Генезис. Небо и Земля. Том 1. История

§212. Норвежский исследователь и физик Кристиан Биркеланд (1913) писал: «кажется естественным следствием нашей точки зрения считать, что все пространство заполнено электронами и летающими электрическими ионами всех видов. Мы предположили, что каждая звездная система в процессе эволюции выбрасывает в космос электрические частицы. Поэтому не кажется неразумным думать, что большая часть материальных масс во Вселенной находится не в солнечных системах или туманностях, а в «пустом пространстве». [447]

§213. Жорж Саньяк (1913) установил и описал эффект появления фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом интерферометре. [448] Величина эффекта прямо пропорциональна угловой скорости вращения интерферометра, частоте излучения и площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре[145 - Эффект используется в кольцевых лазерных гироскопах для определения угловой скорости в системах инерциальной навигации.]. Эффект Саньяка проявляется и при кольцевом распространении волн неэлектромагнитной природы.

§214. В начале 1913 года Нильс Бор работал над тем, чтобы устранить противоречия между классическими законами физики и предложенной Резерфордом планетарной моделью атома. [449] Бор по совету спектроскописта Ханса Хансена обратил внимание на спектральные формулы Бальмера и Ридберга, для которых пока был не ясен их физический смысл. Увидев их, Бор прояснил, что целые числа в формуле оказались разрешёнными орбитами, а спектральные линии – следствием квантовых переходов электронов с одной орбиты на другую.

§215. Эйнштейн (1914) указал, что математические уравнения, описывающие законы природы, не должны изменять своего вида и быть справедливыми при преобразованиях к любым координатным системам, то есть быть ковариантными[146 - Ковариантный – матем. о системах переменных: одинаково преобразующийся при линейном однородном преобразовании. Ковариант – математическая функция коэффициентов и переменных которая, при линейном преобразовании, обращается в такую же функцию коэффициентов и переменных преобразованной формы и приобретает лишь множитель некоторой степени модуля преобразования] относительно любых преобразований координат, и тем самым указал принцип общей ковариантности, который вытекает из принципа эквивалентности. [450] Только в малых областях можно находить системы координат, в которых, в силу принципа эквивалентности, отсутствуют эффекты гравитации. Поэтому принцип общей ковариантности применим только в масштабах, малых по сравнению с масштабами гравитационного поля. [451]

§216. Эйнштейн (1915) описал общую теорию относительности, в которой приводится, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, а деформацией самого пространства-времени, в котором они находятся. Эта деформация связана, в частности, с присутствием массы-энергии. [452,453] Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей, однако в меньшей степени, чем специальная теория, экспериментально проверена. В ней содержаться несколько принципиальных проблем, и пока допустимы некоторые из альтернативных теорий гравитации. Тем не менее, в отличие от многих из альтернативных теорий, по мнению научного сообщества, общая теория относительности в области применимости пока соответствует всем известным экспериментальным фактам и является «стандартной теорией», признанной научным сообществом основной.

§217. Эффект гравитационной линзы был предсказан Эйнштейном, который в 1915 году в рамках общей теории относительности впервые правильно вычислил угол отклонения луча света в гравитационном поле компактного объекта. [454] При этом предположение гравитационного отклонения света высказывал Исаак Ньютон в 1704 году в своей работе «Оптика». [455] Но после Эйнштейна некоторые ученые внезапно поняли, что можно было бы проверить часть его спорной теории общей теории относительности (которая по большому счету является теорией гравитации) путем измерения этого изгиба света[147 - Во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года английские астрономы измерили отклонение света звезд, проходящего вблизи поверхности Солнца: смещение изображений звезд составило 1,75І в полном согласии с предсказанием Эйнштейна.]. Согласно Эйнштейну, масса (например, Земля или Солнце) создает искривленное поле пространства-времени, что именуют гравитацией. Кроме того, если луч света входит в это искривленное пространство-время, он тоже будет следовать этой кривой. Или, другими словами, гравитация сгибает свет. [456]

§218. Альберт Эйнштейн (1916) предсказал существование гравитационных волн. [459,460] После ряда наблюдений и соображений астрономы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (BICEP) (2014) сообщили об обнаружении первичных гравитационных волн при измерениях флуктуаций реликтового излучения. [461] Обнаруженные флуктуации считаются не имеющими реликтового происхождения, а объясняются излучением пыли в Галактике. Спустя век после предсказания Эйнштейна международными коллаборациями LIGO и Virgo в 2016 году[148 - Впервые сообщено о прямом наблюдении взаимодействующих массивных тел в сверхсильных гравитационных полях со сверхвысокими относительными скоростями (v / c> 0,5), что позволило проверить корректность ОТО с точностью до нескольких постньютоновских членов высоких порядков. Измеренная дисперсия гравитационных волн не противоречит сделанным ранее измерениям дисперсии и верхней границы массы гипотетического гравитона (<1,2 ? 10

 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать] сообщено об обнаружении события прохождения гравитационных волн GW150914 при взаимодействии двух черных дыр. [462] За это открытие одним из лауреатов Нобелевской премии в 2017 году стал Кип Торн, который стоял у истоков создания обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).

§219. Ганс Рейсснер и Гуннар Нордстрём (1916) предложили решение уравнений Эйнштейна-Максвела, описывающих заряженную черную дыру. [457,458] Это статичное решение уравнений, которое соответствует гравитационному полю для сферически-симметричной чёрной дыры с зарядом, обладающим массой, но без вращения.

§220. Карл Шварцшильд (1916) предложил сингулярное статическое точное решение[149 - Существование чёрных дыр следует из точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом. Сам термин «черная дыра» придуман Джоном Арчибальдом Уилером в конце 1967 года и впервые употреблён в публичной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» (Our Universe: the Known and Unknown) 29 декабря 1967 года. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары» (от англ. collapsed stars), а также «застывшие звёзды» (англ. frozen stars).] уравнений поля Эйнштейна для гравитационного поля вне невращающегося сферически симметричного тела с массой, описывающее минимальную черную дыру. [463] Шварцшильд ввел в научный обиход понятие гравитационного радиуса, который представляет собой характерный радиус, определённый для любого физического тела, обладающего массой: это радиус сферы, на которой находился бы горизонт событий, создаваемый этой массой (с точки зрения общей теории относительности), если бы она была распределена сферически-симметрично, была бы неподвижной (в частности, не вращалась, но радиальные движения допустимы), и целиком лежала бы внутри этой сферы[150 - Радиус Шварцшильда для Солнца составляет приблизительно 3,0 км, тогда как радиус Земли-всего около 9 мм, а радиус Луны-около 0,1 мм. Масса наблюдаемой Вселенной имеет радиус Шварцшильда приблизительно 13,7 миллиарда световых лет. Любой объект, радиус которого меньше радиуса Шварцшильда, называется черной дырой. Поверхность в радиусе Шварцшильда действует как горизонт событий в невращающемся теле (вращающаяся черная дыра работает несколько иначе). Ни свет, ни частицы не могут выйти через эту поверхность из области внутри, отсюда и название «черная дыра». Черная дыра – это сферическая область в пространстве, которое окружает сингулярность в ее центре; это не сама сингулярность. Черные дыры можно классифицировать по радиусу Шварцшильда или, что эквивалентно, по плотности. Поскольку радиус линейно связан с массой, в то время как заключенный объем соответствует третьей степени радиуса, малые черные дыры, следовательно, гораздо плотнее больших. Объем, заключенный в горизонт событий наиболее массивных черных дыр, имеет среднюю плотность ниже, чем звезды главной последовательности. Сверхмассивная черная дыра (SMBH) является самым крупным типом черной дыры, хотя есть несколько официальных критериев того, как такой объект считается так, порядка сотен тысяч до миллиардов солнечных масс. (Обнаружены сверхмассивные черные дыры размером до 21 миллиарда (2,1 ? 10

