Итак, давайте вспомним,
до чего мы все-таки добрались.
Мы добрались до того, что
на сегодняшний день физика считает,
знает или думает, что знает…
Буду все время подчеркивать сомнения,
ибо вся физика всегда строится,
в том числе на сомнении.
Пока есть сомнения, есть развитие и жизнь.
Так вот, мы на сегодняшний день думаем
или считаем, что знаем, что в основе
всей структуры материи лежат
некие элементарные кирпичики,
которые бывают двух сортов:
кварки и лептоны, их таблицы
я приводил в прошлый раз,
которые взаимодействуют между собой
четырьмя разными способами:
гравитационным, электромагнитным,
сильным и, вот еще в самый последний
момент в конце прошлого эпизода
выяснялось, что еще и четвертым способом —
слабым. И все.
Есть еще, кроме кварков и глюонов,
частицы-переносчики этих взаимодействий.
Для электромагнитного взаимодействия
это порция электромагнитного излучения —
фотоны. Для сильного взаимодействия —
это упоминавшиеся глюоны,
склеивающие кварки и не позволяющие
им существовать по отдельности.
Для слабого взаимодействия
это так называемые W-бозоны.
Этим я ограничусь и больше на эту тему
про слабые взаимодействия говорить не буду
просто за отсутствием времени.
Хотя тема потрясающе интересная,
и теория слабого взаимодействия,
великолепно построенная в 70–80 годы,
является одной из самых красивых
физических теорий, созданных людьми.
А вот что с гравитационным?
Может у гравитационного взаимодействия
тоже есть какой-то переносчик.
Ну вот тут вопрос на самом деле
остается подвешенным вплоть до сегодняшнего дня.
Есть физики, которые полагают,
что да, гравитационное взаимодействие
тоже имеет некую частицу-переносчик,
которую даже называют "гравитон".
Но никто их пока, эти гравитоны,
экспериментально не наблюдал.
При этом произносятся такие слова,
что, возможно, это мы не наблюдаем потому,
что гравитация по сравнению
с электромагнитным взаимодействием,
тем более с сильным взаимодействием
и даже со слабым взаимодействием,
во много-много-много раз
на много-много-много порядков
в микромире проявляется слабее.
А в мегамире, как и в теории поля,
большой теории поля, когда у меня
происходит обмен огромным количеством
этих порций излучения,
я воспринимаю эти порции как одно
сплошное поле. Вот в мегамире нам кажется,
что гравитационное поле, оно одно сплошное.
Есть альтернативная точка зрения.
Гравитация отличается от всех
остальных взаимодействий.
Она именно вот такова. Геометрична.
Для нее не надо вводить какую-то
частицу-переносчика типа гравитона
просто потому, что в микромире
гравитация практически никак и не проявляется.
А в мегамире гравитация
настолько красиво описывается, пожалуй,
я бы сказал, даже самой красивой
из всех созданных человечеством когда-либо теорией —
общей теорией относительности Эйнштейна.
Да, есть и другие еще альтернативные модели
в той или иной степени тоже красивые,
но Эйнштейновская красива исключительно,
где никаких квантовых частиц нет,
а есть практически одна геометрия.
И буквально два слова о том,
как описывается гравитация
с точки зрения общей теории относительности.
Как бы ключевой точкой к построению
этой теории и явилось представление
о странном факте единства свойств массы.
Вернее так. Масса появляется в физике
в трех разных ситуациях.
В механике Ньютона инерционная масса
как мера того, насколько трудно
одной и той же силой заставить
двигаться то или иное тело.
Чем труднее, тем больше
у него инерционная масса.
В теории поля как гравитационный заряд.
Это насколько сильное поле
создает вокруг себя масса,
и насколько сильно будет взаимодействие
двух массивных тел:
пропорциональна сила взаимодействия
произведению этих масс.
Ничто не требует, чтобы масса
инерционная из второго закона Ньютона
и масса гравитационная как заряд
были бы тождественно друг другу равны.
А они тождественно друг другу равны.
Первая отправная точка!
Следствием из этой отправной точки
является тот факт, о котором мы тоже
как-то раз в одной из предыдущих лекций упоминали.
Никакими способами нельзя отличить,
что действует на объект:
реальная гравитационная сила
со стороны массивного тела или мнимая,
кажущаяся сила инерции,
появляющаяся от того, что объект
находится в неинерциальной системе отсчета.
Помните, картинку даже рисовали?
Космический корабль летит с ускорением,
и человек в этом корабле
испытывает силу инерции,
которую он воспринимает как силу тяжести,
благодаря которой он может ходить по дну,
по полу в этом космическом корабле.
Никаким способом, если вокруг
он ничего не видит (все замкнутое,
он находится в закрытом пространстве
и не знает, что там наруже,
не видит, что там наруже и приборов у него нет),
он не поймет, то ли он просто
находится на Земле и на него действует
сила гравитации, то ли это корабль
движется с ускорением
и на него действует сила инерции.
Вот, как ни странно, вот из этого отправного факта
строится потрясающая по красоте теория
очень сложная математически.
Вот посмотрите, я воспроизведу
только одну формулу, типичную
из общей теории относительности Эйнштейна.
Не для того, чтобы вы ее поняли,
для того чтобы просто посмотрели
и восхитились красотой начертания,
не более того. Потому что я думаю,
не изучая тензорного анализа и не углубляясь,
в соответствующую математику, понять,
что здесь написано нельзя.
