Квинтэссенция. Книга первая

Начались новые мытарства: неудачные попытки наблюдения свободных кварков… поиски объяснений причин неудач… в обиход физики вторглись споры о иерархии взаимодействий и сил, управляющих Природой. О связях между ними. О Великом объединении трех из них и о Суперобъединении, существовавшем в течение ничтожно короткого времени, в самом начале Большого взрыва.

Началась полоса удивительных предсказаний, повлиявших на развитие космологии и микрофизики. Среди них предсказание о смертности протона — протон не вечен, это не бессмертная частица мира, не фундамент, не опора для мироздания. Он тоже смертен, в его жизни тоже есть начало и конец, он в свое время умрет и превратится в другие частицы.

Рушилась уверенность в незыблимости фундамента мироздания — в вечной жизни основного кирпичика материи.

Еще новости — пространство обладает упругостью… «Стрела времени» способна изменить свое направление… В природе, возможно, существует несколько времен, подобно тому, как существует несколько измерений в пространстве… Вероятно, в природе существует неизвестная сила, отличающаяся от известных четырех… Эти предсказания сделаны великим физиком нашего времени Андреем Дмитриевичем Сахаровым.

Он же объяснил почему не существует антимир, состоящий из античастиц. И почему возможно вечное чередование процессов расширения и сжатия Вселенной…

Бурно вспыхнула космология — новыми открытиями, новыми догадками: об эволюции Вселенной, о ее прошлом и будущем. Наши современники познакомились с созданием и уточнением сценария рождения Вселенной. С тем, как тесно связаны между собой физика микромира и космология. Задумались о том, какую роль в понимании эволюции Вселенной играет учет квантовых поправок к Общей теории относительности, этой вершине современной физики. Узнали о «ложном вакууме» и о стадии «раздувания» в эволюции Вселенной.

Мы, свидетели событий XXI века, не сможем избежать вопроса о современном строении Вселенной и о ее будущем. О том, почему возникли звезды и почему они группируются в галактики, в скопления галактик и в сверхскопления? Почему во Вселенной наблюдаются огромные области, в которых нет галактик? От чего зависит будущее Вселенной?

В книге «Квинтэссенция» мы проследим за тем, как ученые искали ответы на эти и другие вопросы и к чему привели результаты их исследований, как в сегодняшней науке возродился интерес к возможности существования неизвестного взаимодействия между телами нашего обычного макромира. Интерес к взаимодействию, порождающему новую — «неньютоновую» — силу, проявляющую свое существование в отклонении от закона тяготения. Ее назвали «пятой силой».

Наука прошла путь от «неньютоновой» силы инерции до «неньютоновой» пятой силы. Уже на нашем веку, на нашем этапе развития науки поставлены эксперименты, проведенные с целью подтвердить или опровергнуть существование этой «пятой» силы. Часть из них дает положительный ответ, другая часть отрицает ее существование.

Вопрос пока остается без ответа.

Такова наука. Ее развитие безгранично. Неиссякаема жажда знаний у человечества. В пьесе бытия мы не только зрители, но и актеры.

В книге «Квинтэссенция» мы расскажем о физике, самой важной из естественных наук, и о физиках, ее тружениках и провидцах.

Часть 1

КЛАССИКА — ДРАМА ИДЕЙ

Аристотель

Галилей

Ньютон

Фарадей

Максвелл

Герц

Лоренц

Планк

ГЛАВА 1. ДВУЛИКАЯ СИЛА

ЧТО ДВИЖЕТ СТРЕЛУ?

Древнейшие народы, населявшие Ближний восток, включая долину Нила, жившие в Индии и Китае размышляли над явлениями Природы и практическими нуждами повседневной жизни. Это нашло отражение в мифах и преданиях. Но религиозно-мистические воззрения препятствовали в то время выявлению закономерностей Природы.

Проще и практичнее было изобретать технические новинки.

