Читаем Этюды о Вселенной онлайн бесплатно

Следует признать, что существует заметный интерес к научной культуре, но вместе с тем мы вынуждены констатировать полнейшую неспособность учебных учреждений в достаточной мере удовлетворить этот интерес. Материалом для настоящей книги послужили статьи, опубликованные в различных ежедневных изданиях и в специальных научных журналах. Затем они были развиты с целью достижения единства формы и содержания.

В книге нашли отражение представления теории относительности и космологии, астрофизики и физики атомного ядра и элементарных частиц, понятия сверхтекучести, сверхпроводимости и энтропии. Последняя глава – фантастический рассказ о том, как один «изобретатель» построил «вечный двигатель», и о психологической травме, которую пережили бы профессиональные ученые, если бы такое невозможное событие произошло.

Несколько слов о том, как возникла идея перевести на русский язык книгу Туллио Редже.

Редже – известный физик-теоретик, внесший большой вклад в науку о сильных взаимодействиях элементарных частиц. Достаточно сказать, что такие понятия, как «траектории Редже», «полюса Редже», давно вошли в рабочий лексикон как теоретиков, так и экспериментаторов. Так называемая «реджистика», на которой здесь неуместно останавливаться подробно, лежит в основе динамической систематики элементарных частиц.

Книга Редже, написанная на итальянском языке, попала в руки чл.-корр. АН СССР Л.Б. Окуня, которому показалась очень интересной, и он обратил мое внимание на возможную полезность перевода ее на русский язык. Я просмотрел книгу и пришел к выводу, что она действительно интересна, хотя и нестандартна по форме, так как составлена из статей, ранее опубликованных в различных неспециализированных изданиях, в том числе и в газетах.

В предисловии автора высказана интересная мысль относительно важности и необходимости для профессионального ученого заниматься популяризацией науки. Я совершенно согласен с точкой зрения Т. Редже.

После того как книга была переведена на русский язык, я прочел ее внимательно еще раз, и теперь мне хотелось бы сделать некоторые замечания. Книга несколько страдает от того, что не была с самого начала задумана как единое целое. в частности, в ней много повторений, которые редко можно встретить в научных книгах, но которые кажутся нам естественными и привычными в музыкальных произведениях и в художественной литературе (те, кто читал произведения Габриэля Гарсиа Маркеса, согласятся со мной). Впрочем, это, может быть, и не недостаток. Сколько раз, слушая хороший научно-популярный доклад по предмету, малоизвестному мне, я нередко почти тотчас забывал то, что только что слышал, и с трудом понимал дальнейшее. Так что повторение имеет свой смысл.

Уровень изложения в книге также не совсем ровный. Имеются части одновременно привлекательные и простые, но есть и места, по моему мнению, слишком трудные.

В книге нашли отражение представления теории относительности и космологии, астрофизики и физики атомного ядра и элементарных частиц, понятия сверхтекучести, сверхпроводимости и энтропии. Одна глава состоит из коротких очерков о великих ученых – Галилее, Максвелле, Эйнштейне и Геделе. Последняя глава – фантастический рассказ о том, как один «изобретатель» построил «вечный двигатель», и о психологической травме, которую пережили бы профессиональные ученые, если бы такое невозможное событие произошло. Мне эта шутливая новелла определенно понравилась.

Излишне говорить, что редактор не всегда согласен со всеми положениями книги. Так, например, говоря об изучении космического пространства, автор даже не упоминает о вкладе советской космической науки. Однако уровень советского читателя позволяет избежать особых комментариев. в книге, которая дает живую, образную картину мира, а не строго систематическое его описание, мне показалось возможным вообще свести их к минимуму. в частности, в переводе поясняются упомянутые в книге имена только тех лиц, которые не имеют отношения к науке.

Мне кажется, что книга Т. Редже будет иметь заслуженный успех и у наших читателей.

Б. Понтекорво

Эти строки предисловия я пишу во время визита в Советский Союз, организованного Обществом дружбы «Италия – СССР». Трудно себе представить более удачное начало деятельности в этом обществе, чем публикация на русском языке моих «Этюдов о Вселенной».

