Генезис. Небо и Земля. Том 1. История

§197. Дэйтон Кларенс Миллер с Морли (1905) сконструировали интерферометр более чувствительный, чем примененный в первом эксперименте Майкльсона-Морли, с длиной оптического пути 65,3 метра, эквивалентной примерно 130 миллионов длин волн. [412] Миллер ожидал увидеть смещение в 1,1 полосы. Осенью Морли и Миллер провели эксперимент на Евклидовых высотах в Кливленде, находящихся на высоте около 90 метров над озером Эри и около 265 метров выше уровня моря. В 1905—1906 годах было сделано пять серий наблюдений, которые дали определённый положительный эффект – около 1/10 ожидаемого дрейфа. В марте 1921 года методика и аппарат были несколько изменены и получен результат в 10 километров в секунду «эфирного ветра». Результаты были тщательно проверены на предмет возможного устранения погрешностей, связанных с магнитострикцией и тепловым излучением. Направление вращение аппарата не оказывало влияния на результат эксперимента.

§198. Принцип относительности Альберта Эйнштейна (1905), являясь одним из постулатов теории относительности, утверждает, что не только в механике, как полагал Гилилей, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя и даже, более того, – к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы. [413,414] Эйнштейн также вывел принцип инвариантности скорости света, указав, что максимальная скорость распространения взаимодействия (сигнала), называемая скоростью света, должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчёта, что следует из принципа относительности и является воплощением лоренц-инвариантности электродинамики. Эйнштейн (1905) предположил, что масса пропорциональна энергии и обратно пропорциональна квадрату скорости света, указав что: «Если тело отдаёт энергию в виде L в виде излучения, его масса уменьшается на L/c2.» (с обозначением энергии в виде «L» (видимо как энергия покоя) вместо «E», которое обозначало энергию в другом месте статьи). При этом в основу своего утверждения он изначально ввел именно разность масс (dm) до и после ухода энергии, а не полную массу тела. При этом, эквивалентность массы и энергии ранее обсуждал русский физик Николай Алексеевич Умов (1873), использовавший в своих работах формулу E=kmc2, (выведенную ранее Генрихом Шраммом (1872) в форме mc2 = MC2), которая, по его предположению, связывала через коэффициент k плотность массы и энергии гипотетического светоносного эфира. [415,416] Джозеф Джон Томсон (1881) в статье «Об электрическом и магнитном эффекте, обусловленном движением наэлектризованных тел» определил, что электрическое поле сжимается вдоль движения, масса заряженного тела увеличивается, скорость света – предельная для зарядов. [417] Иван Ярковский (1887) выдвинул «кинетическую гипотезу всемирного тяготения», в которой он дает тяготению чисто механистическое толкование, полагая, что гравитационное ускорение тел связано с давлением на них хаотически движущихся частиц эфира. [418] Оливер Хевисайд (1889—1893) впервые опубликовал правильный вывод магнитной силы, действующей на движущуюся заряженную частицу и разработал концепцию электромагнитной массы. [419]. Фриц Газенёрль (1904) предположил, что размеры материи зависят от скорости ее поступательного движения через эфир. [420] Эйнштейн (1907, 1910) же вывел зависимость без какого-либо коэффициента эфира k для всех видов материи: «Масса и энергия становятся такими же эквивалентными друг другу величинами, как, например, теплота и механическая работа».

§199. Эйнштейном (1905) была постулирована специальная теория относительности, которая описывает движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света139. Эта теория базируется на двух постулатах: 1) Все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения; 2) Скорость света в вакууме, измеренная в любой инерциальной системе отсчёта, одна и та же и не зависит от движения излучателя. [421] В следующем году Эйнштейн (1906) вывел соотношение инерции и энергии, а в другой своей работе предположил корпускулярно-волновой дуализм фотонов, но сама идея двойственности была развита позднее.

§200. Эйнштейн (1907) рассматривал гравитационное красное смещение и показал, что ключевым следствием такого смещения является гравитационное замедление времени. [422] В формулировке Эйнштейна принцип эквивалентности сил гравитации и инерции сформулирован как закон равенства инертной и тяжелой масс, и выглядит следующим образом: в однородном гравитационном поле все движения происходят точно так же, как в равномерно ускоренной системе координат в отсутствии поля тяготения. Если бы этот закон выполнялся для любых явлений («принцип эквивалентности»), то это указывало бы на то, что принцип относительности должен быть распространен на неравномерно движущиеся системы координат, если стремится к естественной теории гравитационного поля. Следует различать «слабый» и «сильный» принцип эквивалентности. Сильный принцип эквивалентности можно сформулировать так: в каждой точке пространства-времени в произвольном гравитационном поле можно выбрать «локально-инерциальную систему координат», такую, что в достаточно малой окрестности рассматриваемой точки законы природы будут иметь такую же форму, как и в неускоренных декартовых системах координат специальной теории относительности, где под «законами природы» подразумевают все законы природы. Слабый принцип отличается тем, что слова «законы природы» заменяются в нем словами «законы движения свободно падающих частиц». Слабый принцип – не что иное, как другая формулировка наблюдаемого равенства гравитационной и инертной масс140, в то время как сильный принцип представляет собой обобщение наблюдений за влиянием гравитации на любые физические объекты. [423]