Египтяне и жители Междуречья накопили ценные астрономические наблюдения, создали основы арифметики и геометрии и применяли их для практических целей. Они изобрели весы и простые приборы для астрономических наблюдений, устройства для измерения земельных участков, рычаги для перемещения тяжестей при строительстве зданий и культовых сооружений. Но только греки, усвоив это наследство, применили его для создания системы взаимосвязанных знаний, развившихся в науку.

Большинство греческих философов стремилось найти общие законы, характеризующие Природу, а затем при помощи логических построений выяснить естественную закономерность явлений. Этот метод называют натурфилософией. С ней связывают имя Аристотеля.

По решению судьбы он родился в 384 году до нашей эры — и его любознательность могла опереться только на силу его разума — ничего другого уровень знаний в его время не мог ему предложить.

Другие ученые, среди которых наиболее крупным был Архимед, старались сформировать простые понятия, не требующие доказательств, а затем, пользуясь математикой, описать свойства сложных систем и явлений. В течении многих веков после Архимеда никто не сумел существенно развить его методы. Что этому мешало? Мы вернемся к обсуждению этого вопроса.

Аристотель славился умением наблюдать. И всегда искал объяснение увиденному.

В его голове изобретательно складывалась своя картина мира. Он не считал, что это домыслы. Он верил в реальность придуманной им картины мира. Никто не мог сравниться с ним силой воображения и безапеляционостью утверждений. Эксперимент еще не стал верховным судьей науки. Мыслители еще пользовались только силой убеждений. «Я так думаю» — и решающее слово оставалось за самоуверенным авторитетом.

Итак, что думал Аристотель о природе вещей?

Он считал, что тела могут быть тяжелыми или легкими. Тяжелые тела падают, они стремятся к Земле. Огонь — легкий, он стремится вверх, к небу. Движения вниз и вверх естественны, учил Аристотель, они продолжаются до тех пор пока их не прекратит сила. Земля — абсолютно тяжелая, огонь — абсолютно легкий, воздух и вода — относительно легки или тяжелы. Эти свойства передаются и телам, которые образованы из них.

Для того, чтобы воспрепятствовать тяжелым телам падать вниз к ним нужно приложить силу.

Все другие движения, считал Аристотель, являются вынужденными, а не естественными. Они порождаются силами и продолжаются только до тех пор, пока действуют вынуждающие силы. Телега движется только когда ее тянут лошади. Если оборвутся постромки или остановятся лошади, прекратится и движение телеги.

Итак, мы произнесли слово «сила». Это одна из первых находок науки. Со временем вся мощь научных методов будет брошена на решение загадок сил, властвующих над Вселенной. Ученые интуитивно поймут, что это — фундаментальное понятие лежащее в основе познания мира. Не удивительно, что понятие «сила» зафиксировано в соответствующих словах всех народов, создавших письменность.

Для Аристотеля сила является одним из простейших понятий. Сущность силы нельзя объяснить при помощи еще более простых понятий. Их не существует. Впрочем, они не нужны. Каждый и без специальных объяснений знает, что это такое. Сила свойственна человеку, ее можно чувствовать, держа в руке тяжелый предмет, поднимая его, натягивая тетиву лука, бросать копье. А стрела или копье, достигая цели, с силой вонзаются в нее.

Аристотель применял понятие «сила», рассуждая о механике. Например, груз с силой давит на опору или растягивает подвес. Рассуждая о простейших равноплечных весах, он пишет, что грузы (гири и взвешиваемый предмет) равны, когда силы их тяжести взаимно уравновешены.

Сила тяжести действует на все предметы. Тяжесть каждого предмета — его важнейшая характеристика. Она остается неизменной по величине, если не изменяется сам предмет. Другие силы способны изменяться. (Много позже ученые узнали, что тяжесть предмета может изменяться, например, при подъеме на гору. Этот вопрос мы еще обсудим).

Рассуждения Аристотеля справедливы. Они общепризнанны в наши дни для тех случаев, когда он судит о неподвижных предметах.

