Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана Страница 7

Первая треть XX в. была для физиков просто головокружительной эпохой. Мир стоял на пороге целых двух физических революций. Первая зарождалась на макрокосмическом уровне: специальная и общая теории относительности заставили человечество принципиально переосмыслить все, что было ранее известно о пространстве, времени, движении и гравитации. На уровне субатомного мира бурно развивалась новоиспеченная теория квантовой механики, открывавшая перед учеными причудливый мир, полный поразительных феноменов, где неопределенность правит бал, а парадоксы встречаются на каждом шагу.

Легендарный Альберт Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности в 1905 г., когда ему было всего 26 лет. В те времена он работал простым клерком в швейцарском патентном бюро. Нельзя сказать, что в основе этой теории лежали совершенно новаторские идеи: еще тремя веками ранее Галилей отмечал, что все движение относительно и состояния абсолютного покоя не существует. Именно поэтому, если корабль плывет с равномерной скоростью, то все физические тела у него на борту претерпевают такие же физические воздействия, как если бы корабль стоял на причале. Кроме того, этот принцип объясняет, почему нас не сдувает с поверхности Земли из-за того, что она вращается. Но Эйнштейн радикально расширил эту галилеевскую концепцию, предположив, что ход времени относителен, а скорость света – постоянна. Согласно теории Эйнштейна, свет в вакууме всегда перемещается с одинаковой скоростью, даже если бы вы попытались ее измерить, пролетая мимо источника света со субсветовой скоростью. С математической точки зрения ситуация именно такова, однако на уровне обыденного опыта она приводит к странным эффектам – в частности, чем выше скорость, с которой вы движетесь, тем медленнее для вас идет время. Если в будущем космонавт будет путешествовать со скоростью, составляющей 95 % скорости света, то и стареть он будет гораздо медленнее, чем его брат-близнец, оставшийся на Земле. Как это ни поразительно, ученые действительно доказали, что «замедление времени» – объективная реальность. Для этого потребовалось установить атомные часы на самолете, обогнувшем Землю, и сравнить время на них и на точно таких же часах, оставшихся на земле. Кроме того, этот феномен был многократно подтвержден, когда физики измеряли, как варьируется время жизни различных частиц с изменением их скоростей.

Спустя 10 лет после формулировки специальной теории относительности Эйнштейн представил миру общую теорию относительности, которая совершенно по-новому описывала принципы тяготения (гравитации). На 250 лет ранее Ньютон трактовал тяготение как силу притяжения между физическими телами. Его приближения по-прежнему вполне верны для решения большинства практических задач, даже для запуска космического корабля на Луну. Однако Эйнштейн в рамках своей общей теории относительности предложил рассматривать силу тяжести как геометрический феномен – искривление пространства-времени, возникающее под действием массы. Его величественные уравнения превосходят по точности законы Ньютона, так как отлично описывают физические законы, действующие и на сверхвысоких скоростях, и в условиях мощных гравитационных полей – подобных тем, что возникают в непосредственной близости от черных дыр. Более того, все затеи с GPS-навигацией даже в сравнительно слабом гравитационном поле Земли провалились бы с треском, если бы при их разработке не учитывались уравнения Эйнштейна. Часы на искусственных спутниках программируются инженерами с учетом феноменов специальной и общей теории относительности – именно поэтому спутниковые и наземные часы отсчитывают время совершенно синхронно.

В первой трети XX в. работала целая плеяда физиков – Макс Планк, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг – разрабатывавших основы квантовой механики. Эта дисциплина была призвана объяснить законы взаимодействия материи и излучения на субатомном уровне. Планк и другие полагали, что энергия передается в виде дискретных пучков, так называемых «квантов». Атомы поглощают или излучают кванты, в результате чего переходят, соответственно, на более высокий или более низкий энергетический уровень. Осознав этот факт, физики стали рассматривать материальный мир под совершенно новым углом. Классическая физика трактовала свет как волну, но теперь свет можно было описать и как поток частиц, называемых «фотонами». Кроме того, выяснилось, что элементарные частицы, например, электроны, проявляют и волновые свойства. Этот феномен получил название «корпускулярно-волновой дуализм». Концепция корпускулярно-волнового дуализма подразумевает, что в субатомном мире не существует четкой разницы между частицей и волной; напротив, электрон, фотон и другие частицы могут выступать то в одной, то в другой ипостаси. Такая теория позволила гораздо полнее описать взаимодействие между излучением и материей. Более того, Гейзенберг указал, что в квантовом мире царит постоянная неопределенность, не позволяющая полностью описать все свойства, которые присущи любой частице в каждый момент времени. Детерминизм классической физики на квантовом уровне не работает, уступая место статистическим вероятностным показателям. Квантовые эксперименты не оканчиваются строго определенными результатами, а лишь позволяют спрогнозировать вероятность того или иного результата. Для иллюстрации именно этого феномена Эрвин Шрёдингер предложил знаменитый мысленный эксперимент, получивший название «Кот Шрёдингера». Согласно этому эксперименту, кот, заключенный в герметичном ящике, в любой момент времени может быть как жив, так и мертв; наблюдатель сможет с определенностью узнать состояние кота, только если вмешается в эксперимент (откроет ящик). Следствия таких теоретических построений оказались настолько поразительными, что Нильс Бор якобы даже изрек: «Всякий, кто не был шокирован квантовой теорией, просто ее не понял».

Интересно отметить, что в этот период бурного расцвета физики теоретическая и экспериментальная наука развивались одинаково активно. Иногда эксперименты давали поразительные подтверждения теоретических прогнозов. Именно такой случай произошел в 1919 г., когда две группы астрономов, наблюдая солнечное затмение в разных точках земного шара, убедительно доказали: Солнце действительно искривляет свет, приходящий от далекой звезды, – в полном соответствии с общей теории относительности Эйнштейна. В других случаях те или иные экспериментальные данные удавалось адекватно объяснить при помощи новой теории. Например, Бор использовал концепцию квантования энергии, чтобы объяснить цвет спектральных линий атомов водорода при поглощении света этими атомами. Он предположил, что спектральные линии возникают при переходе электронов с одной орбиты атома на другую, причем эти орбиты в атомном ядре являются фиксированными. Сам Эйнштейн опирался на квантовую теорию, описывая, как свет, попадающий на определенные материалы, «высекает» из них электроны. Однако время от времени результаты экспериментов выявляли противоречия, и теоретикам ничего не оставалось, кроме как искать новые объяснения для этих природных феноменов.