Итак, в начале двадцатого века физика располагала двумя признанными теориями, каждая из которых объясняла природные явления лишь в одной разновидности; механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Ньютоновская модель уже не была единственной опорой физики.
Современная физика
Первые три десятилетия нашего столетия радикально изменили положение дел в физике. Одновременное появление теории относительности и теории атома поставило под сомнение представление ньютоновской механики об абсолютном характере времени и пространства, о твердых элементарных частицах, о строгой причинной обусловленности всех физических явлений и о возможности объективного описания природы. Старые понятия не находили применения в новых областях физики.
У истоков современной физики — великое свершение одного человека, Альберта Эйнштейна. Две его статьи, опубликованные в 1905 году, содержали две радикально новые мысли. Первая стала основой специальной теории относительности Эйнштейна; вторая заставила по-новому взглянуть на электромагнитное излучение и легла в основу теории атома — квантовой теории. Квантовая теория в окончательном виде сформировалась через двадцать лет благодаря совместным усилиям целой группы физиков. Однако теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн. Научные труды Эйнштейна увековечили грандиозные достижения человеческого разума, став своего рода пирамидами современной цивилизации.
Эйнштейн был твердо уверен в том, что природе изначально присуща гармония, и его научной деятельностью руководило желание найти общую основу для всей физики. Первым шагом к этой цели было объединение двух самостоятельных теорий классической физики — электродинамики и механики — под эгидой специальной теории относительности. Она объединила и дополнила построения классической физики и одновременно потребовала решительного пересмотра традиционных представлений о времени и пространстве и подорвала одно из оснований ньютоновского мировоззрения.
Согласно теории относительности, неверно, что пространство имеет три измерения, а время существует отдельно от него. Одно тесно связано с другим, и вместе они образуют четырехмерный «пространственно-временной» континуум. Пространство, как и время, не существует само по себе. Далее, в отличие от ньютоновской модели, здесь нет единого течения времени. Разные наблюдатели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых ими явлений, указывали бы разную их последовательность. В таком случае, два события, одновременные для одного наблюдателя, для других произойдут в различной последовательности. В результате, все измерения в пространстве и времени, которые становятся относительными, теряют свой абсолютный характер. И время, и пространство — лишь элементы языка, который использует некий наблюдатель для описания наблюдаемых явлений.
Понятия времени и пространства настолько основополагающи, что их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Самое важное последствие этого изменения — осознание того, что масса — одна из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е=мс^2 в котором с — скорость света.
Эта константа исключительно важна для теории относительности. Для описания физических явлений, при которых действуют скорости, близкие к скорости света, всегда следует пользоваться теорией относительности. В особенности это касается электромагнитных явлений, одним из которых является свет, и которые подвели Эйнштейна к созданию его теории.
В 1915 году Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, которая, в отличие от специальной, учитывала гравитацию, то есть взаимное притяжение всех тел с большой массой. В то время, как специальная теория была подвержена множеству экспериментов, общая теория еще не нашла своего окончательного подтверждения. И все же она является наиболее широко признанной, последовательной и изящной теорией гравитации, и находит широкое применение в астрофизике и космологии.
Согласно теории Эйнштейна, гравитация способна «искривлять» время и пространство. Это означает, что в искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двухмерная плоскостная геометрия не может быть применена на поверхности сферы. На плоскости, например, мы можем нарисовать квадрат следующим образом: отмерить один метр на прямой линии, отложить прямой угол и снова отмерить один метр, затем отложить еще один прямой угол и снова отмерить метр, наконец, в третий раз отложить прямой угол и, вернувшись в исходную точку, получить квадрат. Однако на поверхности шара эти правила не подействуют. Точно таким же образом евклидова геометрия бесполезна в искривленном трехмерном пространстве. Далее, теория Эйнштейна утверждает, что трехмерное пространство действительно искривлено под воздействием гравитационного поля тел с большой массой.
Пространство вокруг таких тел — планет, звезд и т. д. — искривлено, и степень искривления зависит от массы тела. А поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. Таким образом, общая теория относительности Эйнштейна полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения в пространстве и времени; сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной, и понятие «пустого пространства» также теряет смысл.
Классическая физика рассматривала движение твердых тел в пустом пространстве. Такой подход и сегодня остается уместным, но лишь по отношению к так называемой «зоне средних измерений», то есть в области нашего обыденного опыта, когда классическая физика остается полезной теорией. Оба представления — о пустом пространстве и о твердых материальных телах, — настолько укоренились в нашем мышлении, что нам очень трудно представить себе некую физическую реальность, где бы эти представления не были бы применимы. И все же современная физика, выходя за пределы зоны средних измерений, заставляет нас сделать это. Выражение «пустое пространство» утратило смысл в астрофизике и космологии — науках о Вселенной в целом, а понятие твердого тела было поставлено под сомнение атомной физикой — наукой о бесконечно малом.
В начале века было открыто несколько явлений атомной действительности, необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей — нового вида излучения, быстро нашедшего свое применение в медицине. Однако рентгеновские лучи были не единственным видом излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали известны и другие виды излучений, испускаемых атомами так называемых «радиоактивных элементов». Явление радиоактивности подтверждало, что атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о сложности строения атома.
Эти явления не только активно изучались, но и использовались для еще более глубокого проникновения в тайны природы. Так, Макс фон Лауэ при помощи рентгеновских лучей исследовал атомную структуру кристалла, а Эрнест Резерфорд обнаружил, что так называемые альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутреннего строения атома. Он подвергал атом обстрелу альфа-частицами, определяя по их траекториям после столкновения, как устроен атом.
В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мелкие частицы — электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Электроны были прикованы к ядрам электрическими силами. Непросто представить себе микроскопические размеры атомов, настолько далеки они от наших обычных представлений. Диаметр атома — примерно одна миллионная сантиметра. Представим себе апельсин, увеличенный до размеров земного шара. В таком случае атомы этого апельсина увеличились до размеров вишен. Мириады тесно соприкасающихся вишен, составляющие шар размером с Землю — таковы атомы, из которых состоит апельсин. Таким образом, атом во много раз меньше любого известного нам предмета, но во много раз больше ядра, находящегося в центре атома. Ядро атома, увеличенного до размеров вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным глазом. Для того, чтобы увидеть ядро, нам нужно было бы увеличить атом до размеров самого большого купола в мире — купола собора святого Петра в Риме. В атоме такого размера ядро было бы величиной с песчинку. Крупица песка в центре купола святого Петра и пылинки, вихрем носящиеся вокруг нее в огромном пространстве купола — такими увидели бы мы ядро и электроны.
