Ник. Горькавый

Сказка о мирном рыцаре Эддингтоне, узнавшем главную тайну звёзд

• Рассказы о науке •

Ник. Горькавый.

Сказка о мирном рыцаре Эддингтоне, узнавшем главную тайну звёзд

____________________

Научные сказки Ник. Горькавого см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 2010 г.; №№ 1-6, 9, 11, 2011 г.; №№ 6-10, 12, 2012 г.

«Наука и жизнь» № 1, 2013.

Лорд Артур Стэнли Эддингтон (1882- 1944) — выдающийся английский астрофизик, измеривший кривизну пространства вокруг Солнца.

— Люди часто мечтают попасть в сказку — начала рассказ королева Никки, — вырваться из серых будней и очутиться в мире могучих героев, подвигов, невероятных приключений и побед. Об этом думают и дети, и взрослые. Только учёные не мечтают о волшебном мире.

— Они не умеют мечтать? — удивилась Галатея.

Королева Никки покачала головой:

— Просто они уже нашли двери в мир чудес, потому что научились видеть невидимое или не замечаемое другими людьми. Много лет они осваивают умение проникать в суть вещей и явлений, используя вместо волшебной палочки телескопы, микроскопы, математические уравнения.

— Телескоп помощнее волшебной палочки, — согласился Андрей, — это окно в другие миры, взгляд в глубины пространства и даже времени!

— Значит, телескоп — ещё и машина времени? — спросила Галатея.

— Конечно, — подтвердила Никки, — это настоящая машина времени, которая видит далёкое прошлое звёзд и галактик. Получается, что все учёные живут двойной жизнью: одна — обычная и всем понятная, другая — загадочная и по-настоящему волшебная.

Такой двойной жизнью жил и английский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон. Со стороны казалось, что он ведёт спокойную, размеренную жизнь, подобающую профессору Кембриджа, прерываемую лишь научными экспедициями и поездками на конференции. Книги и беседы, трубка у камина, прогулки на велосипеде — на непосвящённый взгляд ничего примечательного. На самом деле Эддингтон в своей главной жизни был титаном и совершал подвиги, на которые не был способен никто другой. Он рассчитывал сроки жизни и смерти звёзд, изгибал пространство и время, определял судьбы Вселенной и создавал невидимые миры.

— Здурово! — восхитился Андрей.

— Уже в детстве Эддингтон выделялся среди сверстников. В футбол он играл как все, но в отличие от других обладал явным математическим талантом и выучил таблицу умножения до 24Ч24 раньше, чем научился читать. В возрасте четырёх лет во время вечерних прогулок он пробовал сосчитать звёзды на небе. Увлечённость большими цифрами осталась у Эддингтона на всю жизнь. Став учёным, он подсчитал даже общее число элементарных частиц во Вселенной.

Знаменитая книга Эддингтона о теории относительности Эйнштейна была переведена на многие языки. На русском языке издавалась в 1 934 году. Фото книги из личной коллекции автора.

Два величайших знатока новой теории гравитации — Альберт Эйнштейн и Артур Эддингтон.

Кроме математики юный Стэнли увлекался астрономией и с десяти лет много времени проводил у небольшого телескопа, который ему одолжил учитель. За школьные годы он написал тринадцать рефератов по астрономии. В пятнадцать лет Эддингтон выиграл стипендию для обучения в колледже Манчестера, чем смутил администрацию колледжа: с их точки зрения, мальчик был слишком юн для студента.

— Знай наших! — радовалась Галатея рассказу Никки.

— Эпидемия тифа унесла отца Эддингтона, когда Стэнли исполнилось всего два года. Семья жила очень небогато, но юноша проявлял столь яркие таланты, что зарабатывал всё новые и новые стипендии для обучения и даже поступил в легендарный Тринити-Колледж в Кембридже, где учились в своё время Ньютон, Максвелл и Рэлей.

Талантливый молодой человек не был затворником. В студенчестве он выучил французский, немецкий и итальянский языки и читал Мольера, Гёте и Данте в подлиннике. Он увлекался шахматами и велосипедом. Из его записных книжек биографы узнали, что за 1905 год он проехал на велосипеде более четырёх тысяч километров, а в возрасте пятидесяти пяти лет преодолел двести километров между Ланкастером и Кембриджем. Ездил Эддингтон чаще всего в одиночестве: длинные велосипедные путешествия позволяли ему размышлять о загадках Вселенной.

