Почему так много непонятного в квантовом мире?
Начнем с нескольких коротких фраз и выражений:
Кварк.
Квантовая пена.
Квантовое туннелирование.
Квантовая клаустрофобия.
Квантовая клаустрофобия!
Квантовая теория полна неожиданных названий и ярких метафор. Отчасти начало этой тенденции было положено Мюрреем Геллманном, получившим Нобелевскую премию в 1969 г. за созданную им классификацию элементарных частиц и их взаимодействий. Его теория предсказала существование кварков, неких гипотетических элементарных частиц, являющихся «кирпичиками», из которых построены протоны, нейтроны и вся материальная основа окружающего мира. Почему Геллманн назвал эти частицы кварками? В поисках термина для обозначения совершенно нового объекта он натолкнулся на таинственную фразу из очень сложного для понимания романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мастера Марка». Она понравилась Геллманну тем, что в его теории гипотетические кварки часто появлялись по трое. Позднее удалось не только доказать существование кварков, но и обнаружить целый набор их разновидностей, которым физики также дали самые разные названия: верхний, нижний, очарованный, странный, красивый и истинный. Кроме того, оказалось, что каждый кварк обладает свойством, которое было названо «цветом». Разумеется, это понятие не имеет отношения к реальной окраске. Таким образом появились красный, зеленый и синий кварки. Пока изолированные кварки выделить не удалось, однако факт их существования надежно доказан весьма сложными экспериментами.
|
|
|
Не менее странным представляется понятие квантовой пены. Предлагаю читателю самому разобраться с определением, использованным Брайаном Грином в книге «The Elegant Universe» («Элегантная вселенная»): «…на ультрамикроскопическом уровне ткань пространства‑времени выглядит как бы вспененной, искореженной». Под «тканью» автор подразумевает единое пространство‑время в теории относительности Эйнштейна. Описание такой квантовой пены оказалось весьма сложной проблемой для физиков, пытающихся объединить теорию относительности с квантовой механикой.
Квантовое туннелированые означает способность объектов проникать через барьеры, непроницаемые для них в механике Ньютона. Это простое утверждение приводит к совершенно неожиданным последствиям.
Возможно, читатель испытает некоторое облегчение, узнав, что квантовая клаустрофобия – всего лишь другое название квантовых флуктуации, обусловленных принципом неопределенности Гейзенберга (мы вернемся к этой проблеме, поскольку с ней связаны многие задачи квантовой механики).
Неудивительно, что Нильс Бор, знаменитый физик, один из отцов квантовой механики и лауреат Нобелевской премии, как‑то публично заявил, что тот, у кого от квантовой теории не начинается головокружение, еще просто ничего в ней не понимает.
|
|
|
Почти каждый автор, пишущий о квантовой физике, характеризует ее как «странную» или «загадочную». Причины этого теперь вполне очевидны. На фоне законов классической физики квантовые законы действительно столь причудливы и странны, что даже Эйнштейн, сам очень много сделавший для развития квантовой теории, позднее предлагал полностью от нее отказаться. Теория тем не менее продолжала развиваться (несмотря на то, что некоторые ученые до сих пор продолжают спорить о ее смысле) и стала одним из самых важных и успешных разделов современной физики.
Интересно проследить, каким образом возникли и развивались парадоксальные физические идеи и представления. В 1900 г. Макс Планк обнаружил, что атомы нагретого тела излучают энергию только совершенно определенными порциями (до этого считалось, что излучение имеет непрерывный характер). Планк ввел понятие кванта энергии, на основе которого возник огромный раздел физики (ему посвящена гл. 15 нашей книги). В 1905 г. Эйнштейн установил, что свет состоит из частиц, или квантов, получивших название фотонов. В 1913 г. 28‑летний датский физик Нильс Бор предложил основанную на квантовомеханических представлениях модель строения атома водорода, послужившую ключом к пониманию общих законов атомного мира. С 1916 г. интерес физиков переключился с квантовой механики на общую теорию относительности, предложенную Эйнштейном, однако начиная с 1924 г. вновь возник небывалый поток идей и публикаций по квантовой механике.
|
|
|
Именно в 1924 г. французский физик, герцог Луи де Бройль, возвращаясь к эйнштейновским представлениям 1905 года о фотонах, показал теоретически, что любые частицы могут быть описаны так называемой волновой функцией (т. е. распространяются в виде волн, прежде чем стать частицами). Его идея вызвала дебаты, продолжающиеся до наших дней. Формула де Бройля позволяла вычислить длину волны, соответствующую различным частицам, и справедливость этой формулы была подтверждена экспериментально в 1927 г. Работы де Бройля быстро принесли ему мировое признание, и в 1929 г. он был удостоен Нобелевской премии. Через год 24‑летний немецкий физик Вернер Гейзенберг впервые разработал полную квантовомеханическую теорию, а буквально несколько месяцев спустя австриец Эрвин Шредингер предложил еще один подход, в котором использовался более простой математический аппарат. Однако вскоре выяснилось, что эти разные на первый взгляд концепции совершенно эквивалентны. При этом оба подхода не ответили на вопрос: что представляют собой эти волны? В известном фильме «Китайский квартал» есть запоминающийся и яркий эпизод, когда героиня (которую играет Фэй Дануэй) после каждой пощечины допрашивающего ее сыщика (знаменитый артист Джек Николсон) меняет свои показания («я – ее сестра!.. я – ее мать!), играющие важную роль в развитии сюжета. Так ведут себя и фотоны, как бы меняя свой облик при каждом запросе: «я – волна… я – частица… я – волна… я – частица…». В конце фильма выясняется ужасный факт, что героиня, которую играет Дануэй, действительно является одновременно сестрой и матерью (она забеременела от своего отца), и многим физикам поведение фотонов и других субатомных частиц кажется столь же чудовищным.
