Дао физики - Капра Фритьоф (книга жизни txt) 📗
Согласно квантовой теории, частицы одновременно считаются волнами, что делает их поведение крайне необычным. Если мы ограничим субатомную частицу внутри небольшого замкнутого пространства, она отреагирует на эти пространственные ограничения тем, что начнет колебательные движения внутри отведенного ей пространства. Этот факт относится к числу типичных «квантовых эффектов», не имеющих аналогов в макроскопическом мире. Для того, чтобы понять механизм этого явления, мы должны помнить, что в квантовой теории частицам соответствуют «пучки», или «пакеты» волн. Как говорилось в гл. 12, длина волны в таком «пакете» представляет неопределенность нахождения частицы. К примеру, изображенный на рис. 26 «пакет» волн соответствует частице, находящейся где-то в районе X; где именно, мы с уверенностью сказать не можем. Если мы хотим более точно определить местонахождения частицы, то есть ограничить ее движение в меньшем объеме пространства, нам нужно сжать ее «пакет» волн (см. рис. 27). При этом, правда, изменится длина волны этого «пакета» волн, а следовательно, и скорость частицы. В результате частица будет продолжать двигаться, и чем ограниченней станет объем пространства, тем выше будет скорость ее движения.
Способность частиц реагировать на сжатие путем увеличения скорости движения говорит о фундаментальной подвижности материи, которая становится очевидной при углублении в субатомный мир. В этом мире большинство частиц приковано к молекулярным, атомным и ядерным структурам, а следовательно, они не покоятся, а находятся в состоянии хаотического движения — они подвижны по своей природе. Квантовая теория показывает, что вещество постоянно движется, не оставаясь в состоянии покоя ни на минуту. В макроскопическом мире все тела, окружающие нас, кажутся пассивными и неподвижными, но стоит взять в руки увеличительное стекло, и «мертвый» камень или металл сразу же обнаруживает неопровержимые доказательства своей динамической сущности. Чем больше увеличение, тем более динамический характер приобретает наблюдаемая нами картина. Все материальные предметы, которые мы видим вокруг себя, состоят из атомов, связанных между собой внутримолекулярными связями различного типа и образующих таким образом молекулы, не неподвижны: они находятся в беспрестанном хаотическом колебательном движении, характер которых зависит от термических условий вокруг атомов. Электроны внутри движущихся атомов удерживаются поблизости ядра при помощи электрических сил, причем электроны реагируют на пространственные ограничения, вызванные этими силами, тем, что увеличивают скорость своего движения. Протоны и нейтроны внутри ядра связаны между собой ядерными силами. Ядерные частицы тоже всегда очень быстро движутся.
Современные физики представляют материю вовсе не как пассивную и инертную, но как пребывающую в непрестанном танце и вибрации, ритмические паттерны которых определяются молекулярными, атомарными и ядерными структурами. Таков же образ видения материального мира и восточными мистиками. Все они подчеркивают, что Вселенную надо рассматривать в целом динамической, ибо она движется, вибрирует и танцует; что природа пребывает не в статическом, а в динамическом равновесии. Или, словами даосского текста: «Покой в покое не есть истинный покой. Только тогда, когда покой в движении, только тогда и может проявиться духовный ритм, который наполняет собой Небеса и Землю» [50, 229].
В физике динамическая природа мироздания становится очевидной для нас не только при углублении в мир бесконечно малого, но и при изучении астрономических явлений. Мощные телескопы помогают ученым следить за непрестанным движением вещества в космосе. Вращающиеся облака газообразного водорода, сгущаясь, превращаются в звезды. При этом их внутренняя температура во много раз возрастает. Достигнув этой стадии, облака продолжают вращаться, время от времени выбрасывая в пространство сгустки вещества. Последние, конденсируясь, превращаются в планеты. Через миллионы лет, когда водородное топливо подходит к концу, звезда начинает увеличиваться в размерах, расширяться, затем процесс расширения резко изменяет свое направление и превращается в процесс сжатия, завершающийся последним аккордом — гравитационным коллапсом. В результате коллапса могут произойти грандиозные взрывы, а звезда может стать «черной дырой». Все эти процессы — от образования звезды из межзвездных газовых облаков до их финального коллапса — происходят в различных уголках Вселенной в тот самый момент, когда Вы читаете эту книгу.