Студентом Эддингтон посещал математические семинары, но его нередко видели на них читающим статьи по гравитации. Обычного потока информации Стэнли явно не хватало, — он успевал следить за происходящим и просматривать сложные научные труды.

Став профессором Кембриджа, Эддингтон опубликовал книгу о звёздах и строении Вселенной. В это время Эйнштейн в Германии создал общую теорию относительности. Но Европа была охвачена войной, научные связи между Англией и Германией прерваны. И всё же космологу Виллему де Ситтеру, живущему в нейтральных Нидерландах, удалось переправить Эддингтону копии трудов Эйнштейна и своих статей.

Блестящие математические способности помогли Эддингтону быстро освоить теорию Эйнштейна и в 1918 году опубликовать первое в мире англоязычное изложение эйнштейновской теории гравитации. В том же году британское правительство призвало Эддингтона в армию — европейский фронт требовал всё новых солдат. Молодой человек, принадлежавший по религиозным убеждениям к протестантам-квакерам, которые проповедовали пацифизм, отказался брать в руки оружие, но выразил готовность работать в Красном Кресте или на сборе урожая, если страна сочтёт это более полезным занятием, чем быть профессором астрономии. Ему дали отсрочку, а через несколько месяцев война закончилась.

Эддингтон стал признанным экспертом в теории относительности Эйнштейна и приобрёл в этой области авторитет, сопоставимый с авторитетом самого автора. Теория Эйнштейна предсказывала искривление света звезды возле Солнца. Наблюдать звезду возле диска нашего светила можно было только в случае полного солнечного затмения. И такая возможность представилась. Чтобы проверить предположение Эйнштейна, Эддингтон возглавил экспедицию на остров Принсипи возле западного берега Африки, где 29 мая 1919 года ожидалось полное солнечное затмение.

В назначенный день на острове Принсипи разразился ливень. Лишь перед самым затмением небо очистилось, и то не до конца. Эддингтон стремительно менял фотопластинки в приборе. За несколько минут он успел сделать шестнадцать снимков Солнца и его окрестностей. Звёзды были видны лишь на шести проявленных фотопластинках.

В последующие ночи учёный делал контрольные снимки, а потом приступил к измерениям смещения звёзд на разных фотопластинках. Пять из шести оказались слишком низкого качества, и лишь одна пластинка показала смещение звезды, близкое к предсказанному Эйнштейном. Эддингтон вспоминал этот день, как самый впечатляющий момент своей жизни. Именно тогда он получил прямое подтверждение того, что пространство нашего мира искривляется возле звёзд и планет. Он держал в руках не стеклянную пластинку, покрытую фотоэмульсией, а разгадку тайны земного тяготения и силы, которая управляет Вселенной. — Только учёные могут так радоваться ничтожному смещению маленькой точки! — подумала вслух Галатея.

Вот так разбегались наблюдаемые звёзды со своих привычных мест, когда в середину их «роя» вторглось массивное Солнце. Рисунок из книги Ч. Мизнера, К. Торна и Дж. Уилера «Гравитация».

— Потому что учёные, в отличие от других людей, понимают, что это означает! — ответил Андрей. — Вот и весь секрет их волшебства.

Никки продолжила:

— Эддингтон сообщил об успехе экспедиции телеграммой. Весть о том, что Эйнштейн оказался прав, разлетелась по первым страницам главных газет всего мира: «Наше пространство искривлено!»

Бернхард Риман (1826-1866), выдающийся немецкий математик, создавший теорию искривлённого пространства. Риманова геометрия впоследствии стала основой общей теории относительности. Русский математик Николай Лобачевский (1792-1856) создал свой вариант теории искривлённого пространства раньше Римана, но не нашёл понимания среди отечественных математиков. Искривить пространство в уме — это дано не каждому.

Эйнштейн стал всемирно знаменит. Его предыдущая известность в научных кругах не шла ни в какое сравнение с пришедшей славой. Но среди учёных, конечно, оказалось немало скептиков. Они указывали на недостаточность данных, ведь теорию Эйнштейна подтвердила всего одна фотопластинка невысокого качества.