§201. Швейцарский физик Вальтер Ритц (1908) опубликовал свой «Критический анализ общей электродинамики», в котором излагал собственную баллистическую (эмиссионную) теорию, дав новый вариант электродинамики, оптики и теории гравитации. [424] В данной теории отвергается постулат специальной теории относительности о постоянстве скорости света. Скорость света, испускаемого движущимся источником, складывается со скоростью источника подобно скорости снаряда, выстреливаемого из перемещающегося орудия – отсюда название. В отличие от теории Ньютона, Ритц не считал свет частицами, по его представлениям свет – это волны разрежения и сгущения движущихся реонов141. Сам Ритц называл свою теорию также и эмиссионной. Основные положения баллистической теории следующие: 1) электрические, магнитные и гравитационные воздействия имеют механическую природу и переносятся частицами, источаемыми элементарными зарядами со скоростью света, отчего классически трактуются все электромагнитные и релятивистские эффекты; 2) свет представляет собой поток этих однотипных невзаимодействующих частиц, периодично распределённых в пространстве и разлетающихся от источника прямолинейно со скоростью света. Движение этих частиц подчиняется законам классической механики, включая закон сложения скорости частиц (и несомого ими света) со скоростью их источника; 3) элементарные частицы и атомы имеют сложную кристаллическую структуру, будучи образованы из периодично расположенных однотипных частиц (электронов – носителей элементарного заряда, магнитного момента и массы); за счёт этого все законы микромира, квантовые законы и спектры излучения объясняются естественным образом, в рамках классической механики и электродинамики. Эта физическая теория, альтернативная максвелловской электродинамике, теории относительности, квантовой теории и претендовавшая на новое единое описание мира на базе классических и механических представлений была отвергнута в пользу теории относительности, а Ритц не смог её развить из-за ранней смерти.

§202. Ритц (1908) эмпирически установил комбинационный принцип – основной закон спектроскопии, согласно которому всё многообразие спектральных линий какого-либо элемента может быть представлено через комбинации величин, получивших название термы. [425] Если зафиксировать и перебирать все возможные значения, то получится набор линий, именуемый спектральной серией. Из комбинационного принципа следует, что разность волновых чисел двух спектральных линий одной и той же серии атома даёт волновое число спектральной линии какой-то другой серии того же атома.

§203. В 1908—1909 годах Ритц и его однокурсник по Цюрихскому университету Эйнштейн вели научные дискуссии в печати по вопросу о том, что сейчас принято называть стрелами времени в электродинамике и энтропией. Ритц и Эйнштейн (1909) написали в соавторстве статью «К современному состоянию проблемы излучения» об их различных взглядах на передовые и устаревшие решения уравнений Максвелла. [426] Ритц отстаивал позицию, согласно которой необратимость в электродинамике была источником второго закона термодинамики, в то время как Эйнштейн защищал теорию электродинамической временной симметрии Максвелла-Лоренца, постулируя, что физическое ограничение на запаздывающие решения является вероятностью, а не законом. Ритц считал это ограничение недопустимым в принципе, и факт необратимости радиационных процессов должен найти свое выражение в фундаментальных уравнениях. Эта их совместная работа не урегулировала разногласия авторов.