|
|
|
Объяснение этого дуализма было предложено немецким физиком Максом Борном и заключается в том, что связанная с частицей волна характеризует лишь вероятность появления частицы в данный момент времени в данной точке пространства. При этом волны можно разделить на части и накладывать друг на друга, в то время как никогда не наблюдается, например, «полэлектрона». Волны позволяют электрону иметь определенную вероятность появиться в виде частицы. Эта ситуация казалась Эйнштейну совершенно абсурдной, и он писал Борну в 1926 г.: «Я не могу поверить, что Бог играет миром в кости». Забавно, что внучка М. Борна, знаменитая австралийская поп‑звезда Оливия Ньютон‑Джон недавно предложила какой‑то необычный и странный вариант игры в кости (я подразумеваю обычную, а не кварковую «странность»!).
Возможно, именно из‑за серьезных возражений Эйнштейна по поводу вероятностной трактовки волновой функции М. Борн получил Нобелевскую премию лишь в 1954 г., в то время как Вернер Гейзенберг удостоился ее уже в 1932 г. за разработанный в 1927 г. принцип неопределенности, остающийся до настоящего времени одним из ключевых моментов квантовой физики. С пугающей прямолинейностью этот принцип утверждает, что положение и скорость субатомной частицы нельзя измерить одновременно, поскольку сам процесс измерения приводит к изменению либо скорости, либо координаты. Собственно говоря, и в обыденной жизни мы на каждом шагу сталкиваемся с принципом неопределенности, так как абсолютная точность измерений в макромире тоже невозможна (например, измеряя рулеткой картину, мы получаем примерные размеры, из‑за чего приготовленная рамка оказывается меньше требуемой, и мы вставляем картину, применив некоторое усилие). Для крупномасштабных объектов эти обстоятельства обычно роли не играют, но на субатомном уровне даже слабый толчок может заставить электрон «выпрыгнуть» из атома с огромной скоростью. Атомные структуры настолько хрупки, что их может разрушить попадание единственного фотона. Кроме того, увеличение точности измерения положения увеличивает погрешность в определении скорости, и наоборот. Субатомные частицы, образно говоря, плохо поддаются ловле. Иногда, впрочем, эта неопределенность может играть и положительную роль. Например, происходит туннелирование сквозь барьер, которое объясняется тем, что на очень короткое время (предположим, на одну миллиардную долю секунды, которую физики называют наносекундой) субатомная частица может изменить свою природу и проникнуть сквозь непреодолимый энергетический барьер. Такие события можно использовать в практических целях, например, для создания «сканирующих туннельных микроскопов» (СТМ). Первый микроскоп этого типа был сконструирован Гердом Биннингом и Генрихом Рорером в одном из исследовательских центров фирмы IBM (Цюрих, Швейцария) в 1981 г., а сейчас они получили широкое распространение. СТМ позволяют изучать поверхность объектов деталей размером до миллиардной доли метра, что дает возможность рассмотреть и сфотографировать цепочки атомов.
Вернер Гейзенберг в молодости, когда он сформулировал знаменитый «принцип неопределенности», который внес в квантовую физику дух таинственности. (С любезного разрешения Американского института физики. Архив Эмилио Сегре.)
1920‑е годы были временем бурного развития квантовой теории, когда серьезные публикации появлялись чуть ли не каждую неделю. В 1927 г. швейцарский физик Вольфганг Паули сформулировал принцип, согласно которому две частицы в атоме не могут одновременно иметь одинаковые наборы квантовых чисел, т. е. находиться в одинаковых квантовых состояниях (этим впоследствии объяснили различные типы кварков и наличие у них «цвета»). Принцип запрета Паули кажется проще других положений квантовой теории, но он имеет огромное практическое значение, поскольку позволяет связать теорию с другими научными дисциплинами. Периодическая система элементов, построенная русским химиком Дмитрием Менделеевым и дополненная впоследствии рядом других ученых, позволила систематизировать химические элементы в соответствии с их атомными весами. Элементы со сходными свойствами (например, натрий и калий) располагаются в таблице с определенной периодичностью, причина которой оставалась непонятной до тех пор, пока не появился принцип запрета Паули.
Принцип Паули позволяет объяснить периодичность, связывая ее с орбитами, по которым электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам в Солнечной системе. В справочнике «Physics in the Twentieth Century» («Физика в двадцатом столетии») Курт Сапли пишет по этому поводу: «По мере увеличения размеров атомов последовательно заполняются электронные энергетические уровни, или «оболочки». Рано или поздно два электрона должны были бы оказаться в одинаковых квантовых состояниях, так что один из них должен перейти на следующую оболочку. Химические свойства элементов определяются числом электронов, расположенных на внешних оболочках, заполненных лишь частично. Тем самым химия оказывается нераздельно связана с квантовой теорией». В 1931 г. Паули предсказал также существование нейтрино – электрически нейтральной частицы, которая была обнаружена лишь в 1955 г. За открытие принципа запрета В. Паули получил Нобелевскую премию в 1945 г., одним из последних среди физиков первого поколения, разработавших квантовую теорию. Возможно, это объясняется тем, что он был довольно язвительным критиком многих коллег. Например, по поводу идеи, связанной с паранормальными явлениями, Паули сказал, что «ее нельзя считать даже неправильной».
