Генезис. Небо и Земля. Том 1. История

§251. После появления в начале 1926 года работ Шрёдингера по волновой механике проблема интерпретации новой теории стала особенно острой. Основные положения статистической интерпретации волновой функции были сформулированы Максом Борном в 1926 году, как только было опубликовано волновое уравнение Шрёдингера. В отличие от интерпретации Шрёдингера, представляющей электрон в атоме в виде волнового пакета, интерпретация Борна рассматривала электрон в атоме как отрицательно заряженную элементарную частицу и сохраняла структуру электрона. [532] Но при этом законы движения электрона в атоме приобретают вероятностный характер, определяемый волновой функцией. В рамках статистической интерпретации волновой функции терялся смысл понятия траектории движения электрона, однако можно было рассматривать вероятность нахождения электрона в определённом элементе пространства, окружающего ядро атома.

§252. Люэлин Хиллет Томас (1927) в статье «Вычисление атомных полей» разработал квазиклассическую статистическую модель атома, в которой электроны распределены однородно по фазовому пространству, причём электронная плотность однозначно связана с потенциальной энергией в электромагнитном поле, создаваемом ядрами и другими электронами. [533] Получив самосогласованное уравнение для потенциала и численно решив его, Томас смог вычислить значение эффективного ядерного заряда, экранированного электронами, в удовлетворительном согласии с данными, взятыми из других источников. Теория была в 1927 году независимо развита Энрико Ферми, который применил для её разработки новой квантовой статистики; и обобщена в 1930 году Полем Дираком, который учёл обменное взаимодействие между электронами, и потому носит название теории Томаса – Ферми или теории Томаса – Ферми – Дирака. В последующие годы данная модель, несмотря на свою ограниченность, широко использовалась для получения приближённых качественных результатов в атомной и ядерной физике, физике плазмы, астрофизике, физике твёрдого тела и послужила прототипом теории функционала плотности, разработанной в середине 1960-х годов.

§253. Вернер Гейзенберг (1927) разрабатывая корректировку классических понятий «координата» и «импульс», нашёл выход в наложении ограничений на их использование, выразив математически в виде соотношения неопределённостей: чем точнее определено положение, тем менее точно известен импульс, и наоборот. [534] В своей известной работе «О наглядном содержании квантовотеоретической кинематики и механики» Гейзенберг писал: «из одного определенного эксперимента никогда нельзя получить точных сведений обо всех квантовотеоретических величинах; напротив того, этим опытом все физические величины разделяются, характерным для него образом, на „известные“ и „неизвестные“ (или: величины известные с большей и меньшей точностью). Результаты двух экспериментов можно только тогда точно получить один из другого, когда в обоих экспериментах физические величины одинаковым образом разделяются на „известные“ и „неизвестные“ (то есть когда в обоих экспериментах тензоры в многомерном пространстве, которое мы уже неоднократно использовали в целях наглядности, „рассматриваются“ с одного и того же направления). Если в двух экспериментах величины различным образом разделяются на „известные“ и „неизвестные“, то связь между результатами этих экспериментов может быть надлежащим образом представлена только статистически». В квантовой механике принцип неопределенности (также известный как принцип неопределенности Гейзенберга) является одним из различных математических неравенств, утверждающих фундаментальный предел точности, с которой значения для определенных пар физических количеств частицы, такие как положение и импульс можно предсказать из первоначальных условий. В ходе своих рассуждений Гейзенберг сделал еще одно важное замечание: «В жесткой формулировке закона причинности, гласящей: „Если точно знать настоящее, можно предсказать будущее“, ложной является не вторая часть, а предпосылка. Мы принципиально не можем узнать настоящее во всех деталях. Поэтому любое наблюдение есть выбор из некоторой совокупности возможностей и ограничение возможного в будущем».

§254. Нильс Бор (1927) в своей лекции на двух международных физических конгрессах обосновал принцип дополнительности, согласно которому для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. [535] Описания любого физического объекта как частицы и как волны дополняют друг друга, одно без другого лишено смысла, корпускулярный и волновой аспекты описания обязательно должны входить в описание физической реальности. [536]. Бор обобщил принцип дополнительности и придал ему гносеологический смысл. Всякое истинно глубокое явление природы, например «жизнь», «атомный объект», «физическая система», не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения по крайней мере двух взаимоисключающих дополнительных понятий. Применение обобщённого принципа дополнительности со временем привело к созданию концепции дополнительности, охватывающей не только физику, но и биологию, психологию, культурологию, гуманитарное знание в целом.

§255. К концу 1927 года была в общих чертах сформулирована Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом так называемая Копенгагенская интерпретация, основой которой стали вероятностная трактовка волновой функции Макса Борна, соотношения неопределённостей Гейзенберга и принцип дополнительности Бора. Копенгагенская интерпретация является выражением смысла квантовой механики, и остается одной из самых распространенных интерпретаций квантовой механики. Согласно Копенгагенской интерпретации, физические системы, как правило, не обладают определенными свойствами до измерения, и квантовая механика может только предсказать вероятности того, что измерения дадут определенные результаты[169 - На протяжении многих лет высказывалось много возражений против Копенгагенского толкования. К ним относятся: разрывные скачки при наблюдении, вероятностный элемент, введенный при наблюдении, субъективность требования наблюдателя, трудность определения измерительного устройства и необходимость обращения к классической физике для описания «лаборатории», в которой измеряются результаты. Альтернативы Копенгагенской интерпретации включают интерпретацию многих миров, интерпретацию де Бройля—Бома (теория волны-пилота, механика Бома, интерпретация Дэвида Джозефа Бома и причинная интерпретация, является интерпретацией квантовой теории), квантовый Байесианизм и квантовые теории декогеренции.]. Акт измерения влияет на систему, в результате чего набор вероятностей сводится только к одному из возможных значений сразу после измерения. Эта функция известна как коллапс волновой функции. В то же время нет окончательного исторического утверждения о том, что такое копенгагенская интерпретация. Существуют некоторые фундаментальные согласования и разногласия между взглядами Бора и Гейзенберга. Гейзенберг подчеркивал резкий «разрез» между наблюдателем (или инструментом) и наблюдаемой системой, в то время как Бор предложил интерпретацию, независимую от субъективного наблюдателя или измерения или коллапса, который опирается на «необратимый» или фактически необратимый процесс, который может иметь место в квантовой системе. Макс Борн (1927) тогда понял, что в теории Гейзенберга (1926) классические переменные положения и импульса вместо этого будут представлены матрицами, математическими объектами, которые могут быть умножены вместе, как числа с той разницей, что порядок умножения имеет значение. [537,538] Эрвин Шрёдингер представил уравнение, которое рассматривало электрон как волну, а Борн обнаружил, что способ успешной интерпретации волновой функции, появившейся в уравнении Шрёдингера, был инструментом для вычисления вероятностей. Впоследствии Ганс Примас (1981) описал девять тезисов или принципов копенгагенской интерпретации: квантовая физика применима к отдельным объектам, а не только к ансамблям объектов; их описание является вероятностным; их описание является результатом экспериментов, описанных в терминах классической (неквантовой) физики; «граница», отделяет классический от кванта, может быть выбрана произвольно; акт «наблюдения» или «измерения» необратим; акт «наблюдения» или «измерения» включает в себя действие на измеряемый объект и уменьшает волновой пакет; комплементарные свойства не могут наблюдаться одновременно; никакая истина не может быть приписана объекту, кроме как по результатам его измерения; квантовые описания объективны, так как они не зависят от умственного произвола физиков. [539]

