Вы здесь

Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Гибель звезды


Мы с вами видели, как учёные старались расширить сферу применения общей теории относительности в надежде добиться объединения гравитационного и электромагнитного полей. Их попытки отличались изобретательностью, и иногда, казалось, что они вот-вот достигнут цели, но всё же слить эти два поля воедино не удалось и по сей день.

Представим себе, что цель достигнута. Означает ли это, что все проблемы будут решены и мы получим единую теорию поля? Вряд ли, ведь ещё два поля останутся в стороне. Более того, нам нужна безотказная теория, а об общей теории относительности этого не скажешь; известно, например, что она не работает в мире атомов. Не годится она и для описания явлений, возникающих при очень высоких плотностях. Имеются в виду вовсе не те относительно высокие плотности, с которыми иногда приходится иметь дело в повседневной жизни. Речь идёт о таких плотностях, которые возникают в экстремальных космологических условиях.

Итак, наша задача – разобраться в том, где общая теория относительности перестаёт работать и почему это происходит. Для этого лучше всего обратиться к обыкновенным звёздам. Из всех звёзд нам лучше всего знакомо, конечно, Солнце, поэтому с него мы и начнём. Через фильтр Солнце выглядит как плоский сияющий диск, на котором всё спокойно. Но если с помощью соответствующего прибора рассмотреть его поверхность повнимательнее, глазам предстанет море горячего, непрерывно клубящегося газа. Иногда бурление становится настолько интенсивным, что с поверхности с огромной скоростью выплескиваются гигантские постепенно поворачивающие к светилу потоки. Распространяясь вдоль силовых линий магнитного поля, они вытягиваются на несколько тысяч километров, а потом обрушиваются на поверхность Солнца.

Но не всё извергнутое вещество падает обратно на Солнце. Иногда сильнейшие всплески выбрасывают частицы далеко в пространство, те покидают окрестности Солнца и несутся сквозь Солнечную систему.

Что вызывает такие грандиозные бури? В поисках ответа на этот вопрос нам придётся заглянуть внутрь Солнца. Там газ ещё горячее, чем на поверхности, и чем ближе к центру, тем выше его температура. Швейцарский астроном Якоб Эмден первым предположил, что Солнце, может целиком состоять из газа, но впервые разработал математическую модель строения звезды английский астрофизик Артур Эддингтон.

Эддингтон

Эддингтон был загадочной личностью. Несмотря на свою гениальность и репутацию великого астронома, в конце жизни он совершал странные поступки. Как и многие крупные учёные после него, Эддингтон в конце концов обратился к проблеме объединения общей теории относительности и квантовой теории. Венец его творения, книга «Фундаментальная теория», была доступна немногим (чтобы не сказать никому), а сейчас вызывает разве что любопытство.

Эддингтон родился в 1882 году в Вестморленде, Англия. Его родители были квакерами. Отец, директор местной школы, умер, когда мальчику было всего два года, и воспитывала его мать. Математические способности Артура проявились рано: он сначала освоил таблицу умножения до 24 ? 24, а потом уже научился читать. В десять лет он ночи напролёт просиживал у телескопа, зачарованный открывавшимся зрелищем.

В школе он завоевал множество наград и в конце концов получил стипендию, которая позволила ему продолжить обучение в Манчестерском университете. По приезде в Манчестер Эддингтон с удивлением узнал, что слишком молод для того, чтобы стать студентом (ему было пятнадцать лет). К счастью, кто-то проявил прозорливость, и для него было сделано исключение. Из Манчестера он перебрался в кембриджский Тринити-колледж, знаменитый своим экзаменом по математике – трайпосом (если помните, раньше его сдавал и Максвелл). Эддингтон сдавал этот экзамен в конце второго курса и, оказавшись лучшим, получил звание «старшего рэнглера» – студента, особо отличившегося на экзамене. Кроме него, никому не удалось добиться такого успеха за столь короткий срок.

Окончив колледж, Эддингтон некоторое время работал в Кавендишской лаборатории, занимался экспериментальной физикой, но вскоре это ему надоело. Его интересовала теоретическая физика, а не возня с лабораторными установками, которые никак не хотели работать. Поэтому в 1906 году он с радостью согласился занять освободившуюся в Гринвичской обсерватории вакансию.

Несмотря на неспособность к экспериментальной работе, Эддингтон стал превосходным наблюдателем и скоро занялся серьёзными астрономическими исследованиями. Незадолго до этого нидерландский астроном Якоб Каптейн организовал всемирные исследования нашей Галактики. Некоторые из первых результатов указывали на то, что поблизости от Солнца имеются два звёздных рукава. Эддингтон помог показать, что это связано с вращением нашей Галактики. В то время астрономы не только не знали детально структуру нашей Галактики, но и не были уверены в том, что во Вселенной есть другие галактики. В телескоп можно было увидеть много «размытых» объектов, некоторые из них эллиптической формы, другие – неправильной, но что они собой представляют – «островные вселенные», состоящие из звёзд, как наша Галактика, или просто сгустки газа, было неясно. Эддингтон считал, что это другие вселенные, и впоследствии оказалось, что в большинстве случаев так оно и есть.

