согласно уравнению Шрёдингера. Рассматривая взаимодействие объекта и измерительного прибора, фон Нейман попытался создать согласованность двух процессов изменения волновой функции. Он сумел доказать возможность квантово-механической схемы измерения, согласующейся с коллапсом волновой функции. Однако он не доказал необходимость такого коллапса.

§270. После открытий Хаббла Эйнштейн отказался от своей статической модели Вселенной и исследовал модель расширяющейся Вселенной, в которой плотность материи остается постоянной из-за непрерывного создания материи, процесс, который он связал с космологической постоянной. В статье «К космологической проблеме общей теории относительности» Эйнштейн (1931) предложил модель Вселенной, которая сначала расширяется, а потом сокращается. Этот процесс начинается с сингулярности и ею же заканчивается. [575] Данная модель важна, поскольку она впервые придает космологической постоянной нулевое значение. Эта модель носит явно переходный характер, поскольку, помимо прочего, предполагает положительную кривизну пространства-времени. Это было необходимым элементом эйнштейновской модели стабильной Вселенной, однако позднее оказалось необязательным в рамках расширяющейся модели, которая могла иметь как положительную кривизну, так и отрицательную или нулевую. Уже в 1932 году Эйнштейн и де Ситтер опубликовали новую модель, в рамках которой они отказались от космологической постоянной, «позволив» Вселенной расширяться. [576] В дальнейшем эта модель стала для космологического сообщества основой. Но работа Ричарда Толмана (1934) показала, что попытки объяснения циклического преобразования Вселенной потерпели неудачу: согласно Второму закону термодинамики, энтропия может только увеличиваться, а Вселенная подверглась бы неизбежной термодинамической тепловой смерти. [577]

§271. Джордж Биркгоф (1931) сформулировал и доказал эргодическую теорему, относящуюся к эволюции произвольной системы, состояние которой вполне определяется конечным числом параметров, а ход изменения – дифференциальными уравнениями, допускающими интегральный инвариант. [578] Биркгоф доказал, что система является эргодической в том и только в том случае, если её фазовое пространство нельзя разбить на сумму двух инвариантных (то есть состоящих из целых траекторий) множеств, каждое из которых имеет положительный объём и одновременно вывел при весьма общих предположениях, и само существование временны́х средних. Александр Яковлевич Хинчин (1931), комментируя Биркгофа, представил, что для функции, модуль которой интегрируем, имеет место сходимость при всех показателях параметра х вне некоторого множества нулевой173 меры. [579] Если временной параметр t принимает как положительные, так и отрицательные значения, то в обеих эргодических теоремах можно в качестве сходимости брать среднее по отрезку [– t, 0] или по симметричному отрезку [– t, t] (а также по некоторым отрезкам, зависящим от времени t более сложным образом), получая при устремлении в бесконечность тот же предел функции. В общем виде эргодическая теорема Биркгофа – Хинчина утверждает, что для динамической системы, сохраняющей меру, и интегрируемой по этой мере функции на пространстве для почти всех начальных точек соответствующие им временны́е средние сходятся. Более того, если инвариантная мера эргодична, то для почти всех начальных точек предел один и тот же – интеграл функции по данной мере. Этот принцип формулируется как «временно́е среднее для почти всех начальных точек равно пространственному». Джон фон Нейман (1932) сперва привел свои доказательства квазиэргодической гипотезы классической Гамильтоновой динамики с помощью открытой Бернардом Осгудом Купманом (1931) редукции174 гамильтоновых систем к Гильбертову пространству и с использованием методов, связанных с его исследованиями алгебры линейных преобразований в этом пространстве, а затем он вывел, что более слабая формулировка его утверждения, является точным математическим эквивалентом физического положения вещей. [580,581] Фон Нейман отметил, что знание спектрального разрешения, которое является фундаментальным в методе Купмана, позволяет полностью доминировать здесь над физической ситуацией; в частности, оно дает численную оценку степени сходимости предельного процесса, связанного с эргодической гипотезой, тогда как доказательство Биркгофа носит неконструктивный характер. Андрей Николаевич Колмогоров (1938) путем исключения противоречия неравенства нашел упрощенное доказательство эргодической теоремы Биркгофа—Хинчина. [582]

§272. В 1932 году Ян Оорт, рассматривая звезды одинаковых спектральных классов, примерно одинаковой массы и возраста, и оценивая их гравитационную силу, необходимую для их связи в единую систему по средним скоростям и вертикальным расстояниям, впервые рассчитал плотность диффузного межзвёздного вещества с помощью z-компоненты скоростей звёзд (перпендикулярной плоскости Галактики) и нашёл её предел – 3⋅10—24 г/см³. [583] Плотность вещества, требуемая для состояния устойчивого равновесия, более чем в полтора раза превышала плотность видимого вещества, количество которого было посчитано по наблюдаемым звездам (параметр, носящий название «предел Оорта»). Данная модель была опровергнута несколько лет спустя в силу своей неточности – в ней было фактически проигнорировано наличие у Млечного Пути сферической составляющей в центре (так называемого балджа), что привело к сильному завышению необходимой плотности диска. [584]