§256. Поль Андриен Морис Дирак (1927) предложил новую квантовую теорию, основанную на предположении, что динамические переменные не подчиняются коммутативному закону умножения, к настоящему времени достаточно развита, чтобы сформировать достаточно полную теорию динамики. [540] Он вывел, что можно рассматривать математически задачу о любой динамической системе, состоящей из множества частиц с мгновенными силами, действующими между ними, при условии, что она описывается Гамильтоновой функцией, и можно интерпретировать математику физически вполне определенным общим методом. Обращая внимание на отсутствие соответствующих решений по квантовой электродинамике, Дирак исходил из того, что вопросы о правильной трактовке системы, в которой силы распространяются со скоростью света, а не мгновенно, о создании электромагнитного поля движущимся электроном и о реакции этого поля на электрон еще не затронуты. Дирак представил возможным построить достаточно удовлетворительную теорию излучения и реакции поля излучения на излучающую систему на основе кинематики и динамики, которые не являются строго релятивистскими, что позволило ему вычислить коэффициент спонтанного излучения атома.

§257. Луи де Бройль (1927), независимо развивая свои идеи о волнах, связанных с частицами, пришёл к иной интерпретации, которая получила название теории двойного решения. [541] Впервые теория двойного решения была представлена в статье «Волновая механика и атомная структура вещества и излучения», в которой частицы были представлены как «движущиеся сингулярности» волнового поля, описываемого релятивистским уравнением типа уравнения Клейна – Гордона. Скорость сингулярности равна скорости частицы, а фаза определяется действием. Далее, воспользовавшись аналогией между классической механикой и геометрической оптикой (идентичность принципа наименьшего действия и принципа Ферма), де Бройль показал, что скорость сингулярности в случае свободной частицы должна быть направлена вдоль градиента фазы. Непрерывные же решения волнового уравнения ассоциируются со случаем ансамбля частиц и имеют обычный статистический смысл (плотность ансамбля в каждой точке). Такие решения можно также трактовать как плотность ансамбля возможных решений, определяемых набором начальных условий, так что квадрат амплитуды такой волны будет определять вероятность обнаружить частицу в данном элементе объёма (вероятность в классическом смысле, как свидетельство незнания полной картины). Следующим шагом стал так называемый «принцип двойного решения», согласно которому фазы сингулярного и непрерывного решений всегда равны. Этот постулат «предполагает существование двух синусоидальных решений [волнового] уравнения, имеющих один и тот же фазовый коэффициент, причём одно решение представляет собой точечную сингулярность, а другое, напротив, имеет непрерывную амплитуду». Таким образом, частица-сингулярность будет двигаться вдоль градиента фазы (нормали к поверхностям равных фаз) непрерывной вероятностной волны. [542,543]

§258. В 1927 году Ян Хендрик Оорт на основе статистического изучения лучевых скоростей и собственных движений звёзд более строго обосновал гипотезу Бертиля Линдблада (1926) о вращении Галактики вокруг её центра. [544,545] Он показал, что Галактика вращается не как твердое тело: внутренние её части вращаются быстрее, скорость уменьшается с расстоянием от центра; определил величину эффекта дифференциального вращения (постоянная Оорта), скорость галактического вращения (220 километров в секунду в окрестности Солнца) и период вращения (220 миллионов лет в окрестности Солнца). [546] Оорт детально рассмотрел роль диффузного вещества в кинематической и динамической картине Галактики, а его работы положили начало изучению динамики Галактики.

§259. Бельгиец Жорж Анри Жозеф Эдуард Леметр (1927) в своей работе «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей» заявил, что объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и должны быть предметом космологии – это не звёзды, а гигантские звёздные системы, галактики. [547] Леметр, опираясь на ранние результаты Хаббла, установил экспериментально для галактик вид закона для расширения Вселенной, и добавил к этой идее, что красное смещение галактик можно объяснить именно расширением пространства, и что должен был быть изначальный «момент создания», такой как «первобытный атом» или «космическое яйцо».

§260. В 1928 году независимо друг от друга применили формулы туннельного эффекта в своих работах русский учёный Георгий Гамов и американские учёные Рональд Гёрни и Эдвард Кондон в их совместной работе при разработке теории альфа-распада. [548,549] Оба исследования одновременно решали уравнение Шрёдингера для модели ядерного потенциала и математически обосновывали связь между радиоактивным полураспадом частиц и их радиоактивным излучением вероятностью туннелирования.