) м?, такие как NGC 4889). В отличие от черных дыр со звездной массой, сверхмассивные черные дыры имеют сравнительно низкую среднюю плотность. С учетом этого средняя плотность сверхмассивной черной дыры может быть меньше плотности воды. Радиус Шварцшильда тела пропорционален его массе и, следовательно, его объему, предполагая, что тело имеет постоянную плотность массы. Напротив, физический радиус тела пропорционален кубическому корню его объема. Поэтому, поскольку тело накапливает вещество при заданной фиксированной плотности, его радиус Шварцшильда будет увеличиваться быстрее, чем его физический радиус. Когда тело с такой плотностью вырастет до 136 миллионов солнечных масс (1,36 ? 10

 м?), его физический радиус будет захвачен радиусом Шварцшильда, и, таким образом, оно образует сверхмассивную черную дыру. Считается, что сверхмассивные черные дыры, подобные этим, не образуются сразу после сингулярного коллапса скопления звезд. Вместо этого они могут начать жизнь как меньшие черные дыры размером со звезду и увеличиваться за счет аккреции материи или даже других черных дыр. Небольшая масса имеет чрезвычайно малый радиус Шварцшильда. Масса, подобная горе Эверест, имеет радиус Шварцшильда гораздо меньше нанометра. Его средняя плотность при таком размере была бы настолько высока, что ни один известный механизм не мог бы сформировать такие чрезвычайно компактные объекты. Такие черные дыры могли образоваться на ранней стадии эволюции Вселенной, сразу после Большого Взрыва, когда плотность была чрезвычайно высока. Поэтому эти гипотетические миниатюрные черные дыры называются первичными черными дырами.]. Ранее подобные расчеты радиуса сферически симметричного тела, у которого скорость выхода равна скорости света, с использованием ньютоновской механики предлагали Мичелл и Лаплас. [464,465]

§221. Виллем де Ситтер (1916—1917) в своих работах «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях» выдвинул космологическую модель Вселенной, которая предсказывает возможность быстрых движений космических объектов, и послужила отправной точкой позднейших теорий расширяющейся Вселенной. Он предположил, что скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием. [466]

§222. Вследствие принципа причинности Эйнштейна (1917) любое событие может оказать причинно-следственное влияние только на те события, которые происходят позже него, и не может оказать влияние на любые события, совершившиеся раньше него. [467] Инвариантность причинно-следственной связи в теории относительности связана с принципом близкодействия, которым установлено, что скорость передачи причинного взаимодействия конечна и не может превышать скорости света в вакууме. В отличие от физики Ньютона, основанной на принципе дальнодействия, теория относительности базируется на физическом принципе близкодействия, что является следствием этого постулата причинности для временной последовательности событий и независимости скорости света от выбора системы отсчета. Причинность обладает следующими свойствами: 1. Причинность есть отношение не между вещами, а между событиями; 2. Условие, по которому скорость причинного действия конечна и не может превышать скорости света в вакууме однозначно определяет условие возможности существования причинной связи между двумя событиями: причинно связанными могут быть лишь такие события, квадрат расстояния между которыми в трехмерном пространстве не превышает величины разделённые времениподобным интервалом. В теории относительности причинно связанные события находятся на времениподобных линиях в пространстве Минковского; 3. Причинность релятивистски инвариантна, то есть два события, являющиеся следствием и причиной в одной инерциальной системе отсчета, являются следствием и причиной и во всех остальных инерциальных системах отсчёта, движущихся относительно её со скоростью, меньшей скорости света. Инвариантность причинности вытекает из физического принципа близкодействия.

§223. В 1915—1917 годах Альберт Эйнштейн опубликовал ряд работ по общей теории относительности, в которых он описал гравитацию как геометрическое свойство[151 - Многообразия постоянной кривизны наиболее известны в случае двух измерений, где поверхность сферы является поверхностью постоянной положительной кривизны, плоская (Евклидова) плоскость -поверхностью постоянной нулевой кривизны, а гиперболическая плоскость – поверхностью постоянной отрицательной кривизны. Общая теория относительности Эйнштейна ставит пространство и время в равное положение, так что вместо раздельного рассмотрения пространства и времени рассматривается геометрия единого пространства-времени. Случаями пространства-времени постоянной кривизны являются пространство де Ситтера (положительное), пространство Минковского (нулевое) и анти-пространство де Ситтера (отрицательное). Как таковые, они являются точными решениями уравнений поля Эйнштейна для пустой Вселенной с положительной, нулевой или отрицательной космологической постоянной соответственно. Пространство анти-де Ситтера (AdS) обобщается на любое число пространственных измерений. В более высоких измерениях он наиболее известен своей ролью в соответствии AdS/CFT, которое предполагает, что можно описать силу в квантовой механике (например, электромагнетизм, слабое взаимодействие или сильное взаимодействие) в определенном числе измерений (например, четыре) с помощью теории струн, где струны существуют в пространстве анти-де Ситтера, с одним дополнительным (некомпактным) измерением.] пространства-времени. [468] Эйнштейн применил свою общую теорию относительности к структуре Вселенной в целом. Поскольку в то время не было известно доказательств существования динамической Вселенной, Эйнштейн ввел в уравнения поля «космологическую постоянную», чтобы теория могла предсказать статическую Вселенную. Модифицированные уравнения поля предсказывали статическую Вселенную замкнутой кривизны в соответствии с пониманием Эйнштейном принципа Маха. [469] Эта модель стала известна как мир Эйнштейна или статическая Вселенная Эйнштейна. Впоследствии данные утверждения о космологической постоянной и статической модели Эйнштейном (1931) были пересмотрены, когда он исследовал модель расширяющейся Вселенной, в которой плотность материи остается постоянной из-за непрерывного создания материи – процесса, который он связал с космологической постоянной. [470]

§224. Харлоу Шепли (1917—1918) предложил модель нашей Галактики, согласно которой звёзды и туманности образуют плоскую линзообразную систему диаметром 300 000 световых лет и толщиной 30 000 световых лет с центром, расположенным в направлении созвездия Стрельца, а шаровые скопления образуют почти сферическую концентричную с ней систему такой же протяжённости в плоскости Млечного Пути. [471] Солнце, согласно модели Шепли, находится на расстоянии 50 000 световых лет от центра Галактики. В дальнейшем шкала галактических расстояний была пересмотрена, но общая схема строения Галактики подтверждена.

