Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Наука о развитии зародышей сама по-прежнему находится в зародыше. Тем не менее мы приближаемся к тому, чтобы установить, как формируются сердечные клапаны, легкие и другие органы. В грядущие десятилетия открытия в этой области, возможно, помогут найти методики лечения болезней и врожденных пороков, об излечении которых сегодня нам приходится только мечтать.

Некоторые критики утверждают, что ученые в своем стремлении объяснить все на свете сводят чудеса Вселенной к уравнениям и химическим реакциям. На это я отвечу так: выйдите однажды на пляж и посмотрите сквозь пальцы на волны и песчаные дюны. Вспомните, что в основе всего этого лежат одни и те же фундаментальные законы природы. Вспомните, что все эти чудесные структуры появляются в результате затрат свободной энергии и начинаются с крошечных несовершенств.

Горизонт событий

Бекенштейн и Хокинг первыми отправились в далекую страну и нашли там золото.

Физик-теоретик Леонард Зюскинд

Ваша идея настолько безумна, что, возможно, верна.

Физик Джон Уилер своему студенту Джейкобу Бекенштейну

К 1970-м годам термодинамика проделала долгий путь. Ее начала легли в основу развития биологии, химии, инженерии и физики. Но одна область науки держалась до конца: считалось, что на дальних рубежах космоса наблюдаются феномены, которые единственные во Вселенной не подчиняются законам термодинамики. В частности, их поведение, казалось, противоречило второму началу, гласящему, что энтропия замкнутой системы, такой как наша Вселенная, всегда увеличивается. Такое поведение демонстрировали объекты, оправдывающие самые смелые предсказания общей теории относительности Эйнштейна, — черные дыры.

Черные дыры — это странные области пространства, куда может упасть что угодно, но откуда (почти) ничто не может выбраться.

Эти странные сущности представляют собой следствие главной работы Альберта Эйнштейна, общей теории относительности, опубликованной в ноябре 1915 года. Она должна была развить идеи специальной теории, которая показывала, что произойдет, если считать законы физики одинаковыми для всех наблюдателей, с какой бы скоростью они ни двигались. Однако специальная теория относительности не рассматривала следствия того же предположения при движении наблюдателей, если скорости их меняются. Как создать согласованные законы физики для всех наблюдателей, даже если их скорость растет или если, что особенно важно, они движутся под влиянием гравитации? Именно такой вопрос стоял перед общей теорией относительности.

Эйнштейн понимал, что необходимо заменить теорию тяготения Исаака Ньютона, опубликованную в 1687 году. Необходимо было также сделать еще более странным определение пространства и времени, предложенное в специальной теории. Чтобы интуитивно понять новое представление о реальности, нам стоит воссоздать в своем воображении один из самых знаменитых мысленных экспериментов Эйнштейна, пришедший ему в голову в 1907 году и ставший, как ученый отметил впоследствии, “счастливейшей мыслью в [его] жизни”.

Представьте физика Алису, которая находится в камере без окон в глубинах космоса, вдалеке от гравитационного воздействия звезд и планет. Она плавает по камере, не чувствуя притяжения ни в одну из сторон. Когда Алиса пытается взвеситься, привязав весы к подошвам своих ног, она не оказывает на эти весы давления. Следовательно, весы фиксируют нулевой вес: Алиса невесома.

Теперь представьте, что камера находится не в глубинах космоса, а всего в 50 км над землей, на нулевом меридиане прямо над лондонским районом Гринвич. Камера, как выясняется, летит вниз в свободном падении. Это значит, что сама камера и ее обитательница, Алиса, ускоряются, все быстрее приближаясь к земной поверхности. Важно, что и камера, и Алиса ускоряются в одном и том же темпе. Еще Галилей отметил, что тела падают с одной скоростью независимо от своей массы. Один из помощников Галилея Винченцо Вивиани вспоминал, как великий физик продемонстрировал это свойство, сбросив два тела разной массы с верхушки Пизанской башни и показав, что о землю они ударились одновременно. Историки не знают, насколько правдива эта история, но Галилей точно спускал шары разной массы по наклонной плоскости, чтобы показать, что все они проходят заданное расстояние за одинаковое время.

Вернемся к Алисе, заключенной в камеру, падающую над Гринвичем. Поскольку Алиса и камера летят вниз с одной скоростью, Алисе кажется, что она плавает по камере точно так же, как плавала, пока камера находилась в космосе. Если Алиса взвесится, весы снова покажут ноль. Алиса никак не сможет понять, что приближается к земле с возрастающей скоростью, пока камера не ударится о земную поверхность. До момента фатального столкновения с землей внутри камеры земная гравитация остается неощутимой. “Для наблюдателя в свободном падении во время падения не существует никакого гравитационного поля”, — отметил Эйнштейн. Тот факт, что пребывание в свободном падении не отличить от пребывания в зоне нулевой гравитации, называется принципом эквивалентности.

Теперь расширим картину. Представьте вторую камеру, которая также находится в р км над землей над нулевым Гринвичским меридианом. Эта камера падает одновременно с камерой Алисы в 50 км южнее. Вторая камера сделана из более тяжелого материала, чем первая. Внутри нее другой физик, Боб, который весит на 20 кг больше Алисы.

С поверхности земли за падением камер наблюдает физик Клео. Она обладает дальним рентгеновским зрением, которое позволяет ей видеть сквозь стены. Но что же она видит? Она видит, что по мере движения вниз все тела — и камеры, и пассажиры — ускоряются в одинаковом темпе. Кроме того, Клео видит, что камеры не только падают, но и становятся все ближе друг к другу: горизонтальное расстояние между ними сокращается. Камеры сближаются гораздо медленнее, чем падают, но сближение идет непрерывно.

Весьма любопытно, что Клео видит, как камеры становятся ближе друг к другу. Чтобы объяснить их сближение, необходимо прежде всего обратиться к закону тяготения Исаака Ньютона. Он гласит, что существует некая сила, которая притягивает все к центру Земли. Поскольку сила направлена внутрь, в одну точку, которой является центр Земли, притягивая две камеры вниз, она также сближает их друг с другом в процессе падения.

Эта ньютонова сила объясняет увиденное Клео, но рождает множество вопросов. Первым делом отметим, что все падающие тела — два человека и две камеры — имеют разную массу. Тем не менее они ускоряются в одном темпе, а это значит, что сила, притягивающая каждое из тел, не просто варьируется, а варьируется ровно в такой степени, чтобы обеспечить одинаковый темп ускорения. Но как Земля это делает? Как она варьирует свое тяготение, чтобы учесть массу каждого притягиваемого тела? Далее возникает вопрос с радиальным характером земного тяготения. Такое впечатление, что центр Земли проводит “линии прицеливания” к каждому объекту в непосредственной близости от поверхности. Иными словами, Земля словно измеряет расстояние от собственного центра до каждого тела в окрестностях, а также измеряет массу этих тел. Далее ей необходимо рассчитать точное количество силы, которое необходимо применить к каждому из тел, и направление приложения этой силы. После этого она мгновенно прикладывает нужную силу ко всем телам, падающим вниз.