Важным этапом развития квантовой механики стала разработка в 1928 г. английским физиком Полем Дираком теории электронов, включающей важную квантовую характеристику – спин. К этому времени научное сообщество было основательно дезориентировано непрекращающимся потоком открытий и новых идей. Однако 23‑летнему Дираку даже в этой ситуации удалось ошеломить научный мир. Дирак обнаружил и поначалу был обескуражен полученным результатом, что каждому электрону соответствует «партнер с отрицательной энергией». Это стало первым свидетельством существования в природе антивещества (его контакт с обычным веществом приводит к их взаимному уничтожению, аннигиляции). Открытие казалось столь странным, что физики стали с подозрением относиться и к другим работам Дирака. Однако через четыре года американский физик Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института, изучая следы частиц космического излучения в камере Вильсона, обнаружил античастицы. Привычный электрон имел отрицательный электрический заряд. В отличие от обычного (отрицательно заряженного) электрона «антиэлектрон» обладал положительным зарядом (отметим, что в английском языке слово «антиэлектрон» имеет некий негативный оттенок). Позднее антиэлектроны были названы позитронами. Эксперименты Андерсона, в которых наблюдались позитроны, показали, что Дирак не ошибался в своих предсказаниях и антивещество действительно существует. Дирак получил Нобелевскую премию по физике (вместе с Эрвином Шредингером) в 1933 г., а Карл Андерсон – в 1936 г. совместно с другим исследователем космических лучей австрийцем Виктором Гессом.
Чем больше ученые знакомились с законами квантового мира, тем острее становились споры относительно сути самой квантовой теории. Активное участие в дискуссиях принимал Альберт Эйнштейн. Несмотря на то что в свое время именно его теории значительно преобразовали ньютоновскую картину мира, по крайней мере, в масштабах космоса, Эйнштейн оставался предан классическим взглядам, и его очень беспокоило, что теорию относительности не удавалось объединить с квантовой механикой. Более того, квантовая механика нарушала законы Ньютона не только в масштабах космоса, но и в условиях повседневной жизни. Эйнштейн много лет ожесточенно спорил по этим вопросам с Нильсом Бором, что не мешало им оставаться близкими друзьями и относиться друг к другу с огромным уважением.
Бор постоянно пытался найти связь квантовой механики с остальной физикой. Его подход, известный под названием «копенгагенской интерпретации» (Бор жил и работал в Копенгагене), был основан на предположении, что частицы обладают волновыми свойствами, пока не вступают во взаимодействие с регистрирующим прибором, в результате чего они превращаются в частицы. Иными словами, квантовые частицы сохраняют волновые свойства (в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга), пока не вступают в контакт с прибором. Процесс измерения сопровождается «коллапсом» волновой функции и переводит ее в одно из возможных собственных состояний.
Хотя с копенгагенской интерпретацией квантовой механики согласились многие физики, ряд выдающихся ученых встретил её настороженно. Через год после получения Нобелевской премии Эрвин Шредингер придумал мысленный эксперимент (т. е. интеллектуальное рассуждение, обладающее логикой лабораторного эксперимента), который должен был продемонстрировать абсурдность копенгагенской интерпретации. Этот мысленный эксперимент стал одним из самых известных интеллектуальных построений в истории науки. Представьте себе ящик, в котором находятся живой кот, контейнер с радиоактивным препаратом (например, радием) и ампула с газообразным цианом. Распад атома радия, если он происходит во время пребывания кота в ящике (например, в течение одного часа), приводит в действие механизм, разбивающий ампулу, что сразу убивает кота. Если же распад не происходит, то ампула остается целой, а кот – живым. Согласно копенгагенской концепции, пока ящик закрыт, кот будет либо живым, либо мертвым (поскольку сохраняются обе вероятности). Формально кот будет оставаться в этом двойственном состоянии до момента, пока кто‑то не откроет ящик, т. е. произведет наблюдение. При этом неопределенность исчезнет, и кот окажется либо вполне живым, либо мертвым.
Эрвин Шредингер, получивший в 1933 г. вместе с Полем Дираком Нобелевскую премию за развитие квантовой теории. Двумя годами позже, отрицая предложенную Нильсом Бором «копенгагенскую интерпретацию» квантовой механики, он придумал знаменитый мысленный эксперимент, в котором кот одновременно и жив, и мертв. (С любезног® разрешения Института физики. Архив Эмилио Сегре.)