Через три года в Австралию отправилась экспедиция из Ликской обсерватории во главе с её директором Уильямом Кэмпбеллом, чтобы ещё раз сфотографировать звёзды возле Солнца в момент затмения. Новые данные полностью подтвердили результат экспедиции Эддингтона. Консервативный Кэмпбелл не относился к числу сторонников Эйнштейна и надеялся (как он потом сам признавался), что звёзды откажутся подтверждать странную теорию об искривлении пространства. Но звёзды оказались с характером и не послушались Кэмпбелла.

Вселенная окончательно соскользнула с евклидовой неподвижной плоскости и погрузилась в изогнутые пространства Римана. Эддингтон опубликовал монографию «Математическая теория относительности», о которой Эйнштейн отозвался так: «Наилучшее изложение предмета!» В этой книге автор обсуждал исключительно трудный и спорный вопрос о том, что гравитационная энергия, в отличие от энергии электрического поля, не может быть математически описана с такой же долей объективности. И он увидел выход в том, чтобы отказаться от неоспоримого для физиков закона сохранения энергии. Он писал: «После того как был найден принцип сохранения энергии, физики превратили его практически в определение энергии, так что энергия рассматривалась как нечто, подчиняющееся закону сохранения… Подобный способ в свете новейших исследований оказался очень неудачным».

Учёный сделал смелое заключение о том, что энергия в общей теории относительности сохраняется не во всех случаях, зато она подчиняется более общему закону изменения, что «является, с нашей новой точки зрения, более простым и значительным, чем простое сохранение».

Эйнштейн был согласен с Эддингто-ном, но в обсуждении проблем почти не участвовал. В это время он работал над единой теорией поля, которая должна была «уничтожить» не только энергию, но и саму материю, оставив вместо неё лишь сложным образом искривлённое пространство.

— Как это? — не поняла Галатея.

— Я сама буду состоять из искривлённого пространства?

— Да, Эйнштейн полагал, что может описать элементарные частицы, из которых состоишь и ты, и все мы, как некие сгустки искривлённого пространства.

— Всё равно непонятно! — настаивала Галатея.

— Возьми носовой платок: когда ты разгладишь его на столе, то получишь ровное пространство, а если свяжешь в узел, то получишь нечто вроде частицы.

— То есть частицы — это такие кульки или узлы из пространства-времени? — переспросил Андрей.

— Да. Но Эйнштейну не удалось построить желаемую теорию — такое случается даже с самыми умными учёными. А ещё были проблемы с тем, как научный мир воспринимает его взгляды. Так что ему, впрочем как и Эддингтону, приходилось часто сражаться с непониманием некоторых учёных.

Среди астрономов Эддингтон известен и как создатель теории строения звёзд, автор книги, ставшей классической. Одна из моделей звёзд так и называется: «модель Эддингтона». Учёный доказал, что баланс звезды зависит не только от гравитации и давления газа, но и от светового давления, — на Солнце оно достигает одной десятой от давления солнечного газа. А в массивных звёздах давление излучения вообще становится главной причиной, удерживающей звезду от быстрого сжатия (падения в саму себя).

Эддингтон был первым человеком на Земле, понявшим, что источником энергии звёзд служат термоядерные реакции. На фото: раскалённое термоядерное Солнце. Снимок получен спутником НАСА.

Протон-протонный цикл — одна из термоядерных реакций в звёздах: из водорода образуется дейтерий, потом нестабильный изотоп гелий-3 и в конце концов очень устойчивый изотоп гелий-4. Образовавшиеся нейтрино быстро покидают звезду, а гамма-кванты начинают медленное движение к поверхности. В ходе своего многолетнего путешествия к поверхности Солнца жёсткие гамма-кванты переизлучаются столько раз, что к моменту вылета из фотосферы они становятся вполне приятным мягким солнечным светом.

У Эддингтона был постоянный оппонент — авторитетнейший британский физик и астроном сэр Джеймс Джинс. Современники вспоминали их споры как «битвы титанов».

