Хайно Фальке – Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы (страница 11)

Это расстояние составляет около 3,26 светового года. Таким образом, парсек – это не мера времени, как можно понять из некоторых серий “Звездных войн”[34], а мера длины.

Ближайшая к нам звезда – Проксима Центавра – находится на расстоянии 4,2 светового года, или 1,3 парсека. Это означает, что в радиусе одного парсека от Солнца нет ни одной звезды. Сегодня с помощью европейского космического зонда Gaia мы можем измерить параллаксы почти двух миллиардов звезд в нашем Млечном Пути, находящихся на расстоянии до нескольких тысяч световых лет. При помощи глобальной сети радиотелескопов можем измерить параллаксы нескольких звезд и местоположение газовых облаков на другом краю Млечного Пути, на расстоянии более 60 000 световых лет[35].

Сегодня спутники с легкостью лунатиков бороздят просторы Солнечной системы, а астрономы с большой точностью определяют размеры Вселенной, и всем этим мы, помимо прочего, обязаны успехам более ранних (состоявшихся в XVII, XVIII и XIX веках) экспедиций астрономов, которые исследовали нашу Солнечную систему, имея в своем распоряжении только первые примитивные телескопы и запас смелых идей. Ни один из этих астрономов не отправлялся в экспедицию втайне от других. Космос принадлежит всем нам, и иногда для его изучения нужны усилия всего мира. Сама природа астрономии подразумевает глобальное сотрудничество и конкуренцию. Астрономы всегда – начиная с первых наблюдений астрологов Востока еще в библейские времена, через изучение Солнечной системы и экспедиции по наблюдению прохождения Венеры по диску Солнца и вплоть до сегодняшних попыток регистрации гравитационных волн и получения радиоизображений черных дыр – отправлялись и отправляются в путь по миру и Вселенной, работая бок о бок и соревнуясь друг с другом, с единственной целью: наблюдать космос и проводить в нем измерения.

Часть II

Тайны Вселенной

Путешествие по той Вселенной, какой мы ее знаем сегодня, и по истории современной астрономии и радиоастрономии: революция, спровоцированная теорией относительности, рождение звезд и черных дыр, тайна квазаров, расширяющаяся Вселенная и Большой взрыв

Солнце – это самое яркое светило на нашем небе, а размер Солнечной системы – фундаментальная мера космических расстояний, используемая в астрономии для измерения расстояний в нашей Вселенной. Мы измеряем расстояния в Солнечной системе в интервалах времени, за которые его проходит свет, то есть в световых секундах до Луны, световых минутах до Солнца и световых часах до планет на внешних орбитах. Но и в нашей повседневной жизни мы используем свет для измерения самых разных расстояний, даже не подозревая об этом. До 1966 года все единицы длины соотносились с Международным эталоном метра. Это был платиново-иридиевый стержень, который хранился в Париже и служил стандартной мерой расстояний. Международный эталон метра равнялся длине одной десятимиллионной доли четверти окружности Земли, измеренной от Северного полюса до экватора вдоль меридиана, проходящего через Париж (так что неудивительно, что британцы до сих пор так и не ввели у себя метрическую систему). Сегодня эталон метра определяется через скорость света и равен точному расстоянию, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Почему в знаменателе такое некрасивое число? Ну, это понятно: длина эталона должна быть такой же, как у парижского международного эталона метра, но теперь этот эталон уже не ущемляет ничье национальное достоинство. Тот, кто использует измерительную рулетку, в действительности измеряет интервалы времени прохождения света.

3

Самая счастливая мысль в жизни Эйнштейна

Поскольку свет – это электромагнитные колебания, мы также используем его для хронометрирования. Свет реально стал основной мерой всех вещей, и в этом утверждении кроется глубокая истина. Эйнштейн как‐то спросил себя: а что было бы, если бы свет всегда двигался с одной и той же скоростью, независимо от того, как быстро движемся мы сами? Подобное предположение оказалось способно перевернуть с ног на голову все наши представления о неизменном и абсолютном пространстве.

Но как свет может всегда двигаться с одной и той же скоростью? Представим себе муравья, ползущего внутри быстро движущейся спортивной машины: он движется быстрее, чем муравей, просто ползущий по асфальту, поскольку к скорости муравья добавляется скорость автомобиля. Так разве не должно происходить то же самое со светом? Нет, не должно, потому что свет – это не муравей, не машина, не мяч и не ракета. Свет – это чистая энергия, у света нет инертной массы. Материя может быть ускорена, только если к ней приложена сила и ей передана энергия, причем чем материя легче, тем легче ей разогнаться. Муравья разогнать легче, чем машину. Свет же настолько “легкий”, что вам даже не нужно его толкать, он полетит сам по себе. Вот почему в пустом пространстве он всегда движется с максимальной скоростью, а именно – со скоростью света, равной почти точно миллиарду километров в час.