§225. Эмми Нётер (1918) доказала теорему, что каждой непрерывной симметрии физической системы соответствует некоторый закон сохранения: однородности времени соответствует закон сохранения энергии, однородности пространства соответствует закон сохранения импульса, изотропии пространства соответствует закон сохранения момента импульса, калибровочной симметрии соответствует закон сохранения электрического заряда и так далее. [472] Теорема обычно формулируется для систем, обладающих функционалом действия, и выражает собой инвариантность лагранжиана по отношению к некоторой непрерывной группе преобразований. Если действие инвариантно относительно n-параметрической непрерывной группы преобразований, то существует n независимых законов сохранения. Теорема Нётер формулирует достаточное условие существования законов сохранения. Однако это условие не является необходимым, поэтому могут существовать законы сохранения, не следующие из неё. [473] Известна теорема, формулирующая необходимые и достаточные условия существования законов сохранения. [474] В теоретической физике выражения, стоящие под знаком дивергенций[152 - Диверге?нция (от лат. divergere – обнаруживать расхождение) – дифференциальный оператор, отображающий векторное поле на скалярное (то есть, в результате применения к векторному полю операции дифференцирования получается скалярное поле), который определяет (для каждой точки), «насколько расходится входящее и исходящее из малой окрестности данной точки поле», точнее, насколько расходятся входящий и исходящий потоки.], называются токами. Если лагранжевы производные равны нулю (выполняются уравнения Эйлера), то дивергенции токов обращаются в нуль. Следствием этого являются дифференциальные законы сохранения.

§226. Энни Джамп Кэннон с коллегами (1918—1924) из Гарвардской обсерватории под руководством Пикеринга создали Каталог Генри Дрейпера (Henry Draper Catalogue, HD), содержащий спектроскопическую информацию о 225 300 ярких звёздах светимостью до 9m, пронумерованных в простом порядке возрастания их прямых восхождений. [475] Каталог был назван в честь астронома Генри Дрейпера, чья вдова пожертвовала деньги на его создание. При подготовке данного каталога первым результатом, который лег в его основу, стал Каталог звездных спектров Дрейпера, подготовленный Пикерингом и опубликованный в 1890 году. [476] Каталог был первой попыткой систематического изучения спектров звёзд. Спектры звёзд были отсортированы по так называемой гарвардской классификации. Эта классификация используется до сих пор и лежит в основе современной астрофизики. Позже были опубликовано добавление – Henry Draper Extension (HDE), содержащее данные о более чем 400 тысяч звёзд. [477]

§227. После идентификации Хартманом межзвездного поглощения кальция межзвездный натрий был обнаружен Мэри Леа Хегер (1919) путем наблюдения стационарного поглощения от линий атома «D» на 589,0 и 589,6 нанометров в направлении Дельта Ориона и Бета Скорпиона. [478]

§228. Эрнест Резерфорд (1919) выяснил, что ядерные трансформации могут быть источником энергии Солнца, когда в ходе опытов увидел, что ядра азота, обстреливаемые быстродвижущимися альфа-частицами, преобразуются в ядра кислорода. [479]

§229. Артур Стэнли Эддингтон[153 - В 1919 году Артур Стэнли Эддингтон возглавил экспедицию на остров Принсипи в Гвинейском заливе, в экваториальной Африке. 29 мая должно было произойти полное солнечное затмение. Королевский астроном Великобритании сэр Фрэнк Дайсон указал, что именно это полное затмение Солнца произойдет перед очень плотным скоплением звезд, называемым Гиадами. Во время полного солнечного затмения команда Эддингтона сфотографировала затмеваемое Солнце и звезды рядом с ним. Он хотел увидеть, насколько сила тяжести Солнца искривляет свет этих звезд. Сделав снимок Солнца, он также запечатлел расположение звезд в Гиадах, в то время как свет от этих звезд проходил близко к огромной гравитации Солнца. Преимущество фотографирования во время полного затмения состояло в том, что яркость Солнца не размывала слабое изображение звезд. Шесть месяцев спустя, ночью, когда Солнце не гнуло свет от звезд, Эддингтон снова сфотографировал Гиады. И он обнаружил, с плохой точностью, которая была доступна в те дни, что свет далеких звезд на Гиадах был слегка согнут гравитацией Солнца. Когда он сравнил две фотографии звезд в Гиадах (с солнечным затмением и без него), была небольшая разница в их положении. Эддингтон пытался измерить сдвиг в положении этих звезд, эквивалентный диаметру лампочки на расстоянии около 12 километров. Они пытались измерить расстояние на фотопластинках размером в сотую миллиметра. Но ученые того времени говорили, что они могут измерить какое-то изменение видимого положения звезд, и после этого мир провозгласил Эйнштейна гением.] в 1919 году экспериментально в ходе экспедиции для наблюдения затмения на португальский остров Принсипи в Африке, своими астрономическими расчетами подтвердил отклонение лучей света в поле тяготения Солнца. [480] Термин «линза», подразумевающий отклонение света из-за гравитации, был использован Оливером Джозефом Лоджем (1919), который отметил, что «недопустимо говорить, что гравитационное поле Солнца действует как линза, поскольку у него нет фокусного расстояния». [481]

§230. Британский физик Фрэнсис Уильям Астон (1920) обнаружил, что суммарный эквивалент массы четырех атомов водорода тяжелее, чем суммарная масса одного атома гелия (He-4), что подразумевало, что чистая энергия может быть высвобождена путем объединения атомов водорода вместе, чтобы сформировать гелий, что дало первые намеки на механизм, с помощью которого звезды могли бы производить энергию в измеряемых количествах. [482] Главным сторонником протон-протонной цепной реакции (РР-реакции) как первичной системы, управляющей Солнцем, стал Эддингтон. Нейтроны от термоядерного синтеза были впервые обнаружены сотрудниками Эрнста Резерфорда. Эксперимент был разработан Марком Олифантом и включал ускорение протонов к цели при энергиях до 600 тысяч электрон-вольт. [483] В 1933 году Кавендишская лаборатория получила в подарок от американского физико-химика Гилберта Ньютона Льюиса несколько капель тяжелой воды. Ускоритель использовался для стрельбы тяжелыми ядрами водорода дейтронами по различным целям. Работая с Резерфордом и другими учеными, Маркус Лоренс Элвин «Марк» Олифант (1934) открыл ядра гелия-3 (гелионы) и трития (тритоны). [484] Теория была подтверждена Гансом Бете в 1939 году, который показал, что бета-распад и квантовое туннелирование[154 - Квантовое туннелирование – это способность частиц проникать за энергетический барьер, величина которого превышает энергию этих частиц. Туннельный эффект – явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике и даже полностью противоречащее ей. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д.] в ядре Солнца могут превратить один из протонов в нейтрон и таким образом произвести дейтерий, а не дипротон (гелий-2). [485] Затем дейтерий будет плавиться через другие реакции, чтобы еще больше увеличить выход энергии. За эту работу Бете получил Нобелевскую премию по физике 1967 года.

