Вот что интересно: все мы в повседневной жизни используем достижения современной цивилизации, толком и не понимая, как они, эти достижения, устроены. Всякие там айфоны, телефоны, автомобили, самолеты и прочее. Оно и ладно. В конце концов, все эти устройства и делаются так, чтобы каждый человек, всеми этими благами мог легко пользоваться. Но как устроена эта огромная сущность – Вселенная, внутри которой наша маленькая планета, мельче, чем песчинка на пляже, и существует? Казалось бы, какое до этого нам дело в нашем сегодняшнем прагматическом мире. В общем-то, да. Только не надо забывать о том, что если бы человечество не задавалось такими никчемными вопросами, как устройство всего этого мира и окружающего нас космоса, то и не было бы ничего, в смысле нашей цивилизации со всеми ее благами. И поэтому каждому думающему человеку, его детям, надо знать про этот великий путь познания, по которому прошли многие поколения наших предков и по которому мы идем и сейчас.
С чего все начиналось
Как водится с древних греков. Но не с их известных всему миру философов и ученых, а с неведомых никому пастухов. Они выводили на пастбища свои стада, и перед сном смотрели на звездное небо. (А куда было еще смотреть темной ночью?) А в небе горели звезды. И они заметили, что эти звезды устроены по-разному. Некоторые из них всегда располагались на одном и том же месте, образовывая некоторые группы. Их потом назвали созвездиями. А были и те, которые двигались среди тех неподвижных созвездий. Эти объекты впоследствии назвали планетами.
А потом Птолемей обобщил все эти, говоря современным языком, эмпирические данные, и на их основании создал так называемую геоцентрическую систему Вселенной. Согласно ей, в центре Вселенной находилась Земля (по-гречески – Гея, отсюда и название теории). А Солнце и обнаруженные пастухами планеты вращались вокруг нее. Про неподвижные созвездия не говорилось ничего. Так, божественный небесный фон. Есть и есть.
Поскольку Римская империя переняла всю греческую культуру и религию, изменив только названия, то открытые греками планеты переименовали – с греческого на римский. Но принцип наименований планет остался. Каждой планете присваивалось имя какого-то бога. Только теперь этот бог именовался по-римски. Например, голубая Афродита стала Венерой, красноватый Арес (греческий бог войны) стал Марсом, Гермес – Меркурием и так далее.
Надо сказать, что кроме названий планет, римляне в познание космоса ничего не внесли. А вот геоцентрическая система Птолемея прожила более полутора тысяч лет. И была принята христианской церковью за данность божию.
Что было потом
А потом произошло то, что и раньше всегда происходило, и будет происходить в будущем. Новые результаты наблюдений стали приходить в противоречие с существующей теорией. Еще Птолемей писал, что планеты движутся не просто по круговым траекториям, а по более сложным. Во время движения по кругам планеты совершают какие-то странные движения по петлям, намотанными на эти круги (так называемые эпициклы). Это затрудняло предсказания планетарного движения.
И вот, в середине XV-XVI веков, польский (или немецкий, теперь уже и не разберешь), ученый Николай Коперник предположил, что мир устроен по-другому. А именно: в центре всего находится Солнце, а все планеты, в том числе и Земля, вращаются вокруг него. В этом случае все вставало на круги своя. Планеты двигались по круговым траекториям. Нет, эпициклы оставались. Но их стало на много меньше, чем в системе Птолемея. Главное то, что движение планет становилось намного легче рассчитываемым.
Свою главную книгу жизни «О вращении небесных сфер», он писал около 40 лет. И была она издана только в 1543 году – в год смерти Коперника. Хотя до этого он рассказывал своим друзьям и ученикам о результатах своих исследований. Так что слух о новой теории устройства мира уже пошел «по всей земле великой».
Нюрнбергский теолог Андреас Озиандер, которому любимый ученик Коперника Ретик поручил печатание книги, из осторожности снабдил ее анонимным предисловием, в котором объявил новую модель условным математическим приемом, придуманным для сокращения вычислений. Одно время это предисловие приписывалось самому Копернику, хотя тот в ответ на просьбу Озиандера сделать подобную оговорку решительно отказался.
Католическая церковь поначалу отнеслась к этой работе нейтрально. Она тогда с Лютеранством боролась. А Лютер к этой новой теории мира относился отрицательно. Поэтому, если главному врагу плохо, то нам и хорошо. Ну а потом, когда ситуация с лютеранством «устаканилась», книгу Коперника запретили. Но, как говорится, поздно «было пить боржом». Она уже разошлась по миру.
Иоганн Кеплер и Тихо Браге
Потом церковное мракобесие стало подходить к концу. Гелиоцентрическая система (от греческого Гелиос – по-нашему Солнце) победила. В конце XVI и начале XVII веков немецкий астроном и математик Иоганн Кеплер опубликовал свои труды, в которых были вычислены траектории всех известных на тот момент планет. Это было сделано чисто эмпирическим путем на основании огромного массива наблюдаемых данных, собранных и обработанных его другом, датским астрономом Тихо Браге. В частности выяснилось, что траектории планет оказались эллиптическими, а не круговыми. При этом и эпициклы не понадобились. Все пришло на круги своя. Кстати, Тихо Браге был не только астрономом, но также известным астрологом. Вот так. В те далекие годы наука и лженаука шли рука под руку. Что и сейчас, зачастую, происходит.
В результате появились так называемые «законы Кеплера». Которые во времена СССР еще в школе проходили на уроках астрономии. Они описывали движения вокруг Солнца всех известных на тот момент планет (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн).
Но они ничего не объясняли. Почему оно так все происходит. Опять на промысел божий все надо сваливать?