Но переходя к движущимся предметам, он теряет почву под ногами.

Наблюдая естественные движения, например, падение тел, Аристотель, конечно, видел, что скорость их падения возрастает. Но он не пытается определить как меняется эта скорость. Он пишет, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. Это мнение господствовало около двух тысячелетий, до тех пор, пока не было опровергнуто Галилеем.

Галилей первым начал систематически проводить опыты. С их помощью он ставил вопросы природе и извлекал из них ответы.

К первым опытам его привело наблюдение за качанием лампад в церкви. Молодому мыслителю это было интереснее, чем церковная служба. Что вызвало интерес Галилея? Почему качающиеся лампады привлекли его внимание? Ответы на эти вопросы так важны, что мы вернемся к ним — от них зависело все дальнейшее развитие физики.

Теперь же возвратимся к Аристотелю. Ему казалось совершенно ясным, почему движется телега. Лошади с силой тянут постромки упряжки, а постромки передают эту силу телеге. Так происходит все время, пока лошади тянут телегу.

Аристотель видел и другое. Он наблюдал как тетива лука толкает стрелу и стрела начинает свой полет. Но что поддерживает ее движение после того, как стрела покидает тетиву? Что за сила продолжает двигать стрелу?

Как ответить на этот вопрос?

Аристотель не может обнаружить силу, поддерживающую движение стрелы. Не сможем обнаружить эту силу и мы. Но он не допускает, чтобы вопрос остался без ответа.

Он поступает так, как поступил бы любой натурфилософ. Исходный закон ему известен, он кажется очевидным: движение вызывается силой. Если натурфилософу не удается усмотреть движущую силу, ему необходимо путем логических построений найти ее. Он должен понять ее действие, а затем выяснить закономерность полета стрелы.

Аристотель поступает именно так и рассуждает, опираясь на логику. Стрела летит в воздухе. Ее острый конец раздвигает воздух и тем обеспечивает возможность продвижения стрелы. Продвигаясь вперед, стрела оставляет позади себя пространство, не заполненное воздухом. Но природа не терпит пустоты! — считает Аристотель. Поэтому воздух устремляется в освобожденное пространство и при этом толкает стрелу вперед. Так возникает сила, обеспечивающая свободный полет стрелы!

Вот ответ натурфилософа. Логическое построение привело его к обнаружению силы, поддерживающей длительный полет стрелы.

Правда, осталась деталь, требующая объяснения. Ведь стрела летит не вечно. Скорость ее полета постепенно уменьшается и, если она пролетит мимо цели, то вскоре упадет на землю.

Аристотель без труда решает и эту задачу. Дело в том, объясняет он, что в начале свободного полета стрелы тетива мешает воздуху толкать ее. Скорость стрелы с момента ее отрыва от тетивы начинает уменьшаться. А чем меньше скорость, тем слабее сила, с которой воздух толкает стрелу вперед. И скорость стрелы постепенно уменьшается…

Такое объяснение кажется нам абсурдным. Мы обязаны Галилею тем, что он превосходил Аристотеля в понимании процесса полета стрелы. Ведь Аристотель не знал ничего о «силе инерции», много позже введенной в науку Галилеем.

Слова «сила инерции» взята в кавычки потому, что этими словами Галилей отдал дань авторитету Аристотеля. Он понял, почему стрела, не подвергающая действию сил, продолжает свое движение. И это был огромный шаг вперед.

Должны были пройти века прежде чем физики поняли, что «сила инерции» очень странная сила. Непостижимая сила… этой тайной мы займемся позже…

Аристотель тем не менее был истинным ученым. Он стремился угадать законы природы, то есть свойства, характеризующие определенную совокупность явлений природы. Он интуитивно исходил из того, что вынужденные движения возникают под действием сил, что силы могут препятствовать естественным движениям, например, падению предметов. Силы такого рода способны действовать на любые предметы. Поэтому он дал им общее название — механические силы.