Совокупности вращающихся, расширяющихся, сжимающихся и взрывающихся звезд образуют галактики различной формы — плоские диски, сферы, спирали и так далее, которые тоже, в свою очередь, не бывают в неподвижности. Млечный Путь, наша галактика, представляет собой огромный диск, состоящий из звезд и газообразных скопление веществ, вращающихся в пространстве, подобно гигантскому колесу. При этом все входящие в галактику звезды описывают вокруг ее центра окружности разного диаметра. Вселенная состоит из колоссального множества беспорядочно движущихся галактик, рассеянных в бескрайнем пространстве.
Изучая Вселенную как единое космическое целое, мы достигаем наивысшего уровня пространства-времени и с удивлением обнаруживаем, что даже здесь вещество не утрачивает своего непреодолимого стремления к движению и изменчивости: мы сталкиваемся с явлениями расширения Вселенной! Это явление было одним из последних открытий современной астрономии. Тщательное изучение данных позволило ученым обнаружить, что совокупность галактик постоянно расширяется, причем скорость удаления галактик от наблюдателя прямо пропорциональна разделяющему их расстоянию: при двукратном увеличении расстояния скорость тоже возрастает в два раза. Это утверждение верно не только для нашей галактики, но и для всех остальных. В какой бы галактике мы ни оказались, остальные — соседние — будут удаляться от нас с большей скоростью, а скорость движения самых дальних галактик приблизится к скорости света. Свет, исходящий от еще более удаленных галактик, просто не мог бы дойти до нас быстрее скорости света. Говоря словами сэра Артура Эддингтона, их свет был бы похож «на бегуна, бегущего по дорожке стадиона, которая постоянно растет, так что финишная черта удаляется от него быстрее, чем может бежать он сам».
Для того, чтобы лучше выяснить, что именно понимается под расширением Вселенной, нужно не забывать о том, что явления макромира рассматриваются в общем контексте общей теории относительности Эйнштейна. Согласно последней, пространство является не «плоским», а «искривленным», причем характер искривления зависит от распределения вещества во Вселенной. Эту зависимость описывают выведенные Эйнштейном уравнения поля. Эти уравнения, положенные в основу современной космологии, характеризуют общую структуру Вселенной.
Говоря о расширяющейся Вселенной в контексте общей теории относительности, мы имеем в виду расширение в плане более высокого измерения. Эта фраза приобретает более ясный смысл, если мы обратимся к аналогии из двух измерений, как мы делали в случае понятия искривленного пространства. Представим себе воздушный шарик, поверхность которого усеяна множеством точек. Шарик изображает Вселенную, его двухмерная искривленная поверхность изображает двухмерное пространство, а точки на его поверхности — галактики, содержащиеся во Вселенной. Когда мы надуваем шарик, расстояния между всеми точками увеличиваются. Если при этом мы представим, что находимся на одной из них, все остальные точки будут удаляться от нас. Расширение Вселенной очень похоже на приведенный нами пример: в какой галактике ни оказывался бы наблюдатель, все остальные галактики будут удаляться от него (см. рис. 28).
Возникает вполне естественный вопрос о том, как началось это расширение. Приняв в расчет зависимость между удаленностью той или иной галактики и теперешней скорости ее удаления от нас (эта зависимость известна под названием закона Хаббла), можно вычислить, в какой момент началось расширение Вселенной или, иными словами, ее возраст. Если мы предположим, что скорость расширения не изменялась, что, впрочем далеко не очевидно, то получим цифру 10.000 миллионов лет. Итак, мы узнали возраст Вселенной. Большинство современных ученых-космологов считают, что наша Вселенная произошла в результате взрыва первичного сгустка вещества, происшедшего более 10.000 миллионов лет тому назад. Зафиксированное в наши дни расширение Вселенной представляет собой «отголосок» этого далекого взрыва. Согласно теории «большого взрыва», последний привел к возникновению Вселенной и появлению пространства и времени. При попытке представить себе, что могло предшествовать этому моменту, мы снова попадаем в затруднительное положение из-за особенностей нашего мышления и языка. По словам сэра Бернарда Ловелла, «Здесь перед нами вырастает непреодолимый психологический барьер, связанный с тем, что мы не знаем, как воспринимать понятия пространства и времени на этом этапе, когда они еще не существовали в нашем традиционном понимании. У меня при этом появляется такое ощущение, как будто я внезапно попал в густой туман, в котором предметы теряют свои привычные очертания» [51,93].