§204. В 1907—1909 годах немецкий математик Герман Минковский выступил с рядом статей и лекций, где предложил так называемую «геометродинамику» – четырёхмерную математическую модель кинематики теории относительности. [427] В 1909 году вышла его книга «Пространство и время», оказавшая существенное влияние на развитие теории относительности. [428] Минковский (1908) предположил, что импульс света пропорционален показателю преломления материала среды. [429] На практике это означает, что проходящий свет оказывает давление на материал в направлении своего движения. Макс Абрахам (1909) сделал обратное предположение, что свет давит на материал в противоположном направлении). Долгое время физики-экспериментаторы не могли провести эксперимент, который бы подтвердил правильность одной из точек зрения. В 1970-х годах был поставлен опыт на основании которого некоторые физики делают выводы о правильности гипотезы Абрахама. Выяснилось, что наблюдаемое «распухание» воды (которое доказывало верность предположения Минковского), через которую пропускали луч, оказалось результатом стороннего оптического процесса. Китайские физики, ведущим из которых был Вэйлун Шэ (2006), разработали схему эксперимента, позволяющего наконец ответить на старый вопрос. Вместо воды они использовали отрезок оптоволокна длиной около 1,5 миллиметров и шириной в 500 нанометров. [430] Физики рассчитывали, что вес оптоволокна окажется достаточно мал для того, чтобы движение кончика отрезка, вызванного прохождением луча света, можно было заметить. После начала эксперимента камера фотографировала отрезок оптоволокна с частотой 10 снимков в секунду. Анализ фотографий показал, что свет «заставлял» кончик отрезка изгибаться в направлении, противоположном направлению распространения света. Таким образом ученые смогли подтвердить правильность теории Абрахама.

§205. Датский астроном Эйнар Герцшпрунг (1908), анализируя работы Антонии Мори, предложившей деление звёзд по ширине их спектральных линий, заметил, что звёзды с более узкими линиями имели меньшее собственное движение, чем другие иные звёзды по той же спектральной классификации. [431] Он принял это как показатель большей светимости для узко-линейчатых звёзд и вычислил годичный звёздный параллакс для некоторых групп из них, что позволило ему определить их абсолютную звёздную величину. В 1914 году Генри Норрис Рассел, независимо от Герцшпрунга, построил диаграмму, на которой абсолютные величины (собственная яркость) звезд изображены в зависимости от их спектральных типов. [432] На диаграмме логарифм светимости, или абсолютная звездная величина (вертикальная ось), представлена в виде зависимости между спектральным классом (горизонтальная ось) звезд, который обычно лежит в пределах от синего (О) до красного (М). Большинство звезд располагается на так называемой главной последовательности, простирающейся по диагонали от верхней левой части к нижней правой. Красные гиганты находятся в верхней правой части, а белые карлики – в нижней левой. Ныне этот график называется диаграммой Герцшпрунга-Рассела. Ранние версии диаграммы Рассела включали в себя звёзды-гиганты Антонии Мори, звёзды из скопления Гиады и несколько передвигающихся групп, для которых метод движущегося скопления позволял получить расстояния и таким образом определить абсолютную звёздную величину для этих звёзд.

§206. Генриетта Соун Ливитт открыла более 2400 переменных звёзд (преимущественно в Магеллановых облаках на основе снимков, полученных с 1893 года в Арекипской обсерватории, Перу). Свой первый каталог из 1777 переменных звёзд она опубликовала в 1908 году. [433] Изучение цефеид привело её к открытию зависимости между периодом изменения блеска и светимостью звезды, что впоследствии помогло астрономам в измерении расстояний как в нашей Галактике, так и за её пределами. В статье, опубликованной в 1912 году, Левитт исследовала связь между периодами и яркостью выборки из 25 переменных цефеид в Малом Магеллановом Облаке, указав: «Прямая линия может быть легко нарисована между каждым из двух рядов точек, соответствующих максимумам и минимумам, таким образом, показывая, что существует простая связь между яркостью переменных цефеида и их периодами». [434] Она использовала упрощающее предположение, что все цефеиды в пределах небольшого Магелланова Облака находились примерно на одном и том же расстоянии, так что их внутренняя яркость могла быть выведена из их видимой яркости, зарегистрированной на фотографических пластинах, вплоть до масштабного фактора, поскольку расстояние до Магеллановых Облаков было еще неизвестно. Она выразила надежду, что будут измерены параллаксы с некоторыми цефеидами, что в итоге и произошло, и помогло откалибровать ее шкалу период-светимость. Это рассуждение позволило Левитт установить, что логарифм периода линейно связан с логарифмом средней внутренней оптической светимости звезды (которая является количеством мощности, излучаемой звездой в видимом спектре). [435] Левитт также разработала Гарвардский стандарт для фотографических измерений – логарифмическую шкалу, которая упорядочивает звезды по яркости свыше 17 величин. Она первоначально проанализировала 299 снимков от 13 телескопов для того, чтобы построить ее масштаб, который был принят Международным Комитетом фотографических величин в 1913 году. [436]