§261. Существование античастиц было предсказано Полем Дираком (1928), когда полученное им квантовое уравнение движения электрона (уравнение Дирака) содержало решения с отрицательными энергиями. [550] В дальнейшем было показано, что исчезновение электрона с отрицательной энергией следует интерпретировать как возникновение частицы (той же массы) с положительной энергией и с положительным электрическим зарядом, то есть античастицы по отношению к электрону[170 - Эта частица – позитрон – была открыта в 1932 году. В последующих экспериментах было установлено, что не только электрон, но и все остальные частицы имеют свои античастицы. В 1936 году в космических лучах были открыты мюон (?—) и ?+ его античастица, а в 1947 – ?— и ?+ – мезоны, составляющие пару частица – античастица; в 1955 в опытах на ускорителе зарегистрирован антипротон, в 1956 – антинейтрон, в 1966 – антидейтерий, в 1970 – антигелий, в 1998 – антиводород, в 2011 – антигелий-4 и т. д. К настоящему времени наблюдались античастицы практически всех известных частиц, и не вызывает сомнения, что античастицы имеются у всех частиц. В 1965 году группа под руководством Леона Макса Ледермана наблюдала события образования ядер антидейтерия. В 1970 году в Институте физики высоких энергий (г. Протвино) зарегистрированы несколько событий образования ядер. В 1970—1974 группой под руководством Юрия Дмитриевича Прокошкина на серпуховском ускорителе были получены и более тяжелые антиядра – трития (изотоп водорода), гелия (антигелий-3). В 2001 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств. В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе – Притчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды. В 2013 году эксперименты проводились на опытной установке, построенной на базе вакуумной ловушки ALPHA. Учёные провели измерения движения молекул антиматерии под действием гравитационного поля Земли. И хотя результаты оказались неточными, а измерения имеют низкую статистическую значимость, физики удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитации антиматерии. В ноябре 2015 года группа российских и зарубежных физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов. В 2016 году учёным коллаборации ALPHA впервые удалось измерить оптический спектр атома антиматерии, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено.]. Это уравнение содержало магнитный момент электрона и указывало на существование античастицы электрона – позитрона, открытого через несколько лет. После этого квантовая механика и теория относительности объединились в квантовую теорию поля. То, что электромагнитные взаимодействия вызваны испусканием и поглощением виртуальных фотонов, стало полностью ясно лишь с появлением метода диаграмм Ричарда Фейнмана (1949), то есть после того, как чётко сформировалось понятие виртуальной частицы. [551] Сама идея отрицательной материи появилась при интерпретации вихревой теории гравитации, согласно которой притяжение между телами возникает из-за вихрей эфира, пронизывающих пространство. Ранее Уильям Митчинсон Хикс (1880—1882) предположил, что существует вещество с отрицательной гравитацией. [552] Карл Пирсон (1891) предложил существование «струй» (squirts) и «приемников» (sinks – стоков или сливов) потока эфира, где струи представляли собой нормальную материю, а приёмники потока – отрицательную. [553] Термин «антиматерия» или «антивещество» впервые был использован Артуром Шустером (1898) в работах, где он выдвинул гипотезу об антиатомах, а также о целой антиматерии солнечных систем и высказал догадку, что при встрече антивещества с веществом их эквивалентные количества должны исчезнуть, превратиться в ничто, аннигилировать[171 - Аннигилировать (от лат. nihil – ничто) обратить в ничто.] друг друга. [554] Однако эти ранние идеи отличались от современной концепции антиматерии тем, что она обладала отрицательной гравитацией. Дирак понял, что его релятивистская версия волнового уравнения Шрёдингера для электронов предсказывает возможность появления антиэлектронов. Они были предсказаны Робертом Оппенгеймером (1930), а открыты[172 - Андерсон под руководством Милликена начал исследования космических лучей. Во время исследований он открыл необычные треки некоторой частицы на снимках камеры Вильсона, которые он правильно интерпретировал как треки, принадлежащие частице с массой электрона, но имеющей противоположный электрический заряд.] чуть позже Карлом Дэвидом Андерсоном (1932) и названы позитронами («позитивными электронами»). [555,556] Хотя сам Дирак не использовал термин антиматерия, его значение происходит естественно из его терминов «антиэлектронов», «антипротонов» и так далее. [557]

§262. Дмитрий Владимирович Скобельцын (1929) для количественного исследования Комптон-эффекта и космических лучей применил камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле и доказал, что в составе космического излучения имеются заряженные частицы – электроны. [558] Он обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов и установил появление их генетически связанными группами (ливнями), заложив тем самым основы физики частиц высоких энергий. Оценка суммарной ионизации, производимой этими неотклоняемыми частицами, согласовалась с имевшимися тогда данными об ионизации, создаваемой «ультра-гамма-излучением» (как тогда именовали космические лучи) на уровне моря. В этих же экспериментах Скобельцин на фотографиях впервые зарегистрировал позитроны – слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, но не смог объяснить их природу. Скобельцин (1934) провел анализ условий образования электронно-фотонной компоненты космических лучей и вопроса о наличии равновесия между мягкой (то есть электронно-фотонной) и проникающей компонентами космических лучей, и выяснил, что электроны, образующиеся при распаде мезонов, не могут объяснить ту мягкую компоненту, которая имеется в атмосфере, начиная с высот в несколько километров и выше, и что происхождение этой избыточной (или, как ее называют, «неравновесной») мягкой компоненты должно быть отнесено за счет другого источника. [559] По его предложению были поставлены опыты, направленные на определение интенсивности электронной компоненты, происходящей от распада мезонов. При этом было установлено, что наблюдающаяся на опыте интенсивность этой компоненты меньше, чем ожидалось, исходя из общепринятых в то время представлений о распаде мезона на один электрон и одно нейтрино.

§263. Джинсом (1929) была опубликована работа о поведении газовых уплотнений под действием сил тяготения, ставшая основой для теории гравитационной неустойчивости (неустойчивость Джинса), объясняющей происхождение структурных элементов Вселенной. Критические величины возникающих под воздействием сил тяготения возмущений в веществе получили названия длина волны Джинса и масса Джинса. [560] Анализ эволюции вращающихся объектов Джинса позволил опровергнуть теорию Лапласа о формировании Солнечной системы из одиночного газового облака. В 20—30 годах XX века была популярна его собственная приливная теория создания Солнечной системы, в которой предполагалось, что планеты были сформированы из вещества, исторгнутого Солнцем, в результате катастрофической близости проходящей мимо звезды. Редкость создания планетарных систем объяснялась малой вероятностью встречи двух звёзд. Хотя теория была опровергнута в середине 30-х годов, приливное взаимодействие продолжает рассматриваться как один из механизмов развития галактик и звёздных скоплений. [561]

§264. В 1929 году Эдвин Хаббл сформулировал закон, доказывающий постоянное расширение нашей Вселенной, из которого следует, что расширению вселенской области, в которой располагается и галактика Млечный путь, свойственны изотропия и однородность, то есть расширение нашей Вселенной является одинаковым по всем направлениям. Закон Хаббла является добавочным обоснованием существующей гипотезы Большого взрыва, приведшего к началу вселенского расширения. Сопоставление расстояний с лучевыми скоростями показало чёткую линейную зависимость скорости от расстояния. [562] Хаббл вывел постоянную (константу) – коэффициент, входящий в закон Хаббла, обозначаемый обычно буквой H, который связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления и имеет размерность обратную времени, обычно выражается в километрах в секунду на мегапарсек, обозначая таким образом среднюю скорость разлёта в современную эпоху двух галактик, разделённых расстоянием в 1 мегапарсек. В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, а смысл термина «постоянная» – в том, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной величина H одинакова.

§265. Под руководством Слайфера шли поиски занептуновой планеты, предсказанной наблюдавшим возмущения орбит планет Первсивалем Лоуэллом (1905), которые привели к открытию Клайдом Томбо (1930) планеты, названной Плутоном. [563] В 1978 году выяснилось, что масса Плутона слишком мала, чтобы его гравитация влияла на газовые гиганты. Это обусловило кратковременный интерес к «планете Х». В начале 1990-х годов её поиски почти прекратились, поскольку в результате исследования данных, поступивших от космического зонда «Вояджер-2», оказалось, что отклонения орбиты Урана объясняются недооценкой массы Нептуна. [564] После 1992 года, в результате открытия многочисленных транснептуновых объектов, встал вопрос, следует ли и дальше считать Плутон планетой, или, возможно, его и его «соседей» следует отнести к новому особому классу объектов, как это было сделано в случае с астероидами. Хотя некоторые большие члены этой группы сначала считались планетами, в 2006 году Международный астрономический союз переквалифицировал Плутон и его крупнейших соседей в карликовые планеты, вследствие чего в Солнечной системе осталось лишь восемь планет. [565].