§231. Эйнштейн (1920) в своей знаменитой лекции «Эфир и теория вероятности», заключая свою работу вывел, «что общая теория относительности наделяет пространство физическими свойствами, что не может привести к отрицанию существования эфира. Если рассматривать общую теорию относительности, то пространство невозможно без эфира. В утверждении обратного пространство не сможет распространять свет, при этом будет отсутствовать масштабы и время, а также пространственно-временные расстояния, как физические явления. При этом эфир нельзя рассматривать, как состоящий из прослеживаемых во временном диапазоне частей. Такими свойствами может обладать только весомая материя. Эфир должен быть недвижим». [486] Приходя к такому заключению Эйнштейн писал: «Существует существенное отличие между эфиром общей теории относительности от эфира Лоренца[155 - Теория эфира Лоренца (ТЭЛ) уходит своими корнями в «теорию электронов» Лоренца, которая была последней точкой в разработке теорий классического эфира в конце XIX – начале XX века. Изначально теория Лоренца была создана между 1892 и 1895 одами и базировалась на гипотезе о полностью неподвижном эфире. Она объясняла неудачи попыток обнаружения движения относительно эфира в первом порядке v/c, введя вспомогательную переменную «локальное время» для объединения покоящихся и движущихся в эфире систем. Дополнительно отрицательный результат опыта Майкельсона в 1892 года привел к гипотезе сокращения Лоренца. Однако остальные эксперименты также дали отрицательный результат, и (под руководством принципа относительности Пуанкаре) в 1899, 1904 годах Лоренц пытался расширить свою теорию до всех порядков v/c, введя Преобразования Лоренца. Он также полагал, что неэлектромагнитные силы (если они существуют) преобразуются так же, как электромагнитные. Лоренц ошибся в формуле для плотности заряда и тока, поэтому его теория не исключала в полной мере возможность обнаружения эфира. В итоге в 1905 году Пуанкаре исправил ошибки Лоренца и включил в теорию неэлектромагнитные силы, в том числе гравитацию. Многие аспекты теории Лоренца вошли в специальную теорию относительности (СТО) в работах Эйнштейна и Минковского. Сегодня ТЭЛ часто трактуется как некий вид «лоренц» -интерпретации специальной теории относительности. Введение сокращения длин и замедления времени в «привилегированной» системе отсчета, которая играет роль неподвижного эфира Лоренца, ведет к полным преобразованиям Лоренца (например, теория Робертсона-Мансури-Секла). Так как в обеих теориях присутствует одинаковый математический формализм, то нет возможности экспериментально различить ТЭЛ и СТО. Но так как в ТЭЛ предполагается существование необнаружимого эфира, а справедливость принципа относительности представляется лишь совпадением, то в целом предпочтение отдается СТО.], так как его состояние в любом месте можно определить при помощи дифференциальных уравнений материи и состояния эфира в соседних точках. В эфире Лоренца при отсутствии электромагнитных полей, кроме эфира ничто не зависит. Теоретически эфир общей теории относительности можно преобразовать в эфир Лоренца, если произвести замену всех определяющих его функции пространственных координат на постоянные и не обращать внимание его причины, которые описывают его состояние. Если говорить проще, то эфир общей теории относительности можно получить из эфира Лоренца, релятивируя его». При этом Эйнштейн сказал, что условием восприятия теории эфира в сочетании со специальной теорией относительности является то, что эфиру не следует приписывать состояние движения. Этот аргумент был сделан ученым из рассуждения, «что путем расширения понятия физического объекта можно описать такие объекты, к которым не применимо понятие движения. Такие объекты не состоят из отдельных частиц, которые можно исследовать во времени. Если вспомнить высказывание Минковского, то не всякое образование способно заполнить четырехмерное пространство и которое можно представить из мировых линий. Специальная теория относительности исключает эфир, как вещество, состоящее из отдельных частиц, поведение которых можно изучать во времени. Но теория существования эфира не является противоречивой относительно специальной теории относительности». Эйнштейн напоминал, что эфир является специфической средой, которая лишена всех механических и кинетических свойств, но одновременно определяющая механические и электромагнитные процессы: «с точки зрения специальной теории относительности гипотеза эфира лишена содержания. Поэтому если рассматривать уравнения электромагнитного поля то, кроме плотности электрических зарядов, можно говорить о напряжённости поля. Электромагнитные явления в пустоте описываются в уравнениях законами, которые определяются другими физическими величинами. Электромагнитное поле – это несводимая к чему-либо реальность, которая не нуждается в создании новых постулатов в отношении существования однородного изотопного эфира, что приведет к определению поля, как состояния данного эфира. Если смотреть с другой стороны, то можно привести некоторые аргументы в пользу гипотезы об эфире. Отрицание эфира – это, в конечном счете, принятие, так как пустое пространство не может иметь никаких физических свойств. С такой трактовкой не соглашаются основные факты механики». Теория относительности, которая способна была объяснить электромагнитные явления, не прибегая к использованию этой концепции вообще, разрушила теоретические и философские основания использования понятия эфира в физике. Таким образом попытки включения эфира стали исчезать из общепринятого физического описания. О таком положении Роберт Лафлин (2005) не без иронии сказал[156 - Рассуждение Лафлина, лауреата Нобелевской премии по физике об эфире в современной теоретической физике: «Парадоксально, что самая творческая работа Эйнштейна, общая теория относительности, должна была сводиться к концептуализации пространства как среды, когда его первоначальная предпосылка [в специальной теории относительности] состояла в том, что такой среды не существует [..] Слово «эфир» имеет крайне отрицательные коннотации в теоретической физике из-за его прошлой ассоциации с оппозицией теории относительности. Это печально, потому что, лишенный этих коннотаций, он довольно хорошо отражает то, как большинство физиков на самом деле думают о вакууме… Теория относительности фактически ничего не говорит о существовании или несуществовании материи, пронизывающей вселенную, только то, что любая такая материя должна иметь релятивистскую симметрию.] Оказывается, такая материя существует. Примерно в то время, когда теория относительности была принята, исследования радиоактивности начали показывать, что пустой вакуум пространства имеет спектроскопическую структуру, подобную структуре обычных квантовых твердых тел и жидкостей. Последующие исследования на больших ускорителях частиц привели нас к пониманию того, что пространство больше похоже на кусок оконного стекла, чем на идеальную ньютоновскую пустоту. Он заполнен «веществом», которое обычно прозрачно, но может быть сделано видимым, ударив его достаточно сильно, чтобы выбить часть…». На самом деле пустое пространство не имеет координат и измеряется лишь объектами в нем пребывающими от проточастиц, к примеру, до структуры видимой Вселенной. Поэтому аспект материализации смысла состоит в наборе непротиворечивых компонентов описания мира.]: «Современная концепция вакуума пространства, подтвержденная каждый день экспериментом, является релятивистским эфиром. Но мы не называем это так, потому что это табу» [487]