Ньютон
Ждать пришлось недолго. Меньше века. Пока не появился Ньютон.
Его с полным основанием можно считать основателем современной теоретической физики, да и математики (дифференциального и интегрального вычислений). Ньютон на основании придуманного им закона всемирного тяготения (вспомните школу, вам об этом там говорили), смог теоретически вычислить орбиты планет солнечной системы, которые удивительно точно совпадали с данными Кеплера.
Но окончательный триумф ньютоновской физики наступил во второй половине XIX века, когда по закону всемирного тяготения и наблюдаемым данным отклонения от теоретически предсказанных орбит самых дальних на тот момент известных планет Солнечной системы – Урана и Нептуна, удалось вычислить траекторию и текущее положение еще одной планеты – Плутона. Которая сразу же и была обнаружена астрономами. Там, где ее нахождение и предсказали теоретики. Это был полный триумф физики Ньютона.
Новые вопросы
Но вопросы оставались. К концу XIX – началу XX века они были осознаны и сформулированы. Это могло бы произойти и раньше – все лежало на поверхности. Но случилось так, как случилось.
Вопрос первый. Если Вселенная существовала всегда (а в этом тогда никто не сомневался), то почему все эти звездные системы (галактики), не слиплись в одну кучу под действием ньютоновского закона всемирного тяготения?
Вопрос второй. Если Вселенная устроена как Солнечная система (планеты летают и не падают на Солнце), тогда у нее должен быть какой-то притягивающий центр, вокруг которого все эти образования и крутятся. Но где он? И как его существование может согласовываться с гипотезой о неограниченности и однородности (в больших масштабах) всего космоса? В чем тоже никто не сомневался.
Эти представления об устройстве Вселенной восходили еще к Ньютону. Шли годы. Столетия. Усовершенствовались средства наблюдения (телескопы), но точка зрения о глобальном устройстве Вселенной – вечной во времени и пространстве, не менялась. Уж больно красивой и величественной выглядела эта картина мира.
Здесь надо вот что отметить. Физика – точная наука. И критерием истины тех или иных знаний в ней является эксперимент или наблюдение. Но зачастую происходит так, что теория «заглядывает вперед». И подтвердить экспериментально ее выводы на текущий момент оказывается невозможным.
В этом случае, как это ни странно, научное сообщество руководствуется некими эстетическими принципами. Вот, если оно красиво, просто, понятно – то наверно, оно и верно. Это что-то вроде знаменитого принципа, называющегося обычно «бритвой Окамы» – «что может быть сделано на основе меньшего числа предположений, не следует делать, исходя из большего».
Эйнштейн
Так вот. Ньютоновская теория гравитации не могла объяснить устройство нашего мира – Вселенной. Это привело Эйнштейна к работе над теорией относительности. Он предположил, что закон всемирного тяготения верен только в ограниченных масштабах, например, в пределах Солнечной системы. А в пределах всего космоса он должен был быть как-то видоизменен. И тогда все будет хорошо. Существование вечно живущей и безграничной Вселенной будет подтверждено теоретически.
Так возникла Теория Относительности. Сначала Специальная, а потом и Общая. Каково же было разочарование Эйнштейна, когда, проанализировав свои уравнения, он установил, что никакой вечной Вселенной существовать не может. Его уравнения не имели подобных решений.
Больше 10 лет работы – все впустую? Эйнштейн бросился искать возможные ошибки в своей теории. И, о чудо, нашел! Но не ошибку, а некий недосмотр. Все его рассуждения позволяли ввести в уравнения Общей теории относительности еще одно слагаемое, называемое сейчас «лямбда членом». При определенном значении этого «лямбда члена» все вставало на свои места. Однородная и вечно живущая Вселенная существовала!
Непонятное слово «лямбда» само по себе ничего не значит. Это просто буква греческого алфавита. Такая же буква, как например «эпсилон», «дельта», «мю» и другие, традиционно используемые в математике и физике.
Эйнштейн находился в состоянии эйфории. И написал статью со своим «лямбда членом» и теоретическим обоснование вечной Вселенной в один из ведущих физических журналов мира. А ее там сразу и опубликовали. Как же. Великий ученый, Нобелевский лауреат.
Когда первый восторг прошел, Эйнштейн стал разбираться в физическом смысле этого «лямбда члена». И к своему ужасу обнаружил, что его присутствие в уравнениях означает существование антигравитации. Т.е. некой силы, которая не притягивает, а отталкивает всю материю. В наличие такой силы Эйнштейн поверить не мог.
Трудно представить себе, что пережил в этот момент великий физик. Но он нашел в себе мужество, и написал в тот самый журнал открытое письмо с признанием своей неправоты. Позднее Эйнштейн говорил, что та самая публикация (статья с «лямбда членом)» была самой большой научной ошибкой всей его жизни.
Что было дальше
Но вся эта история примечательна еще и другим. С момента смерти Эйнштейна прошло несколько десятков лет. Техника и наблюдательные приборы совершенствовались. Появились космические спутники, на которых были установлены телескопы, работающие в разных диапазонах электромагнитных волн. Так вот. Они неопровержимо установили, что наша Вселенная расширяется. И чем дальше, тем быстрее. Природа этого явления (так называемая «темная энергия») пока непонятна. Но факт остается фактом. Антигравитация, в которую не верил Эйнштейн, существует. Но особенно примечательно то, что это расширение очень неплохо описывается Общей теорией относительности. С присутствие в ее уравнениях того самого «лямбда члена». Правда, с другим значением, чем то, которое использовал Эйнштейн. Вот так.
А что дальше было? Как современная наука описывает эволюцию Вселенной? Но это уже тема следующей статьи.
Написать комментарий