Советские ученые всегда следовали принципу доходчивости и простоты изложения, добиваясь его максимальной ясности. в СССР уже имеется много научно-популярных работ, написанных на высоком уровне, и число их непрерывно растет. Я счастлив видеть свою книгу в одном ряду с ними и доволен, что она адресована широкому кругу читателей.

За исследовательской работой, удачно дополняя ее, всегда должно следовать распространение научных знаний.

Наконец, я хотел бы напомнить о той существенной роли, которую играет научное воспитание в решении серьезнейших проблем, стоящих перед человечеством, и в первую очередь устранения угрозы миру во всем мире.

Т. Редже

Москва, июнь 1984 г.

Следует признать, что в народе существует заметный интерес к научной культуре, но вместе с тем мы вынуждены констатировать полнейшую неспособность наших учебных учреждений в достаточной мере удовлетворить этот интерес.

Материалом для настоящей книги частично послужили статьи, опубликованные как в различных ежедневных изданиях, так и в специальных научных журналах, выходивших в течение 1979...1980 гг. При подготовке книги к публикации основные мысли, получившие отражение в этих статьях, были затем развиты с целью достижения единства формы и содержания.

Разумеется, я не считаю, что могу полностью удовлетворить запросы читателей, и, не колеблясь, утверждаю, что нужны более ответственные и бескорыстные усилия научной общественности на пути к распространению знаний. Некоторые шаги в этом направлении у нас в Италии уже предпринимаются, при этом во многих случаях мы следуем модели англосаксов, имеющих богатейшие традиции, а то и просто переводим полностью журналы, опубликованные на английском языке, изредка добавляя выступления итальянских ученых.

Наша страна не в состоянии одна обеспечить просветительскую деятельность во всех областях знания, да и попытки охватить все в собственном доме явили бы собой пример неэффективного провинциализма. Тем не менее я вижу, что многие из моих коллег – и я имею в виду людей весьма уважаемых – избегают такой деятельности, рассматривая ее как свой последний вклад перед уходом на пенсию или как поражение, которое не надо признавать.

Сам же я решился внести свой вклад в распространение научных знаний по настоянию друзей и коллег. Мое впечатление сводится к тому, что это серьезное дело, которое требует полной отдачи, заставляет идти на нелегкие компромиссы и которое сильно отличается от исследовательской работы, хотя и сосуществует с ней, отнюдь не являясь ее простым придатком. Во всяком случае, распространение знаний – это деятельность, которая обогащает личность и расширяет горизонты, освещая новым светом известное ранее. По этой причине я взял на себя немалый риск попасть под огонь критики, согласившись на диалог также и через средства массовой информации.

Что касается будущего распространения научных знаний в Италии, я в общем являюсь оптимистом: я думаю, что в настоящее время происходит глубокая перестройка умов и интересов, сопровождаемая рождением новых принципов; результаты такой перестройки вряд ли заставят себя долго ждать. в работе над книгой мои друзья неизменно меня поддерживали, и их замечания были исключительно полезными. Особенно я хотел бы поблагодарить Джордже Понцано, который внимательно прочитал рукопись и своими исключительно полезными комментариями помог мне при ее редактировании.

Т. Редже

Март 1981 г.

Существует две теории относительности – специальная (появившаяся в 1905 г.) и общая (получившая обоснование в 1916 г.). Первая рассматривает движение тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света (больше которой не бывает), и отправной точкой для нее служит классический подход к пространству и времени. Общая же теория относительности дополняет специальную, объясняя гравитацию на основе кривизны пространства-времени. Трудно объяснить специальную теорию относительности тому, кто совсем не имеет математической подготовки; еще труднее дается популяризация общей теории. Тем не менее математика специальной теории относительности не столь уж сложна: она не выходит за рамки действий над квадратными корнями. Встречающиеся трудности, скорее всего, психологического характера, поскольку теория относительности полностью опровергает предрассудки, основанные на житейском и потому неадекватном опыте.

В этом разделе мы поговорим об основах специальной и общей теории относительности, а в дальнейшем остановимся на некоторых конкретных вопросах.