§232. В 1918 году немецкий математик Герман Клаус Гуго Вейль предпринял попытку создать первую единую теорию поля, или теорию всего, в которой электромагнитное и гравитационное поля являлись бы геометрическими свойствами пространства-времени. [488] Немецкий математик Теодор Калуца решился предложить свой оригинальный подход к единой теории поля. В апреле 1919 году Калуце удалось посредством введения «свернувшегося» пятого измерения доказать возможность объединить уравнения электромагнетизма и гравитации в обычном 4-мерном пространстве. Таким образом, он пришел к выводу, что в 5-мерном пространстве гравитация и электромагнетизм едины. Калуца изложил свою теорию в письме к Эйнштейну, и тот посоветовал ему продолжить занятия этой темой. Эйнштейн опубликовал работу Калуцы (1921), в которой расширено пространство Минковского до 5-мерного пространства и получены из уравнений общей теории относительности классические уравнения Максвелла. [489] Шведским физиком Оскаром Клейном (1926) было предложено обоснование ненаблюдаемости пятого измерения (его компактности). [490] Теория Калуцы-Клейна – одна из моделей гравитации, позволяющая объединить два фундаментальных физических взаимодействия: гравитацию и электромагнетизм[157 - Эта теория была одной из первых успешных теорий, положивших начало геометрической интерпретации калибровочных полей, а именно единственного хорошо известного на момент её создания, кроме гравитации, электромагнитного поля. Также считается первой успешной теорией объединения, которая, хотя и не привела к экспериментально подтверждённым открытиям, но была внутренне непротиворечивой и идейно содержательной теорией, не противоречащей эксперименту. Применение и определённое развитие теория Калуцы – Клейна получила позже, в частности, в теории струн.]. В 1980-х Майкл Грин и Джон Шварц показали, что теория суперструн способна объединить как гравитацию с электромагнетизмом, так и сильные и слабые взаимодействия. Теория Калуцы-Клейна оперирует 10-мерным пространством, притом что 6 «лишних» измерений считаются «свёрнутыми». Эта теория предполагает, что десять гравитационных потенциалов Эйнштейна и четыре электромагнитных потенциала связаны с коэффициентами линейного элемента риманого пространства, которое, кроме четырех обычных измерений, содержит еще одно пятое измерение. При этом уравнения движения электрических частиц также в электромагнитных полях принимают форму уравнений геодезических линий. Если же они трактуются как радиальные уравнения, рассматривая материю как вид распространения волны, то почти само собой приходит дифференциальное уравнение второго порядка, которое можно рассматривать как обобщение обычного волнового уравнения.

§233. Бертиль Линдблад (1922) обнаружил зависимость величины поглощения в ультрафиолетовой части спектра в звёздах поздних спектральных классов от их светимости и правильно отождествил источник поглощения с молекулой циана, разработав на основе этого эффекта метод определения светимости слабых холодных звёзд по спектрам с низкой дисперсией[158 - Дисперсия (от лат. dispersio «рассеяние») в зависимости от контекста может означать: Дисперсия волн – в физике зависимость фазовой скорости волны от её частоты, различают: Дисперсия света. Дисперсия звука. Закон дисперсии – в физике закон, выражающий зависимость фазовой скорости волны от её частоты. Дисперсия случайной величины – одна из усреднённых характеристик случайной величины.]. [491]

§234. Шведский астроном Гуннар Малмквист (1922) описал эффект в наблюдательной астрономии, приводящий к преимущественному обнаружению объектов с высокой светимостью, который получил название смещение или сдвиг Малмквиста. [492] Поскольку наблюдаемые звёзды и галактики кажутся слабее при большем удалении от наблюдателя, то видимая звёздная величина с расстоянием будет увеличиваться до тех пор, пока не превысит предельное значение для такого обзора. Объекты с более высокой светимостью могут наблюдаться с большего расстояния, что может создать ложную зависимость, дающую усиление блеска с расстоянием. При наблюдении области неба мы можем видеть звёзды только до определённой звёздной величины. Нам будут видны далёкие звёзды высокой светимости и близкие звёзды, причём как яркие, так и слабые. Таким образом, будет казаться, что до определённого расстояния звёзд высокой светимости гораздо больше, чем слабых. На самом же деле, слабых звёзд гораздо больше, но они не попадают в наблюдаемую выборку, поскольку слишком слабые. Смещение в сторону звёзд большей светимости при наблюдении участка неба влияет на определение среднего значения абсолютной звёздной величины и среднего расстояния до группы звёзд. Поскольку звёзды высокой светимости видны на больших расстояниях, то может казаться, что рассматриваемая выборка находится в среднем дальше, а каждая звезда вследствие этого будет считаться имеющей более высокую светимость. В статистике данное смещение является систематической ошибкой и влияет на результаты обзоров в выборках, ограниченных по видимой звёздной величине, в которые не попадают звёзды, видимые звёздные величины которых превышают определенное значение.

§235. Первая из нестационарных моделей Вселенной – космологическая модель Александра Александровича Фридмана (1922), описывает однородную изотропную, в общем случае нестационарную Вселенную с веществом, обладающую положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной. [493] Эта работа учёного стала первым основным теоретическим развитием общей теории относительности после работ Эйнштейна. Фридман составил уравнение, описывающее развитие во времени однородной и изотропной Вселенной (Вселенной Фридмана) в рамках общей теории относительности, которое может быть проинтегрировано аналитически для двух важных предельных случаев – вселенной, заполненной пылью, и вселенной, заполненной излучением. [494] Фридман указал на расширение Вселенной, экстраполируя ситуацию в прошлое, исходя из того, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера, то у Фридмана возникло предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс – Большой взрыв, который произошёл одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной – галактики, звёзды, Солнце и планеты, в том числе Земля и всё что на ней.

§236. С 1919 года Эдвин Пауэлл Хаббл начал работать на самом крупном астрономическом инструменте того времени на 2,5-метровом телескопе Хукера в обсерватории Маунт-Вилсон (Калифорния, США). [495] В 1922 году Хаббл определил разницу между эмиссионными и отражательными туманностями, и предложил подразделить наблюдаемые туманности на внегалактические (галактики) и галактические (газопылевые). [496] Большинство учёных тогда были уверены, что Вселенная состоит из единственной галактики – Млечного Пути. Хаббл опроверг это мнение, наблюдая за несколькими спиральными туманностями, включая Туманность Андромеды и Треугольник. Он выяснил, что эти туманности расположены слишком далеко, чтобы быть частью Млечного Пути. В 1924—1926 годах он обнаружил на фотографиях некоторых ближайших галактик звёзды, и доказал, что они представляют собой системы, подобные нашей галактике Млечный Путь. [497] Хаббл измерил расстояние до других галактик, используя цефеиды (переменные звезды), доказав, что в действительности это были отдельные галактики, расположенные за пределами нашей собственной. Это открытие фундаментальным образом изменило научное видение Вселенной.

§237. Теория нестационарной вселенной была поддержана целым рядом исследований, которые интерпретировали модель де Ситтера. Герман Клаус Гуго Вейль (1922), рассматривая модели де Ситтера и Эйнштейна, отметил для первого что, если мир не был бы статичным в целом, то отсутствие материи в нем соответствовало бы физическим законам; а для второго имеется статичный мир, который не может существовать без горизонта масс. [498] Артур Эддингтон (1923) посчитал естественным рассматривать формы де Ситтера и Эйнштейна как два предельных случая, причем обстоятельства реального мира являются промежуточными между ними. [499] Карл-Вильгельм Вирц (1924) обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью де Ситтера. [500]