§207. Эдвард Чарльз Пикеринг (1908) издал Гарвардский пересмотренный фотометрический каталог (Harvard Revised Photometry Catalogue), который был создан Гарвардской университетской обсерваторией и содержит список всех звёзд, имеющих звёздную величину 6.5m или более ярких, которые ещё могут быть видимы невооружённым глазом. [437] Оригинальная Гарвардская Фотометрия была опубликована в 1884 году Пикерингом, в которой содержалось 4260 звезд от северного полюса мира до склонения —30°. [438] Впоследствии это каталог стал называться Каталог ярких звёзд (Bright Star Catalogue или BS), также известный как Йельский каталог ярких звёзд (Yale Catalogue of Bright Stars или Yale Bright Star Catalogue или YBS). Каталог содержит 9110 объектов: 9095 звёзд, 11 новых и сверхновых звезд, и 4 внегалактических шаровых и рассеянных скоплений. Каталог имеет фиксированное число объектов, то есть больше не пополняется, однако, возможно добавление комментариев об объектах. Версия от 1991 года является пятой. [439]

§208. Весто Мелвин Слайфер (1912) наблюдал красное смещение галактик и опубликовал отчеты о первом произведенном доплеровском измерении в радиальной скорости Туманности Андромеды в первом томе бюллетеня Обсерватории Лоуэлла. [440]. В своем докладе Слайфер написал: «величина этой скорости, которая является наибольшей до сих пор наблюдаемой, поднимает вопрос о том, не может ли подобная скорость смещения быть вызвано какой-то другой причиной, но я считаю, что в настоящее время у нас нет другой интерпретации для нее». Три года спустя Слайфер написал короткую заметку о спектрографических наблюдениях туманностей, в которой он указал: «открытие, что Великая спираль Андромеды имела совершенно исключительную скорость – 300 километров (в секунду), показали доступные тогда средства, способные исследовать не только спектры спиралей, но и их скорости». Слайфер сообщил скорости для 15 спиральных туманностей, распространяющихся по всей небесной сфере, всех, кроме трех, имеющих наблюдаемые «положительные» (то есть рецессионные) скорости. [441] Он одним из первых пришел к заключению, что спиральные туманности являются очень далекими звездными системами.

§209. Альберт Эйнштейн (1912), закладывая основы Общей теории относительности, рассмотрел скорость света и статическое гравитационное поле. [442] Он увидел, что преобразования Лоренца и специальная теория относительности нуждаются в обобщении, что теория гравитации должна быть нелинейной, так как гравитационная энергия сама по себе порождает гравитационное поле. Предположение Эйнштейна (1912) о кривизне пространства-времени было сделано после установления физического эффекта, проявляющегося в девиации142 геодезических линий, то есть в расхождении или сближении траекторий свободно падающих тел, запущенных из близких точек пространства-времени. [443] Величиной, определяющей кривизну пространства-времени, является тензор кривизны Римана, входящий в уравнение девиации геодезических линий. Размерность компонент кривизны – обратный квадрат длины143.

§210. Виктор Франц Гесс (1912) с помощью аппаратуры, которая поднималась на высоту на аэростатах, доказал, что радиация, ионизирующая атмосферу, имеет космическое происхождение. [444] Его открытие144 было подтверждено Робертом Милликеном в 1925 году, который дал этому излучению имя «космических лучей». [445] Открытие Виктором Гессом космических лучей – высокоэнергичных заряженных частиц, которые дождем падают на Землю из космоса, дало повод задуматься, не проникают ли они также и в межзвездное пространство.

§211. Растущее число свидетельств существования межзвездного вещества привело Пикеринга (1912) к замечанию, что «хотя межзвездная поглощающая среда может быть просто эфиром, тем не менее характер ее избирательного поглощения, как указывает Каптейн, характерен для газа, и свободные газообразные молекулы, безусловно, существуют, поскольку они, вероятно, постоянно вытесняются Солнцем и звездами». [446]

§212. Норвежский исследователь и физик Кристиан Биркеланд (1913) писал: «кажется естественным следствием нашей точки зрения считать, что все пространство заполнено электронами и летающими электрическими ионами всех видов. Мы предположили, что каждая звездная система в процессе эволюции выбрасывает в космос электрические частицы. Поэтому не кажется неразумным думать, что большая часть материальных масс во Вселенной находится не в солнечных системах или туманностях, а в «пустом пространстве». [447]

§213. Жорж Саньяк (1913) установил и описал эффект появления фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом интерферометре. [448] Величина эффекта прямо пропорциональна угловой скорости вращения интерферометра, частоте излучения и площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре145. Эффект Саньяка проявляется и при кольцевом распространении волн неэлектромагнитной природы.