§273. Лев Давидович Ландау (1932) выдвинул предположение о существовании нейтронных звезд, высказав ожидание, что нарушение законов квантовой механики должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро. [585] Астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки (1933) сделали первое строгое предсказание существования нейтронных звёзд, которые могут образоваться в результате коллапса белого карлика, запустившего взрыв сверхновой. [586] Теоретические расчёты показали, что излучение нейтронной звезды слишком слабое, чтобы её можно было обнаружить при помощи астрономических инструментов того времени. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х годах, когда начала развиваться рентгеновская астрономия, так как теория предсказывала, что максимум их теплового излучения приходится на область мягкого рентгена. В 1967 году Джоселин Бернелл Белл, аспирантка Энтони Хьюиша, предложила метод регистрации и открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. [587]

§274. Рой Кеннеди и Эдвард Ли Торндайк (1932) впервые провели эксперимент тестирования специальной теории относительности на основе модифицированной формы эксперимента Майкельсона—Морли, в котором интерферометр Майкельсона был изменен так, что длины перпендикулярных плеч сразу были неравными. [588] В то время как эксперимент Майкельсона—Морли показал, что скорость света не зависит от ориентации аппарата, эксперимент Кеннеди—Торндайка прояснил, что скорость света также не зависит от скорости аппарата в различных инерционных системах отсчета. Он также служил тестом для косвенной проверки замедления времени – в то время как отрицательный результат эксперимента Майкельсона—Морли может быть объяснен только сокращением длины, тогда как отрицательный результат эксперимента Кеннеди—Торндайка требует замедления времени в дополнение к сокращению длины, чтобы объяснить, почему никакие фазовые сдвиги не будут обнаружены, пока Земля движется вокруг Солнца. Сделав одно плечо аппарата для эксперимента намного короче другого предполагалось, что изменение скорости Земли приведет к изменениям во времени в пути световых лучей, в результате чего произойдет смещение границы, если частота источника света не изменится в той же степени. Для того, чтобы определить, произошло ли такое смещение, интерферометр был сделан чрезвычайно стабильным, и модели помех были сфотографированы для более позднего сравнения. Испытания проводились в течение многих месяцев. Поскольку не было обнаружено существенного сдвига (соответствующей скорости 10±10 километров в секунду в пределах погрешности), экспериментаторы пришли к выводу, что происходит расширение времени, как и предсказывала специальная теория относительности.

§275. Рассматривая движения звезд в спиральных галактиках, Бертиль Линдблад (1930, 1932) нашел, что звезды стремятся концентрироваться в спиральных рукавах и что спирали лидируют во вращении галактик. [589] В 1935—1936 годах Линдблад впервые показал, что малые частицы межзвездной пыли могут образовываться и расти путем аккреции, и что этот процесс может играть большую роль в образовании и эволюции звезд. [590]

§276. Роберт Грант Эйткен (1932) опубликовал «Новый общий каталог двойных звезд» (Aitken Double Star Catalogue, или ADS), который содержит измерения 17180 двойных звезд в пределах склонения от 120° до -30°. [591] Каталог был продолжением каталога наблюдений двойных звезд Шербёрна Уэсли Бернхема с 1906 по 1912 год и Эрика Дулитла с 1912 по 1919 год. Эйткен начал работу над каталогом вскоре после смерти Дулитла в 1920 году. Каталог содержит наблюдения, сделанные до 1927 года. При составлении своего каталога Эйткен стремился отсеять оптические пары (звезды, не связанные друг с другом в пространстве), накладывая на двойные звезды ограничение углового расстояния между компонентами в угловых секундах и звездную величину более яркой из звезд.

§277. Тилман и Мун (1933) впервые экспериментально открыли селективное поглощение175 нейтронов. Они обнаружили, что коэффициент поглощения фильтра данного элемента становится наибольшим, когда интенсивность пучка нейтронов определяется на основе искусственной радиоактивности этого же элемента. Их выводы были подтверждены исследованиями Амальди и Ферми (1935), которые применяя в качестве источника нейтронов ампулу, содержащую (Rn + Be), окруженную толстым слоем парафина, измеряли коэффициент поглощения нейтрона для ряда элементов с помощью пучков с различным распределением энергии. [592] Последние были получены с помощью поглощения нейтронов в кадмии. Амальди и Ферми определили, что фильтрация через кадмий должна вызывать резкие изменения в распределении энергии нейтронного пучка. Явления, открытые Амальди и Ферми, были независимо обнаружены Силардом (1935), который показал, что коэффициент поглощения нейтронов в индии больше, если интенсивность нейтронов измеряется посредством искусственной радиоактивности самого индия. [593]

§278. Ричард Чейз Толмен (1934), применяя термодинамику для релятивистских систем и в космологии, показал, что излучение абсолютно чёрного тела в условиях расширяющейся Вселенной остывает, но остаётся тепловым, что являлось важным результатом для определения свойств фонового космического радиоизлучения. [594]