Смысл эксперимента можно разъяснить на примере из обыденной жизни. Представьте себе бизнесмена, имеющего проблемы со здоровьем (например, очень высокое кровяное давление), который, отправляясь в деловую поездку, предварительно заказывает себе в другом городе номер в гостинице и завтрак в 8 часов утра. После того как бизнесмен вечером зайдет в заказанный им номер, строго говоря, уже никто не может с определенностью утверждать, что он всё еще жив. Это можно будет проверить только утром, если он не откроет вовремя дверь номера. В этом случае официант поймёт, что произошло нечто необычное, откроет дверь своим ключом и обнаружит умершего от сердечного приступа бизнесмена и т. д. (чтобы не усложнять проблему, мы даже не рассматриваем сложную ситуацию, когда дверь в номер оказывается закрытой просто потому, что у бизнесмена испортились часы или он перепутал время и задержался в ванной). Очевидно, что подобные рассуждения выглядят довольно нелепо. Именно это и хотел продемонстрировать своим мысленным экспериментом Эрвин Шредингер. Однако обсуждение разных аспектов проблемы «шредингеровского кота» продолжается уже несколько десятилетий и продолжает волновать сторонников копенгагенской школы. Знаменитый Стивен Хокинг однажды раздраженно заявил, что он пристрелил бы этого воображаемого кота, чтобы покончить со спорами. На самом деле мысленный эксперимент Шредингера все еще вызывает интерес по той простой причине, что многие явления квантовой механики очень трудно объяснить и истолковать. Позднее Эйнштейн совместно с двумя другими физиками, Борисом Подольским и Натаном Розеном, придумал другой мысленный эксперимент. Один из парадоксов квантовой механики заключается в том, что два электрона, прошедшие через два разных отверстия, каким‑то образом «знают» друг о друге. Эйнштейн с коллегами мысленно увеличили расстояние между отверстиями до гигантских размеров порядка нескольких световых лет (физики часто используют такое «увеличение» для прояснения ситуации) и пришли к логическому выводу, что скорость «обмена информации» между такими электронами должна превосходить скорость света, что невозможно согласно теории относительности. Эйнштейн с явным раздражением называл этот эффект «проделками нечистой силы на расстоянии»[8].
Квантовая механика находит реальное применение в науке и технике (в противном случае не работали бы лазеры). Ученые пытаются создать нечто совсем удивительное, например квантовые компьютеры, в которых электроны общаются друг с другом на расстоянии. Однако при этом механизм квантовых явлений зачастую остается совершенно непонятным. Кроме того, физикам никак не удается объединить квантовую механику с гравитацией, которая тоже реально существует. Многих ученых такая ситуация приводит в отчаяние, и они готовы отказаться от дальнейших попыток понять законы природы. В конце концов, говорят они, можно и не знать, «как устроен» мир, а ограничиться лишь практическим применением известных результатов в рамках существующей квантовой теории.
Но есть физики, которые хотят не только понять, «как устроен» мир, но и четко определить границы, отделяющие квантовый мир от привычного нам мира ньютоновской механики. Они хотят понять, в каком масштабе управляющие миром квантов вероятности уступают место детерминированности, позволяющей существовать коту или хотя бы его трупу? Как из небытия возникают субатомные частицы? Откуда они появляются и куда пропадают? Некоторые ученые хотели бы, чтобы шредингеровский кот не только сдох, но и вообще скрылся с глаз долой, как мертвецы в фильмах ужасов.
За последние годы в квантовой физике бурно развивались новые направления, например теория суперструн, о которой рассказывается в гл. 20. Однако это во многом лишь усложнило квантовое описание мира. Многие ученые крайне удивлены тем, что значительные успехи в теории почти не приблизили нас к пониманию природы вещей. Физикам никак не удается похоронить с достойными почестями несчастного шредингеровского кота, находящегося в полуживом состоянии с 1935 года.
Литература для дальнейшего чтения
1. Gribbin, John. In Search of Schro dinger's Cat. New York: Bantam, 1984. Эта книга представляет собой одну из первых попыток популярно рассказать о необычном квантовом мире, и она до сих пор не потеряла своей ценности.
2. Gribbin, John. Schrddinger's Kittens and the Search for Reality. Boston: Little, Broun, 1995. Книга является продолжением предыдущей работы автора и написана очень интересно, но многие физики находят ее недостаточно критической.
3. Suplee, Curt. Physics of the 20th Century. New York: Abrams, 1999. Книга выпущена совместно с Американским физическим обществом и Американским институтом физики. Большую часть занимают фотографии, дающие читателю полное представление о развитии современной физики.
4. Lindley, David. The End of Physics. New York: Basic Books, 1993. В книге подвергаются критическому анализу так называемые «непроверяемые» физические теории, получившие распространение в науке с середины 1980‑х годов. Скептицизм автора разделяет и Нобелевский лауреат 1988 года Мэлвин Шварц.
5. Perkowitz, Sidney. Universal Foam: From Cappuchino to the Cosmos. New York: Walker, 2000. Как и в другой своей книге (см. литературу к гл. 15), С. Перковиц удачно иллюстрирует квантовомеханические парадоксы примерами из повседневной жизни и сведениями из других научных дисциплин, что делает текст интересным и ярким.
6. Frayn, Michael. Copenhagen. New York: Anchor, 2000. Пьеса, получившая широкое международное признание, посвящена встрече Нильса Бора с Вернером Гейзенбергом, которая действительно имела место во время Второй мировой войны, когда Гитлер предложил Гейзенбергу создать атомную бомбу. Точное содержание беседы остается неизвестным до сих пор. Фрайну удалось связать проблемы квантовой физики и «принципа неопределенности» со сложными психологическими переживаниями персонажей.