§266. Сэмюэль Торндайк (1930) отмечал, что «едва ли можно было поверить, что огромные промежутки между звездами совершенно пусты. Земные полярные сияния не могут быть невероятно возбуждены заряженными частицами, испускаемыми солнцем. Если миллионы других звезд также выбрасывают ионы, что, несомненно, верно, то в галактике не может существовать абсолютного вакуума». [566]

§267. Харлоу Шепли и его коллеги из обсерватории Гарвардского колледжа с конца 1920-х годов начали исследование галактик в южном полушарии неба, используя фотопластинки, полученные на 24-дюймовом телескопе Брюса в Блумфонтейне, Южная Африка. В 1930 году Харлоу Шепли опубликовал заметку по наблюдению удалённого объекта в созвездии Центавра: «Облако галактик в Центавре настолько большое, что может являться одним из самых густонаселённых, подобных ещё не обнаружили». [567] Он оценил расстояние до этого сверхскопления в 231 000 астрономических единиц, что ниже примерно 15% от принятого в настоящее время значения. К 1932 году Шепли сообщил об обнаружении 76000 галактик ярче 18-й видимой звёздной величины в области, занимающую третью часть южного полушария. [568] В 1989 году сверхскопление Шепли было официально открыто Сомаком Райчаудхори при исследовании галактик с помощью телескопа Шмидта в Великобритании, а организация структур галактик была названа Великим Аттрактором. [569] В данной работе сверхскопление было названо в честь Харлоу Шепли, в знак признания его заслуг в исследовании галактик, входящих в сверхскопление. Роберто Скарамелла (1989) и его сотрудники также отметили сверхскопление в каталоге Эйбелла – они назвали его альфа-областью. [570] В 2005 году астрономы при проведении рентгеновского обследования части неба обнаружили, что Великий Аттрактор имеет только одну десятую массы от изначально предполагавшейся учёными. Исследование также подтвердило озвученные ранее теории, что Местную группу на самом деле тянет в сторону гораздо более массивное сверхскопление галактик, которое лежит за пределами Великого Аттрактора. На данный момент вклад в скорость движения Местной группы со стороны Великого Аттрактора оценивается в 44%, остальная часть связана с глобальным течением, где значительная часть локальной вселенной, включая сам Великий Аттрактор, движется в направлении ещё более сильного центра притяжения, находящегося в районе сверхскопления Шепли.

§268. Люэлин Томас (1930) он написал пионерскую статью, посвящённую радиационной вязкости, то есть излучению электромагнитных волн движущимися потоками вещества, например, в окрестностях звёзд. [571] В 1935 году Томас рассмотрел проблему взаимодействия между нуклонами и приложил свои результаты к описанию структуры ядра трития. [572] В 1938 году он показал, что при определённой конфигурации магнитного поля, предполагающей периодическую зависимость от азимутального угла, орбиты заряженных частиц в циклотроне оказываются устойчивыми и изохронными. [573] Этот результат лёг в основу идеи изохронного циклотрона, устройства, которое нашло широкое применение в ядерной физике и медицине.

§269. После введения Гейзенбергом (1927) понятия коллапса волновой функции в работе о принципе неопределенности, он не пытался точно определить, что означает этот коллапс, но он подчеркивал, что это не следует понимать как физический процесс. Основатели Копенгагенской интерпретации предпочитали подчеркивать математический формализм происходящего. Джон фон Нейман (1932) включил коллапс волновой функции в математическую формулировку квантовой механики. [574] В соответствии с Гейзенбергом фон Нейман указал, что существуют два процесса изменения волновой функции: 1) вероятностный, неунитарный, нелокальный, прерывистое изменение, вызванное наблюдением и измерением; 2) детерминированный, унитарный, непрерывная временная эволюция изолированной системы, которая подчиняется уравнению Шрёдингера (или релятивистскому эквиваленту, то есть уравнению Дирака). В общем случае квантовые системы существуют в суперпозициях тех базисных состояний, которые наиболее точно соответствуют классическим описаниям, и, в отсутствие измерения, развиваются в соответствии с уравнением Шрёдингера. Однако, когда производится измерение, волновая функция коллапсирует, с точки зрения наблюдателя, только до одного из базисных состояний, и измеряемое свойство однозначно приобретает собственное значение этого конкретного состояния. После коллапса система снова эволюционирует согласно уравнению Шрёдингера. Рассматривая взаимодействие объекта и измерительного прибора, фон Нейман попытался создать согласованность двух процессов изменения волновой функции. Он сумел доказать возможность квантово-механической схемы измерения, согласующейся с коллапсом волновой функции. Однако он не доказал необходимость такого коллапса.

§270. После открытий Хаббла Эйнштейн отказался от своей статической модели Вселенной и исследовал модель расширяющейся Вселенной, в которой плотность материи остается постоянной из-за непрерывного создания материи, процесс, который он связал с космологической постоянной. В статье «К космологической проблеме общей теории относительности» Эйнштейн (1931) предложил модель Вселенной, которая сначала расширяется, а потом сокращается. Этот процесс начинается с сингулярности и ею же заканчивается. [575] Данная модель важна, поскольку она впервые придает космологической постоянной нулевое значение. Эта модель носит явно переходный характер, поскольку, помимо прочего, предполагает положительную кривизну пространства-времени. Это было необходимым элементом эйнштейновской модели стабильной Вселенной, однако позднее оказалось необязательным в рамках расширяющейся модели, которая могла иметь как положительную кривизну, так и отрицательную или нулевую. Уже в 1932 году Эйнштейн и де Ситтер опубликовали новую модель, в рамках которой они отказались от космологической постоянной, «позволив» Вселенной расширяться. [576] В дальнейшем эта модель стала для космологического сообщества основой. Но работа Ричарда Толмана (1934) показала, что попытки объяснения циклического преобразования Вселенной потерпели неудачу: согласно Второму закону термодинамики, энтропия может только увеличиваться, а Вселенная подверглась бы неизбежной термодинамической тепловой смерти. [577]