§279. В 1934 году Павел Алексеевич Черенков, выполняя в лаборатории Сергея Ивановича Вавилова исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения, обнаружил слабое голубое излучение176 неизвестной природы. [595] Первые эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе Вавилова, выявили ряд необъяснимых особенностей излучения: свечение наблюдается у всех прозрачных жидкостей, причём яркость мало зависит от их химического состава и химической природы, излучение поляризовано с преимущественным направлением электрического вектора вдоль направления распространения частиц, при этом в отличие от люминесценции не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения. Черенков наблюдал свечение чрезвычайно быстрых электронов при воздействии гамма-лучей (гамма-излучения) радиоактивных элементов во время прохождения сквозь воду. Это позволило узнать, что свет порождается не только электронами, которые движутся на больших скоростях. На основании этих данных Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление не является люминесценцией, а свет излучают движущиеся в жидкости быстрые электроны. [596] Теоретическое объяснение явления было дано Игорем Евгеньевичем Таммом и Ильей Михайловичем Франком в 1937 году. [597] Стало очевидным, что скорость движения электрона меньше фазовой скорости света. Фазовая скорость света при прохождении сквозь прозрачное вещество рассчитывается по формуле с учетом коэффициента преломления света в веществе. Большинство прозрачных веществ имеет данный показатель больше единицы. Это говорит о том, что скорость электрона может быть выше фазовой скорости света и может быть «сверхсветовой». Таким образом было установлено, что это свечение вызывается электронами, движущимися со скоростями, превышающими фазовую скорость света в среде. Быстрые электроны выбиваются из электронных оболочек атомов среды гамма-излучением. В 1958 году Черенков, Тамм и Франк были награждены Нобелевской премией по физике «за открытие и истолкование эффекта Черенкова». В 2009 Иосиф Бенционович Хриплович дал последовательное теоретическое описание черенковского излучения частицы с магнитным моментом.

§280. Энрико Ферми (1934), объясняя количественную теорию излучения β-лучей, которая допускает существование нейтрино – частицы, предложенной Вольфгангом Эрнстом Паули, не имеющей электрического заряда и массой порядка величины электрона или менее, исследовал эмиссию электронов и нейтрино из ядра при бета-распаде. [598] Он применил метод, аналогичный тому, который используется в теории для описания эмиссии кванта света из возбужденного атома. Им выведены формулы среднего времени жизни и формы непрерывного спектра бета-лучей и проведено их сравнение с экспериментальными данными. Это была первая оценка массы нейтрино.

§281. Сразу же после открытия супругами Фредериком Жолио и Ирэн Жолио-Кюри (1934) искусственной радиоактивности177, Ферми пришёл к выводу, что нейтроны, поскольку они не имеют заряда и не будут отталкиваться ядрами, должны быть наиболее эффективным орудием для получения радиоактивных элементов, в том числе трансурановых. [599] Ферми (1934) в своей работе «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой» описал ряд экспериментов: источник нейтронов в виде цилиндрической ампулы, содержащей порошок бериллия и эманацию радия, помещался внутрь цилиндрических образцов из исследуемых веществ. [600] После облучения в течение некоторого времени образец переносился к счетчику178, регистрирующему излучение. Таким способом было изучено взаимодействие нейтронов с фтором, алюминием, кремнием, фосфором, хлором, железом, кобальтом, серебром, йодом: все эти элементы активировались. Ферми (1934) для продолжения опытов возглавил группу итальянских физиков-атомщиков, в которую входили Эдоардо Амальди, Эмилио Сегре, Оскар Д'Агостино, Франко Розетти, Бруно Понтекорво, Этторе Майорана и другие. Было обнаружено, что ядра атомов захватывают нейтроны в сотни раз эффективнее, если предварительно между мишенью и источником этих нейтронов разместить парафин или массу воды. Ферми быстро придумал простое объяснение этому явлению: быстрые нейтроны, сталкиваясь со значительным количеством нуклонов, замедляются, а медленный нейтрон, в отличие от слишком быстрого, может «спокойно» подойти к ядру и быть захваченным ядром с помощью сильного взаимодействия. В результате осуществлялась следующая реакция получения искусственных изотопов: ядро с зарядом Z и массовым числом N, захватив нейтрон, превращалось в изотоп с массовым числом N+1. В силу нестабильности данного изотопа ядро распадается с образованием электрона и антинейтрино. В результате получается элемент с зарядом ядра Z+1 и массовым числом N+1179. К концу 1934 года исследования были завершены. [601] Они показали, что замедление нейтронов различными веществами влияет на процесс их радиационного захвата. На основании этого решения было получено более 60 новых радиоактивных изотопов, обнаружен эффект неупругого столкновения нейтронов с атомными ядрами и открыто замедление нейтронов водородосодержащими веществами (эффект Ферми), который был запатентован в 1935 году.