§238. Джордж Дэвид Биркгоф (1923) сформулировал и доказал теорему, которая утверждает, что любое сферически симметричное решение уравнений вакуумного поля должно быть статичным и асимптотически[159 - Асимптотический – матем. относящийся к асимптоте, то есть к такой прямой линии, к которой какая-либо кривая с бесконечной ветвью неограниченно приближается на бесконечно малое расстояние. Асимптотически – 1. нареч. к асимптотический; согласно асимптотическому закону. 2. перен. разг. медленно, бесконечно приближаясь к чему-либо. Происходит от сущ. асимптота, из др.-греч. [as?mptotos] «не совпадающий», из [an] – (?-) «без-» + [s?n] (вариант: [s?m]; первоначально [x?n]) «с, вместе, совместно» + [p?pto] «падать» (восходит к праиндоевр. *pet-/*pte- «лететь»). Асимптота – матем. прямая линия, к которой данная кривая неограниченно приближается.] плоским, что означает, что внешнее решение (то есть пространство-время вне сферического, не вращающегося, гравитирующего тела) должно быть задано метрикой Шварцшильда. [501] Идея теоремы Биркгофа состоит в том, что сферически симметричное гравитационное поле должно создаваться каким-то массивным объектом в начале координат; если бы где-то в другом месте была другая концентрация массы-энергии, это нарушило бы сферическую симметрию, поэтому мы можем ожидать, что решение будет представлять изолированный объект[160 - Вывод о том, что внешнее поле также должно быть стационарным, имеет следствие. Предположим, что у нас есть сферически симметричная звезда с фиксированной массой, которая испытывает сферические пульсации. Тогда теорема Биркгофа говорит, что внешняя геометрия должна быть Шварцшильдовской; единственный эффект пульсации – изменение положения поверхности звезды. Это означает, что сферически пульсирующая звезда не может испускать гравитационные волны. Теорема Биркгофа может быть обобщена: любое сферически симметричное и асимптотически плоское решение уравнений поля Эйнштейна – Максвелла без Lambda должно быть статичным, поэтому внешняя геометрия сферически симметричной заряженной звезды должна быть задана электровакуумом Рейсснера—Нордстрема. Заметим, что в теории Эйнштейна-Максвелла существуют сферически симметричные, но не асимптотически плоские решения, такие как Вселенная Бруно Бертотти и Ивора Робинсона.]. То есть поле должно исчезать на больших расстояниях, что означает, что такое решение асимптотически плоское. Таким образом общая теория относительности сводится к ньютоновской гравитации в ньютоновском пределе. Впоследствии было найдено, что теорема была опубликована двумя годами ранее норвежским физиком Йоргом Тофте Джебсеном (1921). [502]

§239. Американский физик Артур Комптон в 1923 году в экспериментах с рентгеновским излучением обнаружил эффект некогерентного рассеяния фотонов на свободных электронах; некогерентность означает, что фотоны до и после рассеяния не интерферируют[161 - Интерферировать – Взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Сопровождается чередованием максимумов и минимумов интенсивности в пространстве. Результат интерференции зависит от разности фаз накладывающихся волн. Интерферировать – говорят о волнах, усиливающих или ослабляющих друг друга. Волны интерферируют во время явления интерференции. Происходит из нем. interferieren «взаимодействовать; вмешиваться», далее из ст.-франц. entreferir (s’entreferir) «соударяться», далее из entre- «между» + fеrir «наносить удар», далее из лат. ferire «бить, наносить удар, толкать», далее из праиндоевр. *bher- «протыкать».]. Эффект сопровождается изменением частоты фотонов, часть энергии которых после рассеяния передается электронам. [503] В 1927 году Комптон получил за это открытие Нобелевскую премию по физике.

§240. Орест Даниилович Хвольсон (1924) опубликовал в немецком журнале «Astronomische Nachrichten» заметку о том, что луч света далекой звезды может быть отклонен притяжением другой звезды-линзы, в результате чего возникнет второе изображение далекой звезды, при этом он заметил, что угол между этими двумя изображениями будет столь мал, что их нельзя увидеть по отдельности с помощью наземного телескопа. [504,505] В случае, когда наблюдатель, линза и источник находятся на одной прямой, возникнет изображение типа кольца, отмечал Хвольсон. При отклонении взаимного расположения тел от прямой наблюдатель сможет увидеть только участок дуги.

§241. Луи де Бройль (1924) в своей диссертации выдвинул гипотезу, что волновой и квантовый способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами. [506] Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия и импульс, а с другой волновые характеристики – частота и длина волны. Закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффект, эффект Комптона – служат доказательством квантовых (корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов. С другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, подтверждают волновую (электромагнитную) природу света. Формула де Бройля устанавливает зависимость длины волны, связанной с движущейся частицей вещества, от импульса частицы, где длина волны Бройля пропорциональна отношению постоянной Планка или к импульсу, или к произведению массы частицы на ее скорость.

§242. Шатьендра Ната Бозе (1924) в своей лекции по теории излучения и ультрафиолетовой катастрофе, которую он читал в университете Дакки (Бангладеш), предпринял попытку показать, что современная теория неадекватна, поскольку предсказывает результаты, не соответствующие экспериментальным результатам. В процессе описания этого несоответствия Бозе впервые занял позицию, что распределение Максвелла—Больцмана не будет истинным для микроскопических частиц, где флуктуации, обусловленные принципом неопределенности Гейзенберга, будут значительными. Таким образом, он подчеркивал вероятность нахождения частиц в фазовом пространстве, каждое состояние которого имеет объем, и отбрасывал различное положение и импульс частиц. Бозе переработал лекцию в короткую статью под названием «Закон Планка и гипотеза квантов света» и отправил ее Альберту Эйнштейну с просьбой о переводе статьи на немецкий язык и публикации в Zeitschrift f?r Physik[162 - Письмо Бозе Эйнштейну: «Уважаемый сэр, я осмелился послать вам сопроводительную статью для вашего ознакомления и мнения. Мне не терпится узнать, что вы об этом думаете. Вы увидите, что я попытался вывести коэффициент 8? ?

/c

в законе Планка независимо от классической электродинамики, только предполагая, что конечная элементарная область в фазовом пространстве имеет содержание h3. Я не знаю достаточно немецкого языка, чтобы перевести статью. Если вы считаете, что статья заслуживает публикации, я буду признателен, если вы организуете ее публикацию в Zeitschrift f?r Physik. Хотя я и совершенно незнаком с вами, я не испытываю никаких колебаний, обращаясь с такой просьбой. Потому что мы все ваши ученики, хотя и пользуемся вашими учениями только через ваши книги. Я не знаю, помните ли вы еще, что кто-то из Калькутты попросил у вас разрешения перевести ваши работы по теории относительности на английский язык. Вы согласились на эту просьбу. С тех пор книга была опубликована. Я был тем, кто перевел вашу статью об общей теории относительности.»]. Эйнштейн согласился и опубликовал данную работу. [507] Причина, по которой интерпретация Бозе дала точные результаты, основана на том, что, поскольку фотоны неотличимы друг от друга, нельзя рассматривать любые два фотона с одинаковой энергией как два различных идентифицируемых фотона. Эйнштейн в своей первой работе после Бозе руководствовался, как и Бозе, тем фактом, что новый метод дает правильный ответ. [508] Эйнштейн принял эту идею и распространил ее на атомы, сравнив его с корпускулярно-волновым дуализмом, и указал, что некоторые частицы ведут себя не совсем так, как частицы. Во второй работе Эйнштейна с использованием метода Бозе, был предсказан конденсат Бозе—Эйнштейна[163 - Конденсат Бозе – Эйнштейна (бозе-эйнштейновский конденсат, бозе-конденсат) – агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли кельвина). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.], как плотное скопление бозонов (которые являются частицами с целочисленным спином, названными в честь Бозе), что сформировало основу для объяснения сверхтекучести и сверхпроводимости. [509] Интерпретация Бозе теперь называется статистикой Бозе—Эйнштейна. Результат, полученный Бозе, заложил основу квантовой статистики и особенно революционно новой философской концепции неразличимости частиц, признанной Эйнштейном и Дираком. В 1995 году первый бозе-конденсат был получен в Объединённом институте лабораторной астрофизики (JILA) (относящемся к Университету штата Колорадо в Боулдере и Национальному институту стандартов) Эриком Алином Корнеллом и Карлом Эдвином Виманом. Учёные использовали газ из атомов рубидия-87, который был ограничен магнитными полями охлаждён до 170 нанокельвин (1,7?10