Приверженность методам натурфилософии, рассуждения без экспериментов, явились прискорбной причиной тому, что в физике Аристотель передал своим ученикам главным образом заблуждения.

Это нисколько не умаляет значения глубоких результатов, достигнутых Аристотелем в других областях науки. Областях, в которых логика позволяет обходиться без экспериментов.

СИЛА ИНЕРЦИИ. ГАЛИЛЕЙ ПРОТИВ АРИСТОТЕЛЯ

Слово «инерция» имеет два основных значения, происходящих от латинского, где оно означало бездеятельность и неподвижность. В русском языке этому соответствуют такие человеческие свойства, как вялость, ленность, косность, стремление сохранять привычный образ мыслей, привычные методы работы…

Ученые применяют это слово для обозначения определенного свойства материальных тел: их способности сохранять состояние покоя или двигаться прямолинейно с постоянной скоростью, если на них не действуют никакие силы.

В этой книге, как и в жизни, мы будем неоднократно встречаться как с косностью человеческого мышления, так и с инерцией материальных тел.

Возникновение догматов религии затормозило прогресс науки. Религия требовала веры, а не понимания. Ведь внутренние противоречия, содержащиеся в священных книгах, не поддаются объяснению. Поэтому вероучители всех религий ожидали от своей паствы бездумной веры.

Лишь недавно, под влиянием бурного развития науки, науки о микромире и космосе, о процессах, происходящих в живых организмах, науки о строении и эволюции Земли, клерикалы почувствовали необходимость опереться на достижения науки, истолковать их по-своему, замаскировать непреодолимые противоречия между верой и пониманием. Решительный шаг вперед от слепого повторения догм Аристотеля, поддерживаемых католической церковью, сделал Галилей. Замечательным совпадением было то, что толчок к знанию наукой девятнадцатилетний Галилей получил, присутствуя на богослужении в католическом соборе города Пиза.

Миллионы людей видели качание лампад, вызванное сквозняком или прикосновением зажигавшего их служителя. Наверняка многие из них обращали внимание на то, что лампады с длинными подвесами качаются медленнее, чем с короткими. Но это не возбуждало интереса. Не заставляло задуматься и тех, кого считали учеными людьми, кто знал назубок сведения, содержащиеся в трудах Аристотеля. А поведение лампад не было описано Аристотелем. Значит, оно лежит вне науки, считали эти ученые мужи.

Молодой Галилей задумался. И начал сверять качание лампад с биением своего пульса. Его подсчеты обнаружили четкую закономерность. Лампады, имевшие подвесы одинаковой длины, совершали свои колебания в одинаковые промежутки времени. Чем длиннее подвес, тем медленнее качание лампады. Здесь определенно проявлялась неведомая закономерность!

Возвратившись домой Галилей решил проверить свои наблюдения. Он смастерил модель и начал изменять длину шнура, на котором качался груз. Это был первый опыт, первый эксперимент, поставленный человеком для того, чтобы установить: не скрыт ли в наблюдаемом явлении какой-то определенный закон? Тщательные опыты подтвердили результаты первоначальных наблюдений.

Неизвестно, продолжал ли Галилей оценивать промежутки времени, считая удары пульса, пользовался ли песочными или водяными часами. Но он установил, что при увеличении или уменьшении длины шнура в четыре раза промежуток времени, затрачиваемые на каждое качание, изменяется вдвое.

Так Галилей впервые, при помощи опыта, выявил закон, управляющий одним из явлений природы: независимо от величины груза, время, затрачиваемое на каждое качание, пропорционально квадратному корню из длины шнура.

Так Галилей создал метод, применяемый и современной наукой — проводить опыты, обрабатывать их результаты при помощи математики и таким путем находить законы природы. Проверять правильность найденных законов при помощи новых опытов.

Гений Галилея повел его дальше.

Он заметил, что качание груза на шнуре отчасти похоже на падение. Но здесь груз падает не по прямой, а по дуге, по части окружности. И время такого падения, время движения от высшей точки до низшей составляет одну четверть длительности полного качания. Оно не зависит от величины груза, от его тяжести. И, если размах качаний не слишком велик, оно не зависит от длины части окружности, соединяющей высшую точку, от которой начинается это падение, с низшей точкой.