§271. Джордж Биркгоф (1931) сформулировал и доказал эргодическую теорему, относящуюся к эволюции произвольной системы, состояние которой вполне определяется конечным числом параметров, а ход изменения – дифференциальными уравнениями, допускающими интегральный инвариант. [578] Биркгоф доказал, что система является эргодической в том и только в том случае, если её фазовое пространство нельзя разбить на сумму двух инвариантных (то есть состоящих из целых траекторий) множеств, каждое из которых имеет положительный объём и одновременно вывел при весьма общих предположениях, и само существование временны?х средних. Александр Яковлевич Хинчин (1931), комментируя Биркгофа, представил, что для функции, модуль которой интегрируем, имеет место сходимость при всех показателях параметра х вне некоторого множества нулевой[173 - В этом случае говорят: при m-почти всех х, или m-почти всюду.] меры. [579] Если временной параметр t принимает как положительные, так и отрицательные значения, то в обеих эргодических теоремах можно в качестве сходимости брать среднее по отрезку [– t, 0] или по симметричному отрезку [– t, t] (а также по некоторым отрезкам, зависящим от времени t более сложным образом), получая при устремлении в бесконечность тот же предел функции. В общем виде эргодическая теорема Биркгофа – Хинчина утверждает, что для динамической системы, сохраняющей меру, и интегрируемой по этой мере функции на пространстве для почти всех начальных точек соответствующие им временны?е средние сходятся. Более того, если инвариантная мера эргодична, то для почти всех начальных точек предел один и тот же – интеграл функции по данной мере. Этот принцип формулируется как «временно?е среднее для почти всех начальных точек равно пространственному». Джон фон Нейман (1932) сперва привел свои доказательства квазиэргодической гипотезы классической Гамильтоновой динамики с помощью открытой Бернардом Осгудом Купманом (1931) редукции[174 - Редукция – общее прототипическое значение – сокращение, уменьшение. Книжн. – сведение сложного производственного процесса к более простому; лингв. – ослабление, менее отчетливое произношение гласного звука в безударном положении; хим. – то же, что восстановление; процесс, обратный окислению; биол. – уменьшение размеров органа, упрощение его строения или полное исчезновение в связи с утратой его функций в процессе эволюции организма; фин. – падение биржевого курса ценных бумаг или биржевых цен; техн. – уменьшение, понижение какого-либо параметра (например, давления) с помощью редуктора; истор. – в некоторых государствах Западной Европы в XV – XVI в. – изъятие монархом у феодальной знати перешедших в ее руки государственных земель. Объективная редукция (англ. objective reduction) – гипотетический процесс спонтанного схлопывания, коллапса волновой функции системы за счёт гравитационных эффектов на микроуровне. Согласно гипотезе Роджера Пенроуза (1996, 2014), объективная редукция является физической основой сознания. Объективный коллапс является реалистичным, индетерминистичным и отвергает скрытые переменные. Такой подход похож на копенгагенскую интерпретацию, но отличается от неё онтологической объективностью волновой функции и процесса её коллапса, что отражено в названии подхода. Пенроуз полагает, что необходимо разработать новую теорию, которая будет включать в себя «объективную редукцию волновых функций». Несмотря на мгновенность действия, при редукции принцип причинности не нарушается, и информация не передаётся. Также проводятся эксперименты по переводу физических объектов на грани микро- и макромира в состояние квантовой суперпозиции] гамильтоновых систем к Гильбертову пространству и с использованием методов, связанных с его исследованиями алгебры линейных преобразований в этом пространстве, а затем он вывел, что более слабая формулировка его утверждения, является точным математическим эквивалентом физического положения вещей. [580,581] Фон Нейман отметил, что знание спектрального разрешения, которое является фундаментальным в методе Купмана, позволяет полностью доминировать здесь над физической ситуацией; в частности, оно дает численную оценку степени сходимости предельного процесса, связанного с эргодической гипотезой, тогда как доказательство Биркгофа носит неконструктивный характер. Андрей Николаевич Колмогоров (1938) путем исключения противоречия неравенства нашел упрощенное доказательство эргодической теоремы Биркгофа—Хинчина. [582]

§272. В 1932 году Ян Оорт, рассматривая звезды одинаковых спектральных классов, примерно одинаковой массы и возраста, и оценивая их гравитационную силу, необходимую для их связи в единую систему по средним скоростям и вертикальным расстояниям, впервые рассчитал плотность диффузного межзвёздного вещества с помощью z-компоненты скоростей звёзд (перпендикулярной плоскости Галактики) и нашёл её предел – 3?10

 г/см?. [583] Плотность вещества, требуемая для состояния устойчивого равновесия, более чем в полтора раза превышала плотность видимого вещества, количество которого было посчитано по наблюдаемым звездам (параметр, носящий название «предел Оорта»). Данная модель была опровергнута несколько лет спустя в силу своей неточности – в ней было фактически проигнорировано наличие у Млечного Пути сферической составляющей в центре (так называемого балджа), что привело к сильному завышению необходимой плотности диска. [584]

§273. Лев Давидович Ландау (1932) выдвинул предположение о существовании нейтронных звезд, высказав ожидание, что нарушение законов квантовой механики должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро. [585] Астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки (1933) сделали первое строгое предсказание существования нейтронных звёзд, которые могут образоваться в результате коллапса белого карлика, запустившего взрыв сверхновой. [586] Теоретические расчёты показали, что излучение нейтронной звезды слишком слабое, чтобы её можно было обнаружить при помощи астрономических инструментов того времени. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х годах, когда начала развиваться рентгеновская астрономия, так как теория предсказывала, что максимум их теплового излучения приходится на область мягкого рентгена. В 1967 году Джоселин Бернелл Белл, аспирантка Энтони Хьюиша, предложила метод регистрации и открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. [587]

§274. Рой Кеннеди и Эдвард Ли Торндайк (1932) впервые провели эксперимент тестирования специальной теории относительности на основе модифицированной формы эксперимента Майкельсона—Морли, в котором интерферометр Майкельсона был изменен так, что длины перпендикулярных плеч сразу были неравными. [588] В то время как эксперимент Майкельсона—Морли показал, что скорость света не зависит от ориентации аппарата, эксперимент Кеннеди—Торндайка прояснил, что скорость света также не зависит от скорости аппарата в различных инерционных системах отсчета. Он также служил тестом для косвенной проверки замедления времени – в то время как отрицательный результат эксперимента Майкельсона—Морли может быть объяснен только сокращением длины, тогда как отрицательный результат эксперимента Кеннеди—Торндайка требует замедления времени в дополнение к сокращению длины, чтобы объяснить, почему никакие фазовые сдвиги не будут обнаружены, пока Земля движется вокруг Солнца. Сделав одно плечо аппарата для эксперимента намного короче другого предполагалось, что изменение скорости Земли приведет к изменениям во времени в пути световых лучей, в результате чего произойдет смещение границы, если частота источника света не изменится в той же степени. Для того, чтобы определить, произошло ли такое смещение, интерферометр был сделан чрезвычайно стабильным, и модели помех были сфотографированы для более позднего сравнения. Испытания проводились в течение многих месяцев. Поскольку не было обнаружено существенного сдвига (соответствующей скорости 10±10 километров в секунду в пределах погрешности), экспериментаторы пришли к выводу, что происходит расширение времени, как и предсказывала специальная теория относительности.