Ничто не может двигаться быстрее света, потому что ничто не может быть менее инертным. Даже изменение гравитации и создаваемые в результате этого гравитационные волны могут распространяться только со скоростью света. Это свойство, которое вначале было установлено лишь для света, на самом деле относится и к скорости распространения взаимодействий, определяющих возникновение причинно-следственных связей между событиями. Говоря о “свете”, мы часто неявно включаем в рассмотрение другие процессы, в которых информация передается с помощью “безмассовых” волн.

Но что‐то же наверняка должно измениться, когда вы движетесь относительно света? Да, должно, сказал Эйнштейн. Меняются время и пространство. Но разве пространство и время не существуют независимо от всего остального? Ответ: нет. В отличие от энергии и материи, пространство и время – сугубо абстрактные величины, которые мы используем для описания мира. Мы не можем потрогать пространство или время, и они становятся физическими реальностями только тогда, когда их измеряют[36], а измерения в конечном итоге всегда делаются с помощью света или светоподобных волн. Если и есть нечто по‐настоящему реальное в космосе и на Земле, то это свет. С его помощью не только делаются измерения – он вообще определяет пространство и время.

В библейской истории сотворения мира раньше всего появился свет, и со светом пришел первый день. Это согласуется с научной историей сотворения мира, которая сложилась на сегодня: свет возникает с появлением времени – вначале во Вселенной появился огненный шар, большой взрыв света и материи.

Но почему свет так важен? В конце концов Вселенная состоит не только из света, но еще и из материи! Однако если вы копнете глубже, то обнаружите, что по сути на самом фундаментальном уровне все, что есть, – это свет и энергия. Из знаменитой формулы Эйнштейна

Е = mс²

следует, что энергия (E) равна массе (m), умноженной на квадрат скорости света (c). Масса – это то же, что и энергия, а энергия – то же, что масса. В теории существует еще один вариант этого уравнения, а именно:

E = hv,

где греческая буква v (“ню”) обозначает частоту света, а h – постоянную Планка – коэффициент, связывающий частоту света с энергией кванта. Это простейшее уравнение квантовой механики, основоположником которой был немецкий физик Макс Планк. Когда мы переходим к измерениям малых величин, например, к атомным масштабам, мы видим, что энергия в виде света может излучаться или поглощаться только определенными порциями, так называемыми световыми квантами.

Следовательно, сам свет – это энергия. Чем выше его частота, тем больше энергия. Материя и свет – формы энергии, и каждая из них может быть преобразована одна в другую.

Еще больше запутывает ситуацию то, что в некоторых случаях, как выяснил Эйнштейн, свет при высоких уровнях энергии ведет себя подобно частицам. В таких случаях мы говорим о фотонах, которые можно представить себе в виде несущихся сквозь пространство волновых пакетов, внутри которых свет продолжает колебаться.

Итак, и Ньютон, и Максвелл были правы: свет – это и частицы, и волны одновременно, – в зависимости от того, какой эффект вы исследуете. Ответ уже содержится в вопросе! Сегодня мы знаем, что этот корпускулярно-волновой дуализм распространяется и на самые крошечные компоненты материи. Подобно свету, эти мельчайшие частицы материи иногда могут вести себя как волны.

Даже силы, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, тесно связаны со светом. Атомы и молекулы удерживаются вместе с помощью квантовых и электромагнитных взаимодействий, то есть энергетических полей, которыми являются и световые поля. В квантовой механике объясняется, что все эти силы возникают при обмене виртуальными частицами света. Когда мы прикасаемся друг к другу или ударяем молотком по гвоздю, эти действия, если их рассматривать на микроуровне, также обусловлены электромагнитными взаимодействиями. Звуковые волны возникают, когда газ сжимается и волна давления проходит через воздух. Когда молекулы воздуха в газе встречаются и ударяются друг о друга, они обмениваются мельчайшими виртуальными частицами света. Все, что мы ощущаем, измеряем, воспринимаем или изменяем, в конечном счете зависит от свойств света. На самом мельчайшем атомном уровне все наши чувства – не только зрение, но и осязание, обоняние и вкус – зависят от обмена светом. По этой же причине никакая информация не может достичь нас со скоростью больше скорости света.