 кельвин) и достигал плотности 2,5? 10

 на кубический сантиметр и мог сохраняться более 15 секунд. [510] Были отмечены три первичных признака конденсации Бозе-Эйнштейна: 1) Поверх широкого распределения тепловых скоростей появился узкий пик, который был сосредоточен на нулевой скорости; 2) Доля атомов, находящихся в этом низкоскоростном пике, резко возрастала по мере снижения температуры образца; 3) Пик показал нетепловое, анизотропное распределение скорости, ожидаемое от квантового состояния магнитной ловушки с минимальной энергией, в отличие от изотропного, теплового распределения скорости, наблюдаемого в широкой неконденсированной фракции. За эту работу им, совместно с Вольфгангом Кеттерле из Массачусетского технологического института, была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года. [511]

§243. Американские ученые Джордж Юджин Уленбек и Сэмюэль Абрахам Гаудсмит (1925) с целью теоретического объяснения экспериментальных данных предложили рассматривать электрон как «вращающийся волчок» с собственным механическим и магнитным моментами. [512] Точнее, Уленбек и Гаудсмит предположили, что у электрона есть не только орбитальный механический момент и соответствующий ему магнитный орбитальный момент, но и собственный (внутренний) механический момент, называемый спином, и соответствующий ему спиновый магнитный момент. Работа Гаудсмита и Уленбека сперва вышла в журнале Naturwissenschaften («Естественные науки») 20 ноября 1925 года, а в следующем году была опубликована в журнале Nature. Всего на одной странице излагалась идея углового момента электрона, связанного с четвертым квантовым числом, введенным Паули, классическим изображением которого была маленькая заряженная сфера, вращавшаяся вокруг собственной оси. Таким гипотетическим способом в физику и был введен спин. Спустя короткое время после публикации статьи Гаудсмит получил письмо от Гейзенберга, в котором тот поздравлял его со смелой работой и спрашивал, как они решили знаменитую проблему фактора «2» в структуре атома водорода. Уленбек и Гаудсмит вынуждены были признать, что об этой проблеме они даже не вспомнили, а когда задумались после письма Гейзенберга о ней, то не смогли найти никакого ответа. Решение этой проблемы появилось в следующем году, когда молодой английский физик из Кембриджа Люэлин Хиллет Томас (1926) смог объяснить этот фактор, используя теорию относительности и внимательно анализируя преобразования между системами отсчета электрона и атомного ядра. [513] Учёт релятивистских эффектов объяснил появление в формуле Гаудсмита и Уленбека коэффициента 1/2, часто называемого фактором Томаса, и тем самым позволил получить согласующуюся с экспериментальными данными тонкую структуру линий и их расщепление в аномальном эффекте Зеемана. Заметка Томаса объяснила отклонение на фактор 1/2 данных измерений от предсказаний теории тонкой структуры атома водорода, связывавшей спин-орбитальное расщепление с прецессией Лармора. Томас ограничился вычислением в низшем порядке по 1/с

. Работа привлекла большое внимание и эффект прецессии координатных осей при ускоренном движении стал называться «прецессией Томаса». Он рассмотрел общую задачу о движении вращающегося электрона во внешнем электромагнитном поле и получил уравнения, которые были переоткрыты Валентином Баргманом, Луи Мишелем и Валентином Луисом Телегди в 1959 году и известны под названием уравнений Баргмана – Мишеля – Телегди (Bargmann-Michel-Telegdi equation) для объяснения прецессии спина электрона во внешнем электромагнитном поле. [514] Эти соотношения нашли применение для объяснения эффектов спиновой поляризации в электрон-позитронных накопительных кольцах и в экспериментах с мюонами.

§245. Юрий Германович Рабинович (Джордж Юрий Райнич) (1925) представил чисто математические условия, которые одновременно необходимы и достаточны для того, чтобы лоренцево многообразие допускало интерпретацию в общей теории относительности как ненулевой электровакуум. [515] Они включают три алгебраических условия и одно дифференциальное условие. Условия иногда полезны для проверки того, что предполагаемый ненулевой электровакуум действительно является тем, о чем он заявляет, или даже для поиска таких решений. Райнич заметил, что из уравнений Эйнштейна в электровакууме можно алгебраически выразить компоненты тензора электромагнитного поля через компоненты тензора кривизны Риччи. Чарльз Торре (2014) нашел аналогичные необходимые и достаточные условия[164 - Необходимое условие и достаточное условие – виды условий, логически связанных с некоторым суждением. Различие этих условий используется в логике и математике для обозначения видов связи суждений.] для нулевого электровакуума. [516]

§245. Сесилия Хелена Пейн (затем Пейн-Гапошкина) (1925) в диссертационной работе «Звездные атмосферы: вклад в наблюдательное изучение высокой температуры в обращенных слоях звезд» смогла точно соотнести спектральные классы звезд с их фактическими температурами, применив теорию ионизации, разработанную индийским физиком Мегнадом Саха. [517] Она показала, что большие различия в линиях поглощения звезд объясняются различиями в количестве ионизации при различных температурах, а не различным количеством элементов. Пейн обнаружила, что кремний, углерод и другие обычные металлы, видимые в спектре Солнца, присутствуют примерно в тех же относительных количествах, что и на Земле, что согласуется с общепринятой в то время точкой зрения, согласно которой звезды имеют примерно такой же элементный состав, как и Земля. Однако она обнаружила, что гелий и особенно водород были значительно более обильными (для водорода-примерно в миллион раз). Ее тезис заключался в том, что водород является основным компонентом звезд, что делает его самым распространенным элементом во Вселенной.

§246. Альберт Майкельсон и Генри Гордон Гейл (1925), продолжая опыты по исследованию эфирного ветра, уложили на земле водопроводные трубы[165 - Диаметр труб 30 см. Трубы AF и DE были направлены точно с запада на восток, EF, DA и CB – с севера на юг. Длины DE и AF составляли 613 м; EF, DA и CB – 339,5 м. Одним общим насосом, работающим в течение трех часов, можно откачать воздух до давления 1 см ртутного столба.] в виде прямоугольника. [518] Чтобы обнаружить смещение света, Майкельсон сравнивал в поле зрительной трубы интерференционные полосы, получаемые при обегании большого и малого контура. Один пучок света шёл по часовой стрелке, другой против. Смещение полос, вызываемое вращением Земли, разные люди регистрировали в различные дни при полной перестановке зеркал. Всего было сделано 269 измерений. Теоретически предполагая эфир неподвижным, следует ожидать смещения полосы на 0,236 ± 0,002. Обработка данных наблюдений дала смещение 0,230 ± 0,005, таким образом подтвердив существование и величину эффекта Саньяка.