§275. Рассматривая движения звезд в спиральных галактиках, Бертиль Линдблад (1930, 1932) нашел, что звезды стремятся концентрироваться в спиральных рукавах и что спирали лидируют во вращении галактик. [589] В 1935—1936 годах Линдблад впервые показал, что малые частицы межзвездной пыли могут образовываться и расти путем аккреции, и что этот процесс может играть большую роль в образовании и эволюции звезд. [590]

§276. Роберт Грант Эйткен (1932) опубликовал «Новый общий каталог двойных звезд» (Aitken Double Star Catalogue, или ADS), который содержит измерения 17180 двойных звезд в пределах склонения от 120° до -30°. [591] Каталог был продолжением каталога наблюдений двойных звезд Шербёрна Уэсли Бернхема с 1906 по 1912 год и Эрика Дулитла с 1912 по 1919 год. Эйткен начал работу над каталогом вскоре после смерти Дулитла в 1920 году. Каталог содержит наблюдения, сделанные до 1927 года. При составлении своего каталога Эйткен стремился отсеять оптические пары (звезды, не связанные друг с другом в пространстве), накладывая на двойные звезды ограничение углового расстояния между компонентами в угловых секундах и звездную величину более яркой из звезд.

§277. Тилман и Мун (1933) впервые экспериментально открыли селективное поглощение[175 - Селективное поглощение нейтронов с определенной энергией является аналитическим методом, однако оно требует источников нейтронов с такой высокой плотностью потока, которую может дать только ядерный реактор. Селективное поглощение нейтронов различной энергии служит аналитическим средством, но для его применения требуются очень мощные потоки, которые может обеспечить лишь большой атомный реактор. Менее мощные источники пригодны для обнаружения лишь немногих элементов, ядра которых особенно сильно поглощают нейтроны (имеют высокое сечение захвата): В, Cd, Li, Hg, Ir, In, Au, Ag и некоторых лантаноидов] нейтронов. Они обнаружили, что коэффициент поглощения фильтра данного элемента становится наибольшим, когда интенсивность пучка нейтронов определяется на основе искусственной радиоактивности этого же элемента. Их выводы были подтверждены исследованиями Амальди и Ферми (1935), которые применяя в качестве источника нейтронов ампулу, содержащую (Rn + Be), окруженную толстым слоем парафина, измеряли коэффициент поглощения нейтрона для ряда элементов с помощью пучков с различным распределением энергии. [592] Последние были получены с помощью поглощения нейтронов в кадмии. Амальди и Ферми определили, что фильтрация через кадмий должна вызывать резкие изменения в распределении энергии нейтронного пучка. Явления, открытые Амальди и Ферми, были независимо обнаружены Силардом (1935), который показал, что коэффициент поглощения нейтронов в индии больше, если интенсивность нейтронов измеряется посредством искусственной радиоактивности самого индия. [593]

§278. Ричард Чейз Толмен (1934), применяя термодинамику для релятивистских систем и в космологии, показал, что излучение абсолютно чёрного тела в условиях расширяющейся Вселенной остывает, но остаётся тепловым, что являлось важным результатом для определения свойств фонового космического радиоизлучения. [594]

§279. В 1934 году Павел Алексеевич Черенков, выполняя в лаборатории Сергея Ивановича Вавилова исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения, обнаружил слабое голубое излучение[176 - Черенковское излучение как конический волновой фронт было теоретически предсказано английским эрудитом Оливером Хевисайдом в работах, опубликованных между 1888 и 1889 годами, и Арнольдом Зоммерфельдом в 1904 году, но оба они были быстро забыты после ограничения теории относительности супер-с частицами до 1970-х годов. Мария Кюри наблюдала бледно-голубой свет в высококонцентрированном растворе радия в 1910 году, но не исследовала его источник. В 1926 году французский радиотерапевт Люсьен Малле описал светящееся излучение радия, облучающего воду, имеющее непрерывный спектр.] неизвестной природы. [595] Первые эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе Вавилова, выявили ряд необъяснимых особенностей излучения: свечение наблюдается у всех прозрачных жидкостей, причём яркость мало зависит от их химического состава и химической природы, излучение поляризовано с преимущественным направлением электрического вектора вдоль направления распространения частиц, при этом в отличие от люминесценции не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения. Черенков наблюдал свечение чрезвычайно быстрых электронов при воздействии гамма-лучей (гамма-излучения) радиоактивных элементов во время прохождения сквозь воду. Это позволило узнать, что свет порождается не только электронами, которые движутся на больших скоростях. На основании этих данных Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление не является люминесценцией, а свет излучают движущиеся в жидкости быстрые электроны. [596] Теоретическое объяснение явления было дано Игорем Евгеньевичем Таммом и Ильей Михайловичем Франком в 1937 году. [597] Стало очевидным, что скорость движения электрона меньше фазовой скорости света. Фазовая скорость света при прохождении сквозь прозрачное вещество рассчитывается по формуле с учетом коэффициента преломления света в веществе. Большинство прозрачных веществ имеет данный показатель больше единицы. Это говорит о том, что скорость электрона может быть выше фазовой скорости света и может быть «сверхсветовой». Таким образом было установлено, что это свечение вызывается электронами, движущимися со скоростями, превышающими фазовую скорость света в среде. Быстрые электроны выбиваются из электронных оболочек атомов среды гамма-излучением. В 1958 году Черенков, Тамм и Франк были награждены Нобелевской премией по физике «за открытие и истолкование эффекта Черенкова». В 2009 Иосиф Бенционович Хриплович дал последовательное теоретическое описание черенковского излучения частицы с магнитным моментом.

§280. Энрико Ферми (1934), объясняя количественную теорию излучения ?-лучей, которая допускает существование нейтрино – частицы, предложенной Вольфгангом Эрнстом Паули, не имеющей электрического заряда и массой порядка величины электрона или менее, исследовал эмиссию электронов и нейтрино из ядра при бета-распаде. [598] Он применил метод, аналогичный тому, который используется в теории для описания эмиссии кванта света из возбужденного атома. Им выведены формулы среднего времени жизни и формы непрерывного спектра бета-лучей и проведено их сравнение с экспериментальными данными. Это была первая оценка массы нейтрино.