Принцип относительности Галилея

Теория относительности Эйнштейна прежде всего занимается движением материальных тел. По определению тело, которое движется (грубым примером такого материального тела мог бы послужить поезд или самолет), занимает в различные моменты времени различные положения. Можно определить скорость и ускорение, с которыми оно перемещается. Обычно мы знаем положение поезда относительно какой-либо фиксированной точки, например станции. Если мы поменяем станцию, то изменится также и наше описание движения поезда, хотя оно будет эквивалентным старому и совершенно законным. Следовательно, существует бесконечное множество различных способов описать данное физическое явление, и они, кстати, не исчерпываются простой сменой станций. Что касается перемещений, например, внутри поезда, то пассажиры предпочитают отсчитывать расстояния от вагона-ресторана. с их точки зрения, таким образом, поезд стоит на месте, а рельсы и пейзаж движутся назад. Если бы на глаза пассажиров были надеты повязки и если бы они не могли чувствовать толчки и слышать перестук колес, то они вовсе не имели бы возможности определить, в движении находится поезд или стоит на месте. Кстати, на вокзале многим из нас приходилось, глядя из окна вагона на рядом идущий поезд, ошибочно принимать движение прибывающего поезда за отправление своего.

Еще Галилей установил (причем при отсутствии поездов), что невозможно почувствовать, находимся ли мы в состоянии покоя или в состоянии абсолютного равномерного движения, т.е. движения без толчков, остановок или виражей. Мы можем определить состояние только относительного движения двух объектов (поезда и станции, например). Так происходит потому, что законы физики одинаковы при любой скорости движения поезда; более того, мы проносимся вместе со всей Солнечной системой несколько сотен километров в секунду в космическом пространстве, даже не замечая этого. Галилею мы обязаны также теоремой сложения скоростей. Если на шоссе нам навстречу движется автомобиль и если скорость нашего автомобиля так же, как и скорость встречного, равна 150 км/ч, то наша относительная скорость равна 300 км/ч, т.е. сумме двух скоростей. Такое общепринятое представление является отражением предрассудков, о которых мы уже говорили, и его следует пересмотреть. Принимая указанную точку зрения и относительность движения, мы принимаем так называемый принцип относительности Галилея.

Опыт Майкельсона и Морли

В конце прошлого столетия двум американским физикам – Майкельсону и Морли – пришла в голову идея, развитие и проверка которой окончательно опровергли галилеевское представление о сложении скоростей. Тогда уже было известно, что скорость света чуть меньше чем 300000 км/с. (Это в миллион раз больше скорости реактивного самолета.) в те времена считалось, что свет распространяется в заполняющем все пространство эфире подобно тому, как звуковые волны распространяются в воздухе. Эфир – понятие неточное, породившее весьма большую путаницу, от описания которой мы избавим читателя. к счастью, представление об эфире как о физической реальности осталось в прошлом, и привела к этому как раз теория относительности. Идея Майкельсона и Морли заключалась в том, что свет, распространяясь в эфире, должен иметь в различных направлениях разные скорости. Так, если поднимается ветер, то звук распространяется медленнее против ветра, в то время как с попутным ветром его скорость увеличивается. Так вот, наша Земля обращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, непрерывно меняя при этом направление движения, из-за чего оба исследователя ожидали в один прекрасный момент почувствовать, как подует в лицо «эфирный ветер». Они сконструировали чувствительнейшую аппаратуру, с помощью которой предполагали «почувствовать» этот ветер и тем самым определить скорость света. Если бы опыт Майкельсона и Морли удался, мы могли бы сказать, что тело, неподвижное относительно эфира, находится в абсолютном покое, поскольку оно не чувствует никакого ветра.

Опыт, к счастью, не удался. Майкельсон и Морли не почувствовали никакого «ветра», свет продолжал распространяться со скоростью 300000 км/с (эту скорость принято обозначать буквой с) во всех направлениях и во все времена года. Результат выглядел парадоксальным. Ведь, казалось бы, если мы движемся навстречу свету, то он должен к нам приближаться со скоростью, равной сумме нашей скорости и собственной скорости с, точно так же, как в случае встречных автомобилей на шоссе. Так что прощайте и сложение скоростей, и, чего скрывать, «здравый смысл»!

Принцип относительности Эйнштейна