7*. Pensore Roger, et al. The Large, the Small and the Human Mind, Cambridge University Press, 2000. [Имеется перевод: Пенроуз Р. и др. Большее, малое и человеческий разум. – М.: Мир, 2003.]
8*. Пономарев Л. И. Под знаком кванта. – М.: Наука, 1989. Доступно и популярно излагаются парадоксы квантовой механики.
9*. Трейман С. Этот странный квантовый мир. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002. Компактное и достаточно полное популярное изложение квантовой механики, а также основных принципов теории микрочастиц и квантовой теории поля.
Глава 17.
Что же такое черные дыры?
При чтении многих современных монографий по космологии возникает вопрос, не провалился ли Дж. Роберт Оппенгеймер сам в «черную дыру»? Созданные им сложные теории и методы расчетов, связанные с обсуждением черных дыр, практически не упоминаются, а его фамилия отсутствует даже в авторских указателях. Между тем это был выдающийся американский физик, известный в наши дни как руководитель лаборатории в Лос‑Аламосе в период создания атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. Он первым понял, что из теории относительности Эйнштейна вытекает возможность существования странных космических объектов. В конце 1938 г. Оппенгеймер и Джордж Волков рассчитали массу и размеры нейтронных звезд. В ходе работы Оппенгеймер понял, что «умирающие» массивные звезды должны претерпевать коллапс (направленный внутрь взрыв), и задумался об их дальнейшей эволюции.
Расчеты приводили к очень сложным математическим уравнениям, для решения которых Оппенгеймер привлек Гартланда Снайдера, блестяще и разносторонне одаренного выпускника Калифорнийского технологического института. Кип Торн, один из крупнейших современных специалистов по теории черных дыр, подробно рассматривает работы Оппенгеймера в своей книге «Черные дыры и деформации времени» (1994) [1]. Несмотря на то что сам Торн был учеником Джона А. Уилера (постоянного соперника и критика Оппенгеймера), он признает, что расчеты, проведенные Снайдером под руководством Оппенгеймера и Ричарда Толмена, являлись исключительно сложными. Некоторые задачи удалось решить лишь в конце 1980‑х годов, после появления нового поколения сверхмощных компьютеров. Торн пишет, что «для решения задачи авторам пришлось построить идеализированную модель коллапса звезды и затем рассчитать его следствия. Он называет «научным подвигом» тот факт, что Снайдеру удалось составить требуемые уравнения и найти методы их решения, «позволяющие анализировать различные стороны процесса коллапса и описать его с точки зрения различных наблюдателей, находящихся вне или внутри звезды, а также на ее поверхности».
Многие физики сочли полученные уравнения совершенно необоснованными. Проблема состояла в том, что для наблюдателя, связанного с внешней системой координат, коллапс прекращался или «застывал», в то время как для наблюдателя на поверхности звезды, который постоянно проваливался внутрь, он продолжался бы бесконечно. Вывод о том, что происходящее может выглядеть совершенно по‑разному в зависимости от системы наблюдения, объясняется деформацией времени. Такая возможность до этого никем не учитывалась и не обсуждалась. Конечно, физики уже знали и о возможности деформации времени согласно теории относительности Эйнштейна и о том, что результат наблюдений согласно принципу неопределенности Гейзенберга зависит от самого процесса измерения, однако считалось, что все эти эффекты происходят лишь на субатомном уровне, поэтому большинство американских физиков не задумывалось о возможности проявления квантовых эффектов в космических масштабах.
Позднее выяснилось, что у Оппенгеймера и Снайдера был предшественник. За 11 лет до опубликования в 1939 г. их знаменитой статьи молодой индийский физик Субраманьян Чандрасекар теоретически показал, что звезды, масса которых в 1,4 раза превышает массу Солнца, не могут превращаться в хорошо известные астрономам белые карлики, а будут продолжать сжиматься под воздействием гравитации. Примерно тогда же к этому выводу пришел и выдающийся российский физик Лев Давыдович Ландау (если бы Ландау дожил до 1983 года, он бы с полным правом разделил Нобелевскую премию с Чандрасекаром).
Сам факт, что от момента открытия до присуждения Нобелевской премии прошло 55 лет, наглядно показывает, насколько предложенная идея опередила уровень развития мировой науки. В 1928 г. знаменитый физик сэр Артур Эддингтон, своими измерениями во время затмения Солнца в 1919 г. подтвердивший предсказанное Эйнштейном искривление пространства, был возмущен теорией Чандрасекара: «Я убежден, что существует закон природы, запрещающий звездам вести себя столь бессмысленно!»
Дж. Роберт Оппенгеймер, теоретически предсказавший в 1939 г. существование черных дыр. Несмотря на прекрасное математическое обоснование, его концепция первоначально была встречена в штыки большинством физиков, а сам он приобрел известность только как руководитель лаборатории в Лос‑Аламосе, где были созданы первые атомные бомбы. (С любезного разрешения Американского института физики. Архив Эмилио Сегре.)