§281. Сразу же после открытия супругами Фредериком Жолио и Ирэн Жолио-Кюри (1934) искусственной радиоактивности[177 - Облучая ? -частицами от мощного источника полония бор и алюминий они обнаружили превращение их в новые изотопы азота и фосфора, оказавшимися позитронными излучателями (например, +> +3 17 224510301lA eHPn радиоактивный 30Р превращался путём позитронного распада в стабильный 30Si с периодом полураспада 3 мин 15 с).], Ферми пришёл к выводу, что нейтроны, поскольку они не имеют заряда и не будут отталкиваться ядрами, должны быть наиболее эффективным орудием для получения радиоактивных элементов, в том числе трансурановых. [599] Ферми (1934) в своей работе «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой» описал ряд экспериментов: источник нейтронов в виде цилиндрической ампулы, содержащей порошок бериллия и эманацию радия, помещался внутрь цилиндрических образцов из исследуемых веществ. [600] После облучения в течение некоторого времени образец переносился к счетчику[178 - Принцип предложен в 1908 году Хансом Гейгером; в 1928 Вальтер Мюллер, работая под руководством Гейгера, реализовал на практике несколько версий прибора, конструктивно отличавшихся в зависимости от типа излучения, которое регистрировал счётчик.], регистрирующему излучение. Таким способом было изучено взаимодействие нейтронов с фтором, алюминием, кремнием, фосфором, хлором, железом, кобальтом, серебром, йодом: все эти элементы активировались. Ферми (1934) для продолжения опытов возглавил группу итальянских физиков-атомщиков, в которую входили Эдоардо Амальди, Эмилио Сегре, Оскар Д'Агостино, Франко Розетти, Бруно Понтекорво, Этторе Майорана и другие. Было обнаружено, что ядра атомов захватывают нейтроны в сотни раз эффективнее, если предварительно между мишенью и источником этих нейтронов разместить парафин или массу воды. Ферми быстро придумал простое объяснение этому явлению: быстрые нейтроны, сталкиваясь со значительным количеством нуклонов, замедляются, а медленный нейтрон, в отличие от слишком быстрого, может «спокойно» подойти к ядру и быть захваченным ядром с помощью сильного взаимодействия. В результате осуществлялась следующая реакция получения искусственных изотопов: ядро с зарядом Z и массовым числом N, захватив нейтрон, превращалось в изотоп с массовым числом N+1. В силу нестабильности данного изотопа ядро распадается с образованием электрона и антинейтрино. В результате получается элемент с зарядом ядра Z+1 и массовым числом N+1[179 - До этого ядро привыкли считать чем-то невероятно прочным, и, согласно здравому смыслу, чтобы его изменить, необходимо повлиять на него чем-то очень энергичным, очень быстрым – например быстрой альфа-частицей или быстрым протоном. И ускорители были изобретены для той же цели – получить как можно более быстрые частицы для как можно более мощного воздействия на атомы. А для нейтрона всё оказалось ровным счётом наоборот – чем медленнее он двигался, тем с большей лёгкостью возникали реакции превращения элементов. Именно это открытие проложило дорогу к созданию ядерного реактора.]. К концу 1934 года исследования были завершены. [601] Они показали, что замедление нейтронов различными веществами влияет на процесс их радиационного захвата. На основании этого решения было получено более 60 новых радиоактивных изотопов, обнаружен эффект неупругого столкновения нейтронов с атомными ядрами и открыто замедление нейтронов водородосодержащими веществами (эффект Ферми), который был запатентован в 1935 году.

§282. Известный физико-химик Ида Ноддак (1934) выступила в «Журнале прикладной химии» с заявлением: «Допустимо, что при бомбардировке тяжелых ядер нейтронами эти ядра распадаются на несколько больших осколков, которые являются изотопами известных элементов, хотя и не соседних с облученными». [602] Это предположение игнорировало тот факт, что во всех без исключения известных случаях превращение ядер приводило к образованию ядер атомов соседних элементов. [603] У данной гипотезы не было физической основы, в то время как против образования трансуранов в тот период не свидетельствовали ни один факт и ни одно теоретическое соображение. Ноддак предполагала, что тяжелые ядра распадаются при обстреле быстрыми нейтронами, так как нейтроны из бериллиево-полониевого источника имели энергию несколько МэВ и таковыми были все нейтронные источники того времени[180 - Сама Ида Ноддак не настаивала на своей гипотезе, но заявила о своем приоритете, когда Ган и Штрассман произвели расщепление урана.].

§283. Чарльз Кристиан Лауритсен и Хорас Ричард Крейн (1934) создали первый ускоритель искусственной радиоактивности, используя образец недавно открытого Гильбертом Ньютоном Льюисом дейтерия для генерации нейтронов. [604] Данный ускоритель протонов и ионов гелия базировался на рентгеновских трубках исключительно высокого напряжения, созданных Лауритсеном совместно с Ральфом Беннетом в 1928 году, которые использовались для лучевой терапии онкобольных в радиационной лаборатории Келлога. [605] Лауритсен и Крейн (1934) измерили излучение, возникающее при аннигиляции позитрона и электрона, а также установил, что протоны могут быть захвачены ядром углерода, испуская гамма-лучи. [606] Этот процесс радиационного захвата был применен для изучения ядерных процессов в сердце звезды и производства более тяжелых элементов.

§284. Лео Силард и Томас Чалмерс (1934) обнаружил эффект разрушения химической связи под действием нейтронов, который получил известность как эффект Силарда – Чалмерса. [607] Данный эффект описывает явление, что при облучении химического соединения нейтронами или гамма-квантами в результате того, что образующиеся радиоактивные ядра приобретают значительную энергию, происходит разрушение химической связи, что позволяет выделить радиоактивные атомы. Когда они бомбардировали этил иодид нейтронами, произведенными источником радона—бериллия, они обнаружили, что более тяжелые радиоактивные изотопы йода отделились от соединения. Таким образом, они открыли способ разделения изотопов. Силард и Чалмерс высказали мысль о цепной ядерной реакции при облучении бериллия нейтронами, что, по их мнению, можно использовать для получения мощной взрывчатки нового типа. [608] Силард предложил принцип автофазировки, который лег в основу технологии современных ускорителей. Еще в 1933 году Силлард понял, что если нейтроны могут инициировать любую ядерную реакцию, производящую энергию, такую как та, которая произошла в литии, и могут быть произведены сами по себе той же самой реакцией, энергия может быть получена с небольшими затратами, так как реакция будет самоподдерживающейся. Силард подал заявку на патент на концепцию нейтронно-индуцированной ядерной цепной реакции в 1933 году, который был выдан в 1936 году. [609]