Вот один из примеров. Эддингтон оценил температуру в центре звезды в сорок миллионов градусов и первый предположил, что источник энергии звёзд — это субатомные превращения элементов, говоря современным языком, термоядерные реакции синтеза ядер водорода и гелия. Многие опять его не поняли, ведь Эддингтон опередил время лет на двадцать. Скептицизм физиков и астрономов понятен: согласно тогдашним теоретическим представлениям, реакции ядерного синтеза требовали гораздо больших температур. Яростнее всех спорил сэр Джеймс Джинс. Эддингтон ядовито говорил скептикам и сэру Джеймсу:

— Вам недостаточно сорока миллионов градусов? Идите поищите местечко погорячее! Это означало: «Идите в ад!» или «Идите к чёрту!»

Как рассказывал сам Эддингтон, вечером того дня, когда он сделал своё открытие — догадался об атомном источнике энергии звёзд, — он сидел на скамейке с девушкой. Она сказала: «Посмотри, как красиво светят звёзды!» На что учёный ответил: «Да, и в данный момент я — единственный человек в мире, который знает, почему они светят».

Эддингтону пожаловали рыцарское звание, его выбрали президентом Королевского общества и Международного астрономического союза. Но мировая слава, открытие главного секрета звёзд и звание лучшего знатока общей теории относительности не остановили его научной мысли.

Конец жизни Эддингтон посвятил поиску теории происхождения семи мировых констант: скорости света, постоянной Планка, гравитационной постоянной, масс протона и электрона, заряда электрона и космологической постоянной. Его мечта — найти одно глобальное уравнение, решение которого дало бы миру нужные численные константы, — превосходила по масштабности и дерзости все другие проблемы человечества. Пока никто из учёных не нашёл какого-либо реалистичного подхода к её решению и никто не знает, насколько Эддингтон опередил развитие физики — на двести лет или на триста? Он не смог решить поставленную задачу, но сформулировал её, что зачастую бывает не менее важно, чем найти решение!

Изменение мировых констант даже на небольшую величину приведёт к полному изменению картины мира, поэтому Эддингтон, пытаясь ответить на вопрос «Почему численные величины мировых констант именно такие, а не другие?», на самом деле искал ответ на вопрос «Почему наш мир устроен именно таким образом?»

СЛОВАРЬ К СТАТЬЕ

Евклидово пространство - плоское пространство, описанное великим греческим математиком Евклидом (около 325-265 до н.э.).

Риманово пространство - искривлённое пространство, открытое Бернхардом Риманом.

Скорость света в вакууме - физическая константа, равная 299 792 458 м/с.

Постоянная Планка - основная константа квантовой теории. впервые введена выдающимся немецким физиком, основателем квантовой теории Максом Планком в 1900 году.

Гравитационная постоянная - физическая константа, используемая в уравнениях гравитации ньютона и Эйнштейна. Характеризует силу гравитационного притяжения между телами.

Космологическая постоянная - постоянная, введённая Эйнштейном, которая, как сейчас считается, определяет скорость расширения вселенной.

Протон - одна из самых распространённых стабильных элементарных частиц (она же — ядро атома водорода). масса протона равна 1836 массам электрона.

Электрон - одна из самых распространённых стабильных элементарных частиц, играющая важную роль в структуре атомов, в химии, в явлении электрического тока и т.д. масса и заряд электрона — физические константы. заряд электрона служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц и ионизированных атомов (атом водорода состоит из протона и электрона).

«Наука и жизнь» № 1, 2013.

Content

Ник. Горькавый
Сказка о мирном рыцаре Эддингтоне, узнавшем главную тайну звёзд

• Рассказы о науке •

Сказка о мирном рыцаре Эддингтоне, узнавшем главную тайну звёзд

Лорд Артур Стэнли Эддингтон (1882- 1944) — выдающийся английский астрофизик, измеривший кривизну пространства вокруг Солнца.

Знаменитая книга Эддингтона о теории относительности Эйнштейна была переведена на многие языки. На русском языке издавалась в 1 934 году. Фото книги из личной коллекции автора.

Вот так разбегались наблюдаемые звёзды со своих привычных мест, когда в середину их «роя» вторглось массивное Солнце. Рисунок из книги Ч. Мизнера, К. Торна и Дж. Уилера «Гравитация».

Эддингтон был первым человеком на Земле, понявшим, что источником энергии звёзд служат термоядерные реакции. На фото: раскалённое термоядерное Солнце. Снимок получен спутником НАСА.

СЛОВАРЬ К СТАТЬЕ