Почти так же отнеслись к идеям Оппенгеймера и Снайдера именитые американские физики во главе с Джоном А. Уилером. На некоторое время теоретические споры заглохли, поскольку началась Вторая мировая война, и физики были заняты практическими проблемами, связанными с созданием атомной бомбы. Однако после войны разногласия между Оппенгеймером и Уилером перешли на уровень личных отношений. При этом оба работали в Принстонском институте перспективных исследований. Их взаимная неприязнь усилилась после того, как Оппенгеймер стал выдвигать технические и моральные доводы против программы разработки водородной бомбы. С техническими проблемами удалось справиться, но поднятые этические проблемы сказались на его дальнейшей судьбе. Уилер стал одним из главных создателей американской водородной бомбы, а Оппенгеймеру дорого обошлась его оппозиция созданию нового вида оружия. Позднее, в 1950‑е годы, ему пришлось подвергнуться проверке в печально известной комиссии сенатора Маккарти, в результате чего он был лишен допуска к секретным работам. Хотя Оппенгеймеру никогда не предъявлялось прямое обвинение в измене, это разбирательство стало концом его научной деятельности и частично объясняет упомянутое выше «исчезновение» имени Оппенгеймера из трудов, посвященных черным дырам.
Еще одна причина состоит в том, что Уилер кардинально поменял к тому моменту свое отношение к проблеме гравитационного коллапса. Он не только стал усиленно заниматься ею, но и превратился в одного из крупнейших специалистов в этой области, а в 1969 г. даже придумал прекрасное название черная дыра (разумеется, в результате этого предыдущая деятельность его старого соперника Оппенгеймера оказалась почти совершенно забытой). Любителям телевизионного сериала «СтарТрек» будет небезынтересно узнать, что в первых эпизодах, относящихся еще к 1967 году, использовался очень похожий термин. Лоуренс М. Краус, автор книги «Физика в сериале «СтарТрек», пишет по этому поводу следующее: «При просмотре этого эпизода специально для сверки с текстом книги мне показалось, что авторы просто неточно использовали научное понятие, и это выглядело забавным. Лишь позднее я осознал, что авторы сериала придумали название, почти совпадающее с научным термином». В сериале речь шла о «черной звезде».
Образ космической черной звезды, или дыры, оказался весьма эффектным, что отмечали многие рецензенты. Частично это можно связать с тем, что Джон Уилер нашел удивительно удачное и емкое название для странных объектов, которое одновременно очень подходит для удачных, а иногда грубоватых шуток по поводу многих житейских ситуаций. Широкая публика, вообще говоря, никогда не проявляла интереса к проблемам других звездных объектов (от белых и коричневых карликов до нейтронных звезд), однако черные дыры были восприняты столь же остро, как когда‑то в древности кометы. Это кажется особенно странным, если учесть, что уже почти 60 лет ведущие физики мира ломают головы над проблемой черных дыр. Психологи неоднократно отмечали, что обаяние метафоры «черная дыра» обусловлено именно ее абстрактностью и неопределенностью, позволяющей каждому вкладывать в это понятие собственный смысл.
В большинстве справочников обычно подчеркивается, что гравитационное поле черных дыр настолько сильно, что даже свет не может выходить из них. Выше уже упоминалась книга Кипа Торна «Черные дыры и деформация времени», опубликованная в 1994 г. Хотя к этому моменту астрономы еще не имели даже доказательств реального существования черных дыр, К. Торн (который сам является выдающимся специалистом в этой области) сумел добавить к стандартному определению еще одну характеристику, назвав черную дыру «объектом, образующимся при коллапсе звезды, в который предметы могут попадать, но из которого они не могут выходить». Впрочем, это определение также достаточно осторожно, поскольку Торн хорошо представлял себе, к каким странным выводам может приводить концепция черных дыр.
Попробуем ответить на довольно простой вопрос: каковы размеры черных дыр?
Теоретически черной дырой может стать любой объект – звезда, луна, небоскреб Эмпайр Стейт Билдинг, слон, читатель или автор этой книги, пресс‑папье со стола и т. п., если только к нему удастся приложить нагрузку и сжать вещество до требуемой плотности. Когда объект сожмется до ничтожных размеров, его гравитационное поле возрастет настолько, что пространство искривится и образуется черная дыра, из которой наружу не сможет вырваться даже луч света. Из человека (например, из меня или из Вас, читатель) можно, конечно, сформировать лишь очень маленькую черную дыру, радиус которой будет в миллиарды раз меньше размеров электрона. При сжатии Земли возникнет черная дыра величиной с шарик для настольного тенниса, а Солнце образовало бы черную дыру радиусом около 2,4 км.
В действительности размеры Солнца (не говоря уже о Вас и обо мне) слишком малы, чтобы образовалась черная дыра. Достаточными размерами и массой обладают лишь крупные звезды, а звезды‑гиганты обречены превратиться в черные дыры. Тимоти Ферри в книге «The Whole Shebang» [4] пишет: «В каждой нормальной звезде существует сложное равновесие между двумя противоположными силами. Гравитация стремится сжать звезду в точку, а энергия, выделяющаяся в ее центре, заставляет звезду расширяться, стремится взорвать ее. В этих условиях звезда начинает пульсировать, периодически изменяя размеры под воздействием противоположно направленных сил, обусловленных изящным механизмом обратной связи». Этот механизм обратной связи позволяет поддерживать равновесие, благодаря которому звезды могут существовать и гореть достаточно долго. Например, наше Солнце горит уже около 10 миллиардов лет, что составляет почти половину его жизненного цикла. Скорость выгорания ядерного топлива в центре звезды пропорциональна кубу ее массы, вследствие чего увеличение массы звезды всего в несколько раз приводит к резкому усилению яркости (в сотни раз!) и значительно сокращает срок ее жизни. Общий закон развития звезд заключается в том, что как только равновесие между гравитацией и выделением энергии нарушается, звезда любого размера коллапсирует.
