Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев

открытию неизвестных ранее лучей. Открытие Рентгена сильно повлияло на развитие науки и в сочетании с другими открытиями заставило пересмотреть целый ряд положений классической физики.

Было открыто рентгеновское излучение. Был открыт феномен радиоактивности. Исследования глубинной структуры вещества позволили разобраться в структуре атомов, о которых когда-то говорил Демокрит. Сложные опыты показали, что атомы состоят из тяжелых ядер (для каждого типа атома — своих), несущих положительный электрический заряд, и витающих вокруг ядер легких частиц, несущих минимально возможный отрицательный электрический заряд, — электронов. Позднее удалось выяснить, что в ядрах атомов присутствуют положительно заряженные протоны (их масса примерно в 1800 раз больше, чем у электрона) и близкие к протонам по массе нейтроны — частицы без электрического заряда.

Достижения физиков были удивительны. Размер электрона оказался меньше 10−20 см (сантиметр, разделенный на сто миллиардов миллиардов частей!) Тем не менее новые научные приборы позволяли чувствовать отдельные электроны и даже давать информацию об их свойствах. Оказалось, что атомы всегда электрически нейтральны (число протонов в ядре всегда равно числу электронов, движущихся вокруг ядра). Электроны же располагаются в пространстве вполне определенным образом, формируя так называемые электронные оболочки. Выяснилось, что именно от свойств электронных оболочек зависят химические свойства того или иного ­атома. Удалось установить, что частицы света (фотоны) могут поглощаться электронными оболочками атомов, а энергия поглощенного света приводит к перестройке электронных оболочек. Так удалось объяснить происхождение линий поглощения Фраунгофера в спектрах и многое другое.

Сама природа света также подверглась интенсивным исследованиям. Выдающийся английский физик Джеймс Максвелл (1831–1879) построил теорию электромагнетизма. Ему удалось показать, что электричество и магнетизм неразделимы, что это две стороны одного и того же физического феномена. Все известные свойства этого феномена он описал математически, получив четыре знаменитых уравнения Максвелла. Если рассмотреть свойства решения этих уравнений, получалось нечто удивительное: свет представляет собой волну, которая распространяется сквозь пустое пространство (вакуум) с постоянной скоростью с.

Но какая именно волна распространяется? Мы знакомы с волнами на поверхности моря и понимаем, что такие волны связаны с движениями частиц воды. Но что движется в пустоте, в пространстве, где ничего нет?

Физики были вынуждены ввести понятие поля. Опыты показывали, что, например, магнит оказывает влияние (создает некую силу), воздействующее на намагниченные предметы. То же самое наблюдается и в опытах со статическим электричеством: электрический заряд действует на другие заряды (на противоположные по знаку — притягиваясь, на одноименные — отталкиваясь) на расстоянии. При этом оказалось, что сила воздействия электрического заряда убывает обратно пропорцио­нально квадрату расстояния — как и в случае с силой тяготения.

Как действует на расстоянии, причем подчас гигантском, сила тяготения (либо электрическая, либо магнитная)? Сила как-то действует через пустое пространство. Это значит, что масса (в случае тяготения), а также электрический заряд либо магнит передают свое воздействие через само пространство. А у пространства, благодаря помещенным в него массе либо электрическому заряду, появляются дополнительные свойства. Их удалось описать с помощью понятия поля. Это означает, что каждая точка пространства обладает каким-то свойством — например, свойством притягивать или отталкивать частицу с электрическим зарядом.

Итак, решение уравнений Максвелла описывало свойства электромагнитного поля. Согласно результатам ученого, магнитное и электрическое поля должны всегда располагаться перпендикулярно как друг другу, так и направлению распространения электромагнитной волны. Если зафиксировать какую-то точку в пространстве, через которую проходит эта волна, можно обнаружить, что в этой точке электрическое и магнитное поля колеблются по закону синуса в перпендикулярных друг другу плоскостях. Эксперименты показали, что именно так все и происходит.

В уравнениях Максвелла фигурировала величина с — это некая константа, постоянная величина, имеющая размерность скорости. Собственно, это была скорость, с которой распространяется электромагнитная волна.

Замечательно, что скорость распространения электромагнитной волны с оказалась равной скорости света — 300 тысяч километров в секунду! Таким образом, подтвердилась гипотеза о том, что свет — это и есть электромагнитная волна, которая распространяется с такой скоростью[24].

Волновые свойства света были известны уже давно. В течение всего прошедшего с тех пор времени факты свидетельствовали в пользу этой теории: свет — это электромагнитная волна. Получалось, что вся Вселенная заполнена электромагнитным полем. Оно проявляется в виде электромагнитных волн, которые со скоростью света с распространяются (бегут) во все стороны от своих источников — в ­основном от звезд.

Почему мы говорим об этом в книге?

Во-первых, было обнаружено новое свойство мира, которые мы теперь должны учитывать: во Вселенной существует не только вещество, состоящее из атомов (а атомы — из протонов, нейтронов и электронов[25]), но и поля. Мы пока что отметили два типа известных нам полей — гравитационное, порождаемое телами, обладающими массой (а массой обладают все частицы вещества, которые нам известны), и электромагнитное, порождаемое электрическими зарядами (точнее, движущимися электрическими зарядами).

Электромагнитные волны могут быть всевозможной длины. Самые короткие волны мы называем гамма-излучением. Немного больше длина волны у рентгеновского излучения, еще больше — у ультрафиолетового. Длиннее волны у так называемого видимого излучения: его может регистрировать ­человеческий глаз как свечение разного цвета, от фиолетового до красного. Длина волны у инфракрасного излучения больше, чем у красного. Наш глаз уже не воспринимает такие волны, но зато мы их чувствуем кожей как тепло. Еще большей длиной волны обладает так называемое миллиметровое излучение, а дальше начинается диапазон длинных радиоволн. Все это — типы электромагнитного излучения. Чем меньше длина волны, тем большую энергию несет излучение. Наиболее энергичны ­гамма- и рентгеновское излучения, поэтому они могут проникать даже сквозь твердые тела.

Схема диапазонов электромагнитных волн от гамма- до радиоволн.

Итак, оказалось, что вся Вселенная наполнена электромагнитным излучением. И хотя некоторые волны не проходят из космоса сквозь атмосферу Земли[26], специальные детекторы на космических аппаратах подтверждают, что это действительно так.

Пространство наполнено не только электромагнитными волнами, но и гравитационными полями, которые создают все тела во Вселенной. Гравитационное поле довольно слабое, и поэтому нужны гигантские массы, чтобы почувствовать создаваемую этим полем силу притяжения. Мы чувствуем силу притяжения Земли, поскольку у нас под ногами (совсем близко!) громадная масса (число килограммов выражается единицей с 24 нулями). Эта масса обладает огромным тяготением — благодаря этому мы давим своим весом на пол и не можем летать по комнате. А огромная масса Солнца (единица и еще тридцать нулей, если выражать ее в килограммах) заставляет летящую со скоростью 30 км/с Землю бесконечно кружить вокруг нашего светила, не отпуская ее