В 1912 году после кончины Дж. X. Дарвина, сына Чарлза Дарвина, освободилась кафедра Плумиана в Кембриджском университете. Все были уверены, что кафедру займёт Джеймс Джинс, один из учеников Дарвина, но университетский комитет выбрал Эддингтона. Это было тем более неожиданно, что тридцатилетний Эддингтон был на пять лет моложе Джинса. Джинса такой поворот дела расстроил, и долгое время он считал Эддингтона серьёзным соперником во всём. Впоследствии между ними не раз происходили бурные публичные дискуссии.

В том же году, когда Эддингтон стал профессором в Кембридже, была опубликована важная диаграмма Герцшпрунга-Ресселла, названная по именам её авторов. На этой диаграмме отложена истинная, или абсолютная звёздная величина в зависимости от температуры поверхности звезды. Большинство звёзд на этой диаграмме располагается по диагонали, указывая примерное соотношение между двумя переменными. Эддингтон пришёл к выводу, что эта диаграмма даёт ключ к открытию тайн строения звёзд. И действительно, она оказалась сродни Розеттскому камню.

Крайний справа – Эддингтон. Третий справа – Г. Н. Ресселл (один из авторов диаграммы Герцшпрунга-Ресселла)

В то время, однако, о внутреннем строении звезды практически ничего не было известно. Эмден предположил, что звёзды целиком состоят из газа, но многие астрономы считали, что они состоят из несжимаемой жидкости, чего-то вроде горячего клея. Тем не менее никто не представлял, насколько высока температура внутри звезды. Более того, такой вопрос даже не приходил в голову большинству астрономов, да и Эддингтон вначале не очень интересовался внутренним строением звёзд, к этой проблеме он пришёл окольным путём. Эддингтон решил попытаться объяснить странные пульсации цефеид, звёзд переменной светимости, и вскоре обнаружил, что об их внутреннем строении, как, впрочем, и о строении звёзд других типов, практически ничего не известно. Для начала ему пришлось заняться этой проблемой.

Предположив, что звезда целиком состоит из газа, Эддингтон решил посмотреть, какими должны быть условия её устойчивого равновесия. Ясно, что тяготение вызывает сильнейшее сжатие звезды, и, значит, должна существовать какая-то противодействующая ему сила. Сразу же возникает мысль, что сжатию препятствует давление газа. Гениальность подхода Эддингтона состоит в том, что кроме обычного давления газа он принял во внимание и радиационное давление. Было хорошо известно, что обычный свет оказывает давление, а уж внутри звезды, где излучение особенно интенсивно, его давление становится весьма существенным. Эддингтон установил, что в первую очередь сжатию звезды препятствует не давление газа, а радиационное давление. Исходя из этого предположения, он определил некоторые характеристики звёзд, хорошо согласовавшиеся с наблюдениями.

Одним из наиболее крупных достижений его теории явилось определение температуры в центре звезды. Эддингтона поразило, насколько высока она оказалась – 15 миллионов градусов. При такой температуре атомы должны находиться в ионизованном состоянии (они лишены электронов). Затем Эддингтон совершил невероятное – он создал полную математическую модель внутреннего строения звезды. Наверное, при этом он усмехнулся про себя, вспомнив собственные слова, сказанные за несколько лет до этого: «Мы никогда не узнаем, что происходит внутри звезды. Это выше нашего понимания». В 1926 году Эддингтон опубликовал свои результаты в ставшей классической книге «Внутреннее строение звёзд».

Эддингтон всю жизнь прожил холостяком. Чтобы сохранять форму, играл в гольф и путешествовал пешком и на велосипеде. Велосипед был его страстью, в день он мог накатывать по сто миль и даже в шестьдесят лет проезжал за раз миль восемьдесят. Для отдыха читал детективы и решал кроссворды. Он был застенчив и в обществе женщин чувствовал себя неловко, влечения, он, видимо, к ним не испытывал. С представительницами прекрасного пола – кроме матери и сестры, которые вели хозяйство, – он почти не общался.

Лектором Эддингтон был негодным; входя в аудиторию, он вынимал из огромного внутреннего кармана знаменитые теперь, а тогда просто ветхие конспекты, и через несколько минут большинство начинало клевать носом. А вот его публичные выступления, как ни странно, пользовались огромным успехом. Он тратил много времени на подготовку, и публика на них валом валила. Возможно, им не хватало живости – Эддингтон терялся, если иногда приходилось отходить от заготовленного текста. Вопросы его нервировали, он волновался и сбивался. Но в целом его публичные выступления и популярные книги пользовались огромным успехом, а самому ему, видимо, нравилось пропагандировать достижения науки. Пожалуй, широкой публике лучше всего известна эта сторона его жизни.

Страницы


В нашей электронной онлайн библиотеке вы можете бесплатно и без регистрации прочитать «Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения» автора Паркер Барри на телефоне, андроиде, айфоне, айпаде. Сейчас вы находитесь в разделе „Глава 4Гибель звезды“ на странице 1. Приятного чтения.