Звезды с массой до 1,4 массы Солнца в результате коллапса превращаются в так называемые белые карлики (с массой Солнца, а размером с Землю). Они не могут дальше уменьшаться из‑за ограничивающего плотность электронов в веществе принципа Паули (см. гл. 16). Более крупные и массивные звезды будут сжиматься до гораздо меньших размеров, образуя объекты диаметром менее 16 км, называемые нейтронными звездами, поскольку их ядра состоят в основном из электрически нейтральных элементарных частиц – нейтронов. Нейтронная звезда может вращаться, делая тысячи оборотов в секунду. Если такая звезда обладает магнитным полем, то она превращается в так называемый пульсар – мощный импульсный источник радиоизлучения.
Некоторые звезды во Вселенной столь огромны и обладают столь большой массой, что в этом случае гравитационные силы преодолевают ограничения, не позволяющие белым карликам и пульсарам уменьшаться дальше в размерах, и возникают черные дыры. Ни вещество, ни даже свет не могут преодолеть гравитационное притяжение таких объектов, поэтому все, что находится вблизи них и пересекает так называемый горизонт событий, «засасывается» внутрь дыры. В этой области пространства не действуют обычные законы гравитации, а возникают закономерности, характерные для черной дыры, которая является сингулярностью, т. е. зоной действия особых законов.
Конечно, очень многие давно пытались представить или теоретически описать происходящие внутри черной дыры процессы. В этих попытках приняли участие даже голливудские режиссеры, снявшие в 1979 г. очень зрелищный, но поразительно примитивный фильм под названием «Черная дыра». Некоторые астрофизики полагают, что всё попавшее в черную дыру превращается в «спагетти», а другие считают, что черные дыры связаны с иными измерениями и иными вселенными. Хотя черными дырами занимались блестящие ученые, разработавшие сложнейшие математические теории, однако пока никто не представляет толком, что происходит внутри них. Как и в концепции Большого Взрыва, теоретическое описание сингулярностей представляется весьма сложной задачей. Даже самый развитый математический аппарат позволяет автору создать лишь воображаемую реальность, существование и адекватность которой еще предстоит доказать.
С тех пор как Джон Уилер изменил свое мнение и принял концепцию черных дыр, многие астрофизики пытались исследовать природу этих загадочных звездных объектов. Начиная с 1970‑х и до 1990‑х годов предлагаемые теории были столь же многочисленны, как и вызываемые ими дискуссии. Но несмотря на это изобилие теорий, оставалась одна проблема: действительное существование черных дыр не было подтверждено.
Даже чисто практическая задача наблюдения черных дыр создаёт астрономам массу проблем, поскольку по определению черные дыры нельзя наблюдать. Любые заключения об их поведении можно сделать только на основе их воздействия на расположенные поблизости звезды и галактики. После ликвидации неисправностей в космическом телескопе «Хаббл» в 1994 г. в открытом космосе (что потребовало специального запуска космического челнока) и дальнейшей разработки рентгеновских телескопов начала поступать ценная и обширная информация. За короткий период с конца 1990‑х до начала 2000 года удалось получить новые данные, которые подтвердили предсказания, относящиеся к черным дырам. Сейчас большинство астрофизиков считают существование черных дыр вполне доказанным. Однако, как это часто бывает, обилие новой информации не только позволяет ответить на старые вопросы, но и порождает множество новых. Например, начиная с 1974 г. астрономы были уверены, что наиболее вероятным кандидатом в черные дыры является звезда Х‑1 созвездия Лебедя (Cygnus Х‑1, Cyg Х‑1), и они внимательно следили за ее поведением. Этот объект оказался бинарной системой, или двойной звездой, – довольно распространенным видом космических образований. Однако в отличие от других систем этого типа составляющие ее звезды совершенно различны. Одна из них ярко светит в оптическом диапазоне, но невидима в рентгеновской области. Другая оказывается «темной» в оптическом диапазоне, но яркой в рентгеновской области. При этом первая звезда, по‑видимому, вращается вокруг второй, масса которой, как показывают математические расчеты, значительно превышает массу обычных нейтронных звезд. Именно это обстоятельство натолкнуло на мысль, что речь идет о черной дыре. К середине 1980‑х годов астрономы собрали много данных о поведении Cyg X‑1, зачастую противоречащих друг другу. Дискуссии в среде космологов привели к тому, что между Кипом Торном и Стивеном Хокингом было заключено пари, в соответствии с которым, если бы звезда Cyg Х‑1 оказалась черной дырой, то Хокинг должен был оплатить Торну подписку на журнал «Penthouse». В противном случае Торн должен был подписать Хокинга на сатирический журнал «Private Eye». К началу 1990‑х годов Торн уже был уверен в своей правоте на 95%, хотя и не ожидал, что противник легко признает свое поражение. Однако Хокинг оказался достаточно объективным и, как с юмором пишет об этом Торн, «в июне 1990 года, когда я работал со своими российскими коллегами в Москве, Хокинг «вломился» в мой офис в Калтехе (разумеется, в окружении семьи, сиделок и друзей), снял со стены помещенный в рамку текст нашего пари и оставил на нем соответствующую расписку, заверив ее отпечатком большого пальца».