§247. Рой Кеннеди (1926), оценивая результаты опыта Морли – Миллера, видоизменил опыт с целью его проверки. [519] Интерферометр помещается в металлический герметичный корпус, заполненный гелием под давлением 1 атмосфера. Используя приспособление, способное различить очень малые смещения интерференционной картины, стало возможным сократить размер плеч до 4 метров. Использовался поляризованный свет с целью исключить, насколько возможно, рассеяние света на зеркалах. Точность опыта соответствовала смещению полос на 2·10

 их ширины. На этом аппарате скорость 10 километров в секунду, полученная Миллером, давала бы сдвиг, соответствующий 8·10

 длины волны зелёного цвета, что в четыре раза больше наименьшего определяемого значения. Результат был совершенно определенным. Отсутствовал знак сдвига в зависимости от ориентации. Эксперимент проводился в лаборатории Норман Бридж, в помещении с постоянной температурой, в различное время дня. Для проверки зависимости скорости эфирного ветра от высоты местности, опыты проводились также на Маунт-Вилсон, в здании обсерватории. Здесь эффект также был нулевым. В 1927 году прошла крупная конференция по обсуждению опытов Майкельсона-Морли, на которой обсуждались полученные результаты. [520] Иллингворт[166 - K. K. Illingworth (Введенные Иллингвортом и Кейтом Стюартсоном преобразования позволяют заменить систему уравнений в частных производных для пограничного слоя в газе (уравнения количества движения, неразрывности и энергии). Распределение скорости внешнего потока по координате х в физической плоскости и по преобразованной координате (преобразование Иллингворта – Стюартсона) при к=1,4 связь между координатами. В основе метода лежит преобразование Иллингворта – Стюартсона, с одной стороны, а с другой – введение безразмерных форм параметров и их оценка из точных автомодельных решений, позволивших установить связь между форм параметрами и замкнуть систему уравнений для расчета трения и теплообмена.)] (1927) в Калифорнийском технологическом институте продолжил работу с прибором Кеннеди, используя усовершенствованные оптические поверхности и метод усреднения. [521] Он сделал вывод о том, что скорости эфирного ветра больше 1 километра в секунду не существует. Впоследствии анализ опытов Миллера показал[167 - В 1958 году в Колумбийском университете (США) был проведён ещё более точный эксперимент с использованием противонаправленных лучей двух мазеров, показавший независимость частоты от движения Земли с точностью около 10—9%. Ещё более точные измерения в 1974 году довели чувствительность до 0,025 м/с. Современные варианты эксперимента Майкельсона вместо интерферометров используют оптические и криогенные [прояснить] микроволновые резонаторы и позволяют обнаружить отклонение скорости света ?c/c, если бы оно составляло ~10

. Кроме того, современные варианты эксперимента Майкельсона чувствительны к гипотетическим нарушениям лоренц-инвариантности не только в уравнениях Максвелла (для электромагнитных волн, как в классическом эксперименте), но и в уравнении Дирака (для электронов).], что флуктуации, наблюдавшиеся им и интерпретированные как наличие «эфирного ветра», являются следствием статистических ошибок и неучёта температурных эффектов. [522].

§248. Эрвин Шрёдингер (1926) в ряде своих публикаций, отталкиваясь от идей де Бройля, актуальность работы которого на тот момент уже была признана Эйнштейном, разработал математический аппарат волновой механики, что впоследствии стало известным, как уравнение Шрёдингера. В первой своей статье он сделал «вывод» волнового уравнения для не зависящих от времени систем, и показал, что оно дает правильные собственные значения энергии для водородоподобного атома. [523] Этот документ был повсеместно отмечен как одно из важнейших достижений двадцатого века, которое произвело революцию в большинстве областей квантовой механики, да и вообще во всей физике и химии. Через четыре недели была представлена вторая статья, в которой были решены проблемы квантового гармонического осциллятора, жесткого ротора и двухатомных молекул и дан новый вывод уравнения Шрёдингера. [524] Третья статья, опубликованная в мае, показала эквивалентность его подхода Гейзенбергу и дала трактовку эффекта Штарка. [525] Четвертая работа в этой серии показала как рассматривать проблемы, в которых система изменяется со временем, как в задачах рассеяния. [526] В этой статье он ввел комплексное решение волнового уравнения, чтобы предотвратить возникновение дифференциальных уравнений четвертого и шестого порядка.

§249. Оскар Клейн (1926) и Уолтер Гордон (1926) предложили уравнение для описания квантовых частиц в рамках теории относительности. [527,528] Статья Гордона была посвящена эффекту Комптона в контексте решений Шрёдингера. Клейн исследовал применимость предположений Калуцы о связи между электромагнетизмом и гравитацией, с одной стороны, и методом, указанным де Бройлем и Шрёдингером, с другой стороны, для решения квантовых проблем. Уравнение Клейна – Гордона первоначально записал сам Эрвин Шрёдингер до записи своего нерелятивистского уравнения, однако он отказался от него, не опубликовав, потому что не смог включить спин электрона в уравнение. Шрёдингер сделал упрощение уравнения Клейна – Гордона и нашёл другое уравнение. После первой публикации Шрёдингера по волновой механике Владимир Александрович Фок[168 - Работы Владимира Фока относятся к квантовой механике, квантовой электродинамике, квантовой теории поля, теории многоэлектронных систем, статистической физике, теории относительности, теории гравитации, радиофизике, математической физике, прикладной физике, философским проблемам физики. Он ввёл и изучил фундаментальные понятия квантовой механики и квантовой теории поля – пространство Фока, метод функционалов Фока, метод собственного времени, многовременной формализм Дирака – Фока – Подольского, градиентная (калибровочная) инвариантность, метод Хартри – Фока («метод самосогласованного поля»), открыл фоковскую симметрию атома водорода, доказал теоремы Борна – Фока (об адиабатическом пределе) и Фока – Крылова (о распадающихся состояниях). Разработал интерпретацию квантовой механики на основе концепции реальности квантовых состояний микрообъекта (интерпретация Фока). Фок разработал новую интерпретацию общей теории относительности как теории тяготения, которую изложил в монографии «Пространство, время, тяготение», в которой развил новый подход к вычислению поправок к теории Ньютона, следующих из теории тяготения Эйнштейна – постньютоновский формализм. В этой книге представлено изложение исследований Фока по теории тяготения Эйнштейна, к которым относятся: вывод уравнений движения системы тел с учетом их внутренней структуры и вращения, приближенное решение уравнений тяготения и исследование асимптотического вида решений, исследования по вопросу о существовании системы координат, определяемой с точностью до преобразования Лоренца, и другие. В книгу включено также изложение теории относительности и показаны результаты, отчасти методического характера, в числе которых новая форма доказательства линейности преобразования, связывающего две инерциальные системы, исследование функции Лагранжа для системы зарядов, вывод интегралов движения и т. д.] (1926) независимо написал статью о его обобщении на случай магнитных полей, где силы зависели от скорости. Фок использовал метод Калуцы – Клейна и постулировал калибровочную теорию, выведя подходящее волновое уравнение для общего случая функции Лагранжа с линейными членами. [529,530] Иногда эта система уравнений называется Клейна – Гордона – Фока.

§250. Эдвин Хаббл (1926) представил морфологическую классификацию галактик в форме последовательности, которая была им же модифицирована в 1936 году, известная под названием «Камертон Хаббла», поскольку традиционная иллюстрация этой последовательности имеет сходство с этим инструментом. [531] В своей классификации Хаббл разделил все галактики на 3 обширных класса, основываясь на их внешнем виде на фотографических пластинках, экспонированных в синем фильтре (В): эллиптические галактики, спиральные галактики, неправильные или иррациональные галактики, а после модификации были добавлены линзовидные галактики.