§214. В начале 1913 года Нильс Бор работал над тем, чтобы устранить противоречия между классическими законами физики и предложенной Резерфордом планетарной моделью атома. [449] Бор по совету спектроскописта Ханса Хансена обратил внимание на спектральные формулы Бальмера и Ридберга, для которых пока был не ясен их физический смысл. Увидев их, Бор прояснил, что целые числа в формуле оказались разрешёнными орбитами, а спектральные линии – следствием квантовых переходов электронов с одной орбиты на другую.

§215. Эйнштейн (1914) указал, что математические уравнения, описывающие законы природы, не должны изменять своего вида и быть справедливыми при преобразованиях к любым координатным системам, то есть быть ковариантными146 относительно любых преобразований координат, и тем самым указал принцип общей ковариантности, который вытекает из принципа эквивалентности. [450] Только в малых областях можно находить системы координат, в которых, в силу принципа эквивалентности, отсутствуют эффекты гравитации. Поэтому принцип общей ковариантности применим только в масштабах, малых по сравнению с масштабами гравитационного поля. [451]

§216. Эйнштейн (1915) описал общую теорию относительности, в которой приводится, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, а деформацией самого пространства-времени, в котором они находятся. Эта деформация связана, в частности, с присутствием массы-энергии. [452,453] Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей, однако в меньшей степени, чем специальная теория, экспериментально проверена. В ней содержаться несколько принципиальных проблем, и пока допустимы некоторые из альтернативных теорий гравитации. Тем не менее, в отличие от многих из альтернативных теорий, по мнению научного сообщества, общая теория относительности в области применимости пока соответствует всем известным экспериментальным фактам и является «стандартной теорией», признанной научным сообществом основной.

§217. Эффект гравитационной линзы был предсказан Эйнштейном, который в 1915 году в рамках общей теории относительности впервые правильно вычислил угол отклонения луча света в гравитационном поле компактного объекта. [454] При этом предположение гравитационного отклонения света высказывал Исаак Ньютон в 1704 году в своей работе «Оптика». [455] Но после Эйнштейна некоторые ученые внезапно поняли, что можно было бы проверить часть его спорной теории общей теории относительности (которая по большому счету является теорией гравитации) путем измерения этого изгиба света147. Согласно Эйнштейну, масса (например, Земля или Солнце) создает искривленное поле пространства-времени, что именуют гравитацией. Кроме того, если луч света входит в это искривленное пространство-время, он тоже будет следовать этой кривой. Или, другими словами, гравитация сгибает свет. [456]

§218. Альберт Эйнштейн (1916) предсказал существование гравитационных волн. [459,460] После ряда наблюдений и соображений астрономы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (BICEP) (2014) сообщили об обнаружении первичных гравитационных волн при измерениях флуктуаций реликтового излучения. [461] Обнаруженные флуктуации считаются не имеющими реликтового происхождения, а объясняются излучением пыли в Галактике. Спустя век после предсказания Эйнштейна международными коллаборациями LIGO и Virgo в 2016 году148 сообщено об обнаружении события прохождения гравитационных волн GW150914 при взаимодействии двух черных дыр. [462] За это открытие одним из лауреатов Нобелевской премии в 2017 году стал Кип Торн, который стоял у истоков создания обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).

§219. Ганс Рейсснер и Гуннар Нордстрём (1916) предложили решение уравнений Эйнштейна-Максвела, описывающих заряженную черную дыру. [457,458] Это статичное решение уравнений, которое соответствует гравитационному полю для сферически-симметричной чёрной дыры с зарядом, обладающим массой, но без вращения.

§220. Карл Шварцшильд (1916) предложил сингулярное статическое точное решение149 уравнений поля Эйнштейна для гравитационного поля вне невращающегося сферически симметричного тела с массой, описывающее минимальную черную дыру. [463] Шварцшильд ввел в научный обиход понятие гравитационного радиуса, который представляет собой характерный радиус, определённый для любого физического тела, обладающего массой: это радиус сферы, на которой находился бы горизонт событий, создаваемый этой массой (с точки зрения общей теории относительности), если бы она была распределена сферически-симметрично, была бы неподвижной (в частности, не вращалась, но радиальные движения допустимы), и целиком лежала бы внутри этой сферы150. Ранее подобные расчеты радиуса сферически симметричного тела, у которого скорость выхода равна скорости света, с использованием ньютоновской механики предлагали Мичелл и Лаплас. [464,465]

§221. Виллем де Ситтер (1916—1917) в своих работах «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях» выдвинул космологическую модель Вселенной, которая предсказывает возможность быстрых движений космических объектов, и послужила отправной точкой позднейших теорий расширяющейся Вселенной. Он предположил, что скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием. [466]