Принадлежность Cyg Х‑1 к черным дырам подтверждена совместными данными, полученными при помощи «Хаббла» и новых рентгеновских телескопов. Информация о других объектах иногда противоречива. Многие астрономы считают, что мы, возможно, имеем дело с двумя разными типами черных дыр. Одни из них действительно сравнимы по массе с бинарной системой Cyg Х‑1, а другие имеют массу, эквивалентную миллиардам звезд типа Солнца. Более того, такие сверхмассивные черные дыры постоянно обнаруживаются в центрах галактик. К началу 2001 г. астрономы обнаружили уже не менее тридцати таких объектов, измеряя скорость газов, захватываемых центральной черной дырой и имеющих характерную спиральную форму (как вытекающая из ванны вода).
Новейшие открытия показывают, что более крупные и массивные галактики имеют в своем центре и более массивные черные дыры. Кроме того, астрономы полагают, что сверхмассивные черные дыры существуют только в галактиках эллиптической формы, обладающих плотным ядром из звезд, а галактики без центрального уплотнения, по‑видимому, вообще не содержат черных дыр. Наша собственная Галактика, Млечный Путь, имеет относительно небольшое уплотнение в центре и содержит несколько небольших черных дыр (немного превышающих по массе наше Солнце). Интересно, что масса и очень больших, и очень малых черных дыр всегда составляет около 0,2% от массы всей центральной области Галактики.
Космологи сейчас тщательно изучают эти факты, так как они свидетельствуют о том, что черные дыры могут оказаться «зародышами», вокруг которых формируются галактики. Исследователи из Мичиганского университета обнаружили еще три сверхмассивные черные дыры, а их руководитель Дуглас Ричстоун заявил в январе 2000 г.: «Каким‑то образом черные дыры «узнают» массу галактики, в центре которой они расположены, или, наоборот, образующаяся вокруг черных дыр галактика как‑то «догадывается» о массе черной дыры в центре. В любом случае мы имеем дело с каким‑то непонятным механизмом». Выше уже упоминалось, что в квантовой механике пары электронов как‑то «узнают» о состоянии друг друга, поэтому космологов страшно заинтересовала возможность существования похожей взаимосвязи в космических масштабах. Разумеется, споры о том, какая из масс является «ведущей», несколько напоминают дискуссии о том, что было в начале: яйцо или курица. Некоторые ученые считают, что основным фактором служит черная дыра, а другие склонны считать, что дыры и галактики формируются в неразрывной связи.
В 1939 г., когда Оппенгеймер и Снайдер опубликовали свою первую работу с гипотезой о существовании черных дыр, многие выдающиеся астрофизики отнеслись к этой идее скептически, и понадобилось много лет, чтобы они поменяли свое мнение. Лишь в конце 1990‑х годов новые данные, полученные на телескопе «Хаббл», продемонстрировали возможность существования черных дыр во многих галактиках. Черные дыры только сейчас начинают приоткрывать свои секреты и одновременно предлагают ученым целый ряд новых загадок. Долгий и интересный путь исследования их природы только начинается, но он обещает привести нас к пониманию процессов, играющих важнейшую роль в развитии Вселенной.
Литература для дальнейшего чтения
1. Thorne, Kip S. Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy. New York: Norton, 1994. Книга была опубликована до того, как космический телескоп «Хаббл» начал работать нормально, и поэтому не содержит новейших данных в этой области, однако она остается наиболее полным источником по истории развития теории черных дыр. Несмотря на большой объем (более 600 страниц), она читается легко и с интересом, так как Торн был лично знаком с многими из тех, кто вот уже 60 лет развивает эту теорию.
2. Pickover, Clifford A. Black Holes: A Traveler's Guide. New York: John Wiley & Sons, 1996. Очень популярно и легко написанная книга, в которой рассказывается о воображаемом путешествии двух ученых будущего внутрь черной звезды для проведения экспериментов. Иллюстрации в книге наводят ужас, но она снабжена программой компьютерной графики, позволяющей читателю самому создавать образы черных дыр на персональном компьютере.
3. Cooper, Heather. Black Holes. New York: DK Publishing, 1996. Книга предлагается «молодым, но взрослым» читателям и является достаточно сложной. Ее можно рекомендовать тем, кто хотел бы быстро получить общее представление о проблеме, но не имеет времени на чтение объемных трудов типа книги К. Торна.
4. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Shuster, 1997. Черные дыры упоминаются в этой книге лишь наряду со многими другими проблемами физики, но Т. Ферриса отличает способность достаточно ясно и сжато излагать сложные вопросы.
5. Wheeler, John Archibald and Kenneth William Ford. Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics. New York: Norton, 1998. С конца 1930‑х годов Уилер был одним из крупнейших специалистов США в области квантовой механики и возглавлял очень крупные исследовательские программы, поэтому его автобиография содержит множество интересных сведений о людях и событиях, связанных с развитием космологии.
6*. Кауфман У. Космические рубежи теории относительности. – М.: Мир, 1981.
7*. Редже Т. Этюды о Вселенной. – М.: Мир, 1985.
Глава 18.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 169; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!