Галилей ставит ряд опытов, цель которых подтвердить или отвергнуть его догадку. Прежде всего он закрепляет свинцовый шар и шар, вырезанный из пробки, на двух тонких гибких шнурах одинаковой длины. Они качаются совершенно одинаково. Значит материал, из которого сделан груз, не влияет на результаты опыта.

Еще один остроумный опыт. Галилей подвешивает маятник около стены так, чтобы он качался вдоль нее. Остановив груз, он забивает в стену гвоздь между грузом и точкой подвеса маятника. Теперь вновь отклоняет маятник и отмечает на стене положение груза. Отпустив маятник, следит за тем, как шнур упирается во вбитый гвоздь. В этот момент верхняя часть шнура становится неподвижной, а нижняя продолжает отклоняться.

Все происходит так, как ожидал экспериментатор. Гвоздь становится центром качания. Груз, удерживаемый нижней частью шнура, поднимается точно на высоту его начального отклонения. Это не зависит от высоты, на которой вбит гвоздь. Если он вбит ниже точки начального отклонения, то груз поднимается выше гвоздя!

Не значит ли это, что вопреки Аристотелю, все тела, независимо от их веса, не только падают с одинаковой высоты за одинаковое время, но и приобретают в нижней точке одинаковые скорости?

Галилею это казалось ясным и несомненным. Но тем не менее, он в 1590 году, чтобы убедить сомневающихся, проводит опыты с падением тел, взобравшись на верхнюю площадку наклонившейся «падающей» башни в городе Пиза. Он сбрасывал оттуда ядра различных размеров. Он хочет непосредственным опытом убедить оппонентов, не способных признать ошибку Аристотеля на основе наблюдения качания маятников.

Но провести опыт с падением тел далеко не просто. Трудно отпустить их точно в один момент времени. Трудно точно зафиксировать моменты их падения. Ведь к концу падения, у самой земли скорость движения тел, падающих с башни, очень велика.

И сторонники и противники Галилея повторяли эти опыты вплоть до 1645 года. Но перипатетики — сторонники Аристотеля — толковали малейшее различие в пользу учения своего кумира.

Чтобы избежать бесплодных споров, Галилей задумывает и проводит новые опыты с движением тел под действием силы тяжести.

Его задача — создать условия, при которых падающие тела движутся много медленнее, чем при свободном падении. Читатель, отвлекись на время от книги и подумай, что ты мог бы посоветовать Галилею?

Галилей поступил так. Взял ровную доску длиной в 12 локтей и вырезал в ней прямой желоб. Поверхность желоба покрыл самым гладким пергаментом. По этому желобу, подняв один из концов доски, пускал хорошо отполированные шарики из бронзы, мрамора или дерева. Он не просто наблюдал их движение. Он точно измерял время, в течение которого шарик проходил всю длину желоба. Часами ему служило ведро воды, в дно которого он вставил тонкую трубку, бокал, стоящий под трубкой, и весы для определения количества воды, вытекшей в бокал за время движения шариков.

Он изменял высоту поднятого конца доски, подставляя под него различные опоры, и измерял время движения шариков. Если доска лежала слишком полого, шарик не катился. Если же он поднимал доску слишком круто, шарик скатывался так быстро, что становилось невозможным точно измерить время его движения. Время его «падения» зависело от наклона доски.

Из этого Галилей извлек главное правило, которым до наших дней пользуются ученые. Чтобы понять результаты эксперимента, следует исключить из рассмотрения все второстепенное (в данном случае — трение, мешающее свободному движению шарика) и сосредоточить внимание на главном (в данном случае на результатах, полученных при условиях, когда трение становится второстепенным, а время может быть измерено точно).

