Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

Работа Планка началась с попытки согласовать два разных закона излучения, которые получили еще в 1890-х годах Вильгельм Вин и лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт) отдельно для высокочастотной (Вин) и низкочастотной (Рэлей) областей спектра излучения. Оба закона были получены в предположении волновой природы света, однако Планку, рассматривающему свет как поток частиц, удалось вывести общий закон излучения, справедливый во всем диапазоне частот и температур. Уравнение Планка содержало константу, которая оказалась фундаментальной. За эту работу Планк в 1918 г. был удостоен Нобелевской премии, а константа была названа постоянной Планка.

Концепция, согласно которой энергия представляла собой поток «частиц», была подхвачена и развита Альбертом Эйнштейном. В 1905 г. он опубликовал четыре работы, сыгравшие важную роль в истории физики. В последней из них он применил теорию Планка для объяснения фотоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что частицы света могут выбивать электроны с поверхности некоторых металлов. Порции световой энергии (сам Эйнштейн называл их световыми квантами, но позднее за ними закрепилось название фотоны) в теории Эйнштейна выглядели скорее частицами, чем волнами.

В статье 1905 г., заложившей основы специальной теории относительности (в 1916 г. была развита общая теория относительности), Эйнштейн рассмотрел другую характеристику света, а именно скорость, и предположил, что она постоянна для любого наблюдателя независимо оттого, приближается он к источнику света или удаляется от него. Из этого утверждения вытекает целый ряд важных следствий, одно из которых заключается в том, что в системе координат, связанной с наблюдателем, размеры предметов сокращаются, время замедляется, а масса тел увеличивается. При обычных скоростях этот эффект практически незаметен, законы Ньютона выполняются, однако при высоких скоростях, сравнимых со скоростью света или близких к ней, изменения, например замедление течения, времени, становятся заметными. Если бы какое-то тело (скажем, космический корабль) удалось разогнать до скорости света (или большей), то время на корабле остановилось бы, его размеры сократились бы до точки, а масса стала бесконечно большой. Таким образом, теория Эйнштейна демонстрирует невозможность достичь (или превысить) скорость света.

Альберт Эйнштейн (одетый с неожиданным щегольством) за работой в Патентном бюро в Берне, Швейцария, в 1905 г. В этом году он опубликовал первые четыре статьи, сыгравшие очень важную роль в науке XX века и кардинально изменившие привычную ньютоновскую картину строения Вселенной. (Фотография Лотты Джакоби, любезно предоставлена архивом Лотты Джакоби, Университет Нью-Гемпшир.)

Природа света, о которой размышлял Ньютон, теперь получила свое объяснение, однако при этом выяснилось, что наша Вселенная устроена еще более странно, чем он мог предположить. Модель Вселенной в теории относительности долгое время увлекала и одновременно сбивала с толку писателей-фантастов. Они в сюжетах многочисленных романов и рассказов с восторгом обыгрывали «загадки времени» или необычные ситуации, связанные с космическим путешественниками, которые после длительного полета в другие галактики возвращаются на Землю молодыми, в то время как все их сверстники давно умерли. С другой стороны, даже фантастам было не под силу описать все «загадки скорости», вынуждающие создавать для космических путешествий причудливые устройства типа использованных в известном сериале «Стар Трек».

Идеи Эйнштейна о природе света лишили покоя многих физиков. Ранее предполагалось, что свет подобно гравитации распространяется в мировом эфире, однако эксперименты по измерению скорости света (проведенные в 1889 г. Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли) показали, что никакого эфира не существует и, следовательно, ни свет, ни гравитация не могут распространяться таким образом. Результаты опытов по измерению скорости света оказались совершенно неожиданными для самих экспериментаторов. Майкельсон был одним из самых блестящих молодых ученых Америки (за четыре года до знаменитого эксперимента он был первым в выпуске Военно-морского училища США в Аннаполисе) и ставил своей целью вместе с известнейшим химиком Морли раз и навсегда решить проблему эфира. Для этого он спроектировал оптический интерферометр, в котором одновременно измерялось время прохождения двух пучков света, один из которых двигался вдоль, а второй — поперек предлагаемого «эфирного ветра». Поскольку считалось, что эфирные волны имеют определенное направление, экспериментаторы ожидали, что скорость света вдоль «ветра» будет больше, чем в поперечном направлении (аналогично тому, как скорость корабля при движении по течению превышает его скорость при движении поперек течения). Однако никакой разницы в скоростях обнаружить не удалось.