Непонятно, но красиво.
Очень красивая теория,
дающая очень интересные предсказания.
Например, третье свойство массы —
это есть энергия покоя системы,
деленная на с-квадрат. Тоже что-то совершенно отдельное.
Это не инерционное свойство,
это не гравитационное свойство,
но и эта масса неотличима
от гравитационной и инерционной.
Вот из этого факта, что масса одновременно
является и мерой инерции,
и мерой гравитационного заряда,
и мерой энергии покоя, собственно
и строится вся теория гравитации современная,
которая называется "общая теория относительности".
И из нее следуют интересные предсказания.
Вот единство энергетического определения
массы и гравитационного определения массы
приводит к тому, что любой объект,
обладающий энергией, обязан участвовать
в гравитационном взаимодействии.
Например, порции электромагнитного излучения:
у них нет массы, но есть энергия.
Значит, они должны участвовать
в гравитационном взаимодействии.
Луч света, проходя мимо звезды,
должен отклоняться. Откланяется.
И это экспериментально доказано.
Причем отклоняется точно так,
как предсказывает общая теория относительности
в пределах экспериментальной погрешности.
Другое следствие. Если я возьму
очень большую массу и заставлю ее
сжаться в очень маленький объект...
А в мире космическом такие наблюдаются:
гигантские-гигантские звезды,
которые постепенно настолько велики,
что сила гравитации заставляет их сжиматься,
сжиматься, сжиматься, преодолевая
и электромагнитные силы,
вплющивая электроны в протоны,
делая их нейтронами, потом вплющивая нейтроны,
превращая их в кваркглюонную плазму
и делая в конце концов
очень компактный, очень массивный объект.
Настолько он компактный и массивный,
что ни у какого, даже
порции электромагнитного излучения,
фотона не хватит энергии,
чтобы покинуть этот объект
и уйти от него достаточно далеко
против силы гравитации.
Такие объекты называются черными дырами.
Сегодня астрономы считают, что
подобные черные дыры, скорее всего,
уже обнаружены в космосе.
Объект, с которого не может оторваться
даже свет и много-много разного другого.
В частности, например,
из общей теории относительности,
поправленной нашим соотечественником
Дмитрием Фридманом и потом нашим бывшим
соотечественником Георгием Гамовым,
развивавшим эту теорию, следует,
например, что Вселенная как целое
не может находиться в стационарном состоянии.
Я сейчас расшифрую эту странную фразу.
То, что думали на протяжении миллионов лет:
вот все, что мы видим
такое, как сейчас, было миллиарды лет назад,
будет через миллиарды лет назад —
неизменное небо, неизменная конфигурация звезд.
Оказывается, уравнение физики
такое решение не содержит.
Оказывается, все, что мы видим сейчас,
должно либо все разлетаться,
увеличивая среднее расстояние между звездами,
планетами, либо сжиматься, уменьшая их.
Наблюдения показывают, что разлетается.
Вы наверняка слышали такой термин:
«теория большого взрыва».
Когда-то было все очень плотное,
сжатое почти в точку,
и вдруг начало разлетаться.
Я не знаю, как вот эта теория большого взрыва
подтверждается таким огромным количеством
разных наблюдений за тем,
как это все устроено во вселенной в целом,
что на сегодняшний день в общем,
так сказать, мало людей, профессионально занимающихся
этой деятельностью, которые в ней сомневаются.
Ну вот я дошел практически до сегодняшнего дня.
Я надеюсь, что какую-то цель,
которую я ставил пред собой,
хоть частично я достиг.
Мне хотелось, чтобы вы почувствовали,
что физика — это красиво.
Что логика и загадки, которые загадывает
нам природа в сочетании
с попытками отгадать их, опираясь на то,
как устроено наше собственное сознание,
наша логика, опираясь на то,
как мы думаем о том, как должен быть устроен
этот мир в самых-самых общих терминах
(однородным по времени, однородным в пространстве),
и дающие такие потрясающие результаты,
она вдохновляет эта физика.
Область деятельности, если заняться ей,
она правда интересна.
А даже если вы и не будете
никогда заниматься физикой, знать о том,
как устроен мир и что не авторитет автора
того или иного утверждения
свидетельствует в пользу его верности,
а только логика и опора на
общие представления об устройстве мира
и на эксперимент. Только это.
Не от того закон верен,
что его сказал авторитетный человек,
а от того, что он опирается на логику.
Эту логику может проследить любой из вас.
И только проследив, понять, что да,
действительно, похоже, это и должен быть закон.
В большинстве, в очень большом количестве
случаев человечество ориентируется на авторитеты.
Вот это утверждение верно потому,
что его произнес такой выдающийся человек.
А почему он, черт побери, выдающийся?
А потому, что он такое верное
утверждение когда-то произнес.
А не порочный ли это круг?
Верное утверждение проверяется логикой,
здравым смыслом, математикой, опорой на эксперимент,
но никогда не авторитетом.
Вот это тоже мысль, которую мне хотелось донести.
Я вынужден завершить мой курс.
Я очень надеюсь, что те,
кто заинтересовался, продолжат узнавать о физике
что-то уже из других источников,
может из каких-то последующих курсов,
я надеюсь, с участием и нашего университета.
А пока до свидания!