Теперь мы называем это правило — методом абстракции. (Абстракция — мысленное отвлечение от второстепенных свойств предметов или процессов с целью раскрыть их главные свойства). Метод абстракций является мощным средством при построении модели или теории, отображающей сущность сложных явлений.

Возвратимся к Галилею и его опытам с наклонной плоскостью.

Изменив длину доски, Галилей доказал сомневающимся и справедливость второго вывода, полученного им при наблюдении качания маятников. Шарики, скатывающиеся по наклонным плоскостям любой длины, при одинаковой высоте опоры, приобретают одинаковые скорости. Они откатываются по гладкому полу на одинаковое расстояние от конца наклонной плоскости. При движении по полу трение шарика о поверхность пола становится обстоятельством, далеко не второстепенным, как на наклонной плоскости. Здесь трение становится главным фактором. Именно оно определяет длину пробега шарика по горизонтальному полу.

Теперь любой желающий мог убедится в том, что легкие и тяжелые предметы затрачивают на «падение» по наклонной плоскости одинаковое время!

Регулируя величину наклона доски Галилей измерял это время, и оно менялось одинаково для всех шариков. По пологой наклонной плоскости они двигались медленно. По мере увеличения наклона время «падения» уменьшалось. В пределе, когда плоскость становилась отвесной, шарики свободно падали вдоль нее. Заметить различие времен, затраченных на свободное падение шариков, не удавалось. Но никто не мог доказать, что это время различно.

Так Галилей впервые осуществил на опыте переход к пределу. Переход, который до него был возможен только в математике. В этом опыте положение доски менялось между двумя крайними положениями, между двумя пределами: горизонтальным и вертикальным.

Важнейший вывод из опытов с наклонной плоскостью опровергает утверждение Аристотеля о том, что скорость движения зависит от величины действующей силы. Сила (сила тяжести) вызывает не какую-то определенную скорость, а ее изменение.

При опытах с наклонной плоскостью предмет, бывший неподвижным у ее верхнего конца, постепенно увеличивает скорость своего движения, которая становится наибольшей у нижнего конца наклонной плоскости.

Аристотель ошибся потому, что принимал второстепенное (силу трения) за главное. При движении по ровной дороге лошади работали против силы трения. Скорость при этом зависит не только от силы, с которой тянут лошади, но и от трения в ступицах колес и от трения обода колеса о дорогу.

Продолжая опыт с наклонной плоскостью, Галилей снова обратил внимание на то, что шарик, удаляясь от нижнего конца желоба, отходит от него одинаково далеко, если верхний конец наклонной плоскости поднят на постоянную высоту. Он понял, что постепенное уменьшение скорости шарика вызвано трением. Но что заставляет шарик двигаться после того, как он скатился с наклонной плоскости? Ведь на плоском полу сила тяжести уравновешивается противодействием пола!

Галилей снова обращается к рассуждениям. Тело, брошенное вверх, постепенно замедляется силой тяжести. Затем сила тяжести направляет его вниз и он падает все скорее. Сила тяжести, действующая на каждое тело, постоянна и определяется его весом. Галилей не знал, что эта сила на высокой горе меньше, чем на равнине. Но это не препятствовало истолкованию проводимых им опытов.

Путь тела, брошенного горизонтально, постепенно искривляется вниз и оно падает на землю. Упав, оно еще некоторое время движется по земле в направлении первоначального броска.

Постоянная сила, сила тяжести изменяет скорость и направление движения предмета. Сила трения может только уменьшить величину скорости.

Галилей снова обращается к наклонной плоскости. Скатываясь с нее, шарик движется все быстрее. Если его толкнуть так, чтобы он поднимался на наклонную плоскость — его скорость постепенно уменьшается. Она может уменьшиться до нуля, и тогда шарик начнет скатываться вниз. Но если устранить наклон, снять подпорку из под верхнего конца доски, она станет горизонтальной. Теперь действие силы тяжести гасится противодействием горизонтальной доски и шарик остается неподвижным.

ПЕРВЫЕ МЫСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