§285. Джон Арчибальд Уилер совместно с Грегори Брейтом (1934) разработали теорию процесса рождения электрон-позитронной пары при столкновении двух фотонов (так называемого процесса Брейта – Уилера). [610]. Процесс Брейта—Уилера – простейшая реакция, с помощью которой свет можно превратить в вещество. Этот процесс может принимать форму взаимодействия двух гамма-квантов с их последующим превращением в электрон-позитронную пару. В 1997 году исследователям из Национальной ускорительной лаборатории (SLAC) удалось реализовать так называемый многофотонный процесс Брейта—Уилера, используя электроны для создания высокоэнергетических фотонов, которые затем участвовали в нескольких столкновениях и в итоге превращались в электроны и позитроны, в пределах одной камеры. Теоретически предсказан аналогичный процесс в сильных электрических полях при использовании сверхкоротких лазерных импульсов большой мощности. В 2014 году физики из Имперского колледжа Лондона во главе с Оливером Пайком предложили относительно простой эксперимент для демонстрации процесса Брейта—Уилера. Эксперимент в коллайдере состоит из двух шагов. Во-первых, они предложили использовать мощный лазер высокой интенсивности, чтобы ускорить электроны до околосветовых скоростей. Затем ускоренные электроны направляются на пластину золота, чтобы создать пучок фотонов, несущих в миллиарды раз больше энергии, чем фотоны видимого света. Во-вторых, эксперимент включает в себя облучение лазером внутренней поверхности золотого полого цилиндра, для создания фотонов теплового излучения. Затем они направляют пучок фотонов из первой стадии эксперимента через центр цилиндра, в результате чего фотоны от двух источников сталкиваются и образуются электроны и позитроны. В итоге можно было бы обнаружить образование электронов и позитронов, после того как частицы покинут цилиндр. Моделирование методом Монте-Карло показывает, что производительность этого способа порядка 10

 электрон-позитронных пар в одном выстреле. В своей работе Брейт и Уиллер предполагали возможность реализации данного процесса на практике путем ускорения тяжелых ионов. В 2021 году физики из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) нашли способ решить эту проблему, используя релятивистский коллайдер тяжелых ионов, что позволило наблюдать за процессом Брейта—Уиллера в действии. Коллайдер ускоряет ионы – атомные ядра, лишенные своих электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны (в ядре) – положительный, при удалении электронов из атома остается положительный заряд. Чем тяжелее элемент, тем больше в нем протонов и тем сильнее положительный заряд образующегося иона. Команда использовала ионы золота, которые содержат 79 протонов и, соответственно, мощный положительный заряд. Когда ионы золота ускоряются до очень высоких скоростей, они создают круговое магнитное поле, которое может быть таким же мощным, как и перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут производить электромагнитные частицы или фотоны. Когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, появляется пучок фотонов, окружающих ядро золота, которые движутся вместе с ним как облако. В этом эксперименте ионы золота были ускорены до 99,995% скорости света. При этом их облака фотонов могли взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения невозможно обнаружить, но возникающие в результате электрон-позитронные пары – вполне реально. Исследователи обнаружили и проанализировали более 6000 электронно-позитронных пар, образовавшихся в ходе их эксперимента. Они обнаружили, что углы между образовавшимися частицами соответствуют столкновениям между реальными фотонами – процессу Брейта—Уиллера в действии, а результаты представляют собой четкое свидетельство прямого, одноэтапного создания пар материя – антивещество в результате столкновения фотонов, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер. [611] Это преобразование энергичного света в материю – прямое следствие знаменитого постулата Эйнштейна об эквивалентности энергии и массы.

§286. Филип Бартон Мун и Тилман[181 - J. R. Tillman (Дж. Тилман)] (1935) определили резонансный характер взаимодействия медленных нейтронов с ядрами, обнаружив в ходе экспериментов медленные нейтроны, при использовании радон-бериллиевого источника быстрых нейтронов и позволяя им диффундировать через материалы, богатые водородом, и впоследствии установили, что поглощение медленных нейтронов йодом было, по-видимому, больше, когда индуцированная (бета-лучевая) активность детектора йода использовалась в качестве меры количества переданных нейтронов, чем когда использовались детекторы серебра или родия. [612] Торкильт Бьёрг и Карл Весткотт под руководством Резерфорда в Кавендишской лаборатории Кембриджа в соответствии с опытами Ферми, рассмотрели способ, в котором поперечные сечения для рассеяния и поглощения нейтронов различными элементами различаются со скоростью нейтронов, когда энергия нейтронов была уменьшена в результате упругих столкновений с ядрами водорода. [613] Лев Андреевич Арцимович, Игорь Васильевич Курчатов, Лев Владимирович Мысовский, Петр Александрович Палибин (1935) доказали захват нейтрона протоном. [614] Арцимович с Абрамом Исааковичем Алихановым и Артемом Исааковичем Алиханьяном (1936) доказали сохранение импульса при аннигиляции электрона и позитрона. [615] Результаты этих независимых экспериментов свидетельствовали, что поглощение медленных нейтронов различными элементами происходит неодинаково и зависит от их природы.

§287. В 1931—1932 годах Субраманьян Чандрасекар опубликовал первые статьи, посвящённые строению белых карликов. [616] На основе анализа условий механического равновесия Чандрасекар (1935) доказал существование предельной массы у белых карликов («предел Чандрасекара»). Звёзды, масса которых превышает этот предел, минуют стадию белого карлика, продолжают сжиматься и сбрасывают газовую оболочку с образованием нейтронной звезды. [617]

§288. Жак Ивон (1935) ввел функции распределения s-частиц в классическую проблему статистической механики N-тела. [618] Николай Николаевич Боголюбов (1945) высказал идею об иерархии времён релаксации, имеющую значение в статистической теории необратимых процессов. [619] Боголюбов в июле 1945 года вводит общий метод микроскопического вывода кинетических уравнений для классических систем на основе цепочки уравнений для многочастичных функций распределения, выписав распределение s-частиц с использованием иерархии; а результат публикуется в следующем году. [620] Джон Гэмбл Кирквуд в октябре 1945 года рассматривает кинетическую теорию переноса, которая издается в 1946 году. [621] Первая статья Макса Борна и Герберта Грина, посвященная общей кинетической теории жидкостей, была получена в феврале 1946 года и опубликована 31 декабря 1946 года. [622] Николай Боголюбов и Кирилл Петрович Гуров (1947) расширяют этот метод микроскопического вывода кинетических уравнений для квантовых статистических систем с использованием квантовой цепочки. [623] Таким образом данная теория была сформирована в единый комплекс уравнений, получивший название в статистической физике иерархия ББГКИ (иерархия Боголюбова-Борна-Грина-Кирквуда-Ивона, BBGKY), которая представляет собой набор уравнений, описывающих динамику системы большого числа взаимодействующих частиц. Уравнение для функции распределения s-частиц (функция плотности вероятности) в иерархии BBGKY включает (s+1) -функцию распределения частиц, образуя таким образом связанную цепочку уравнений.

§289. Карл Андерсон и его студент-дипломник Сид Неддермейер (1936) во время исследования космических лучей открыли мюон[182 - Андерсон первоначально назвал новую частицу «мезотрон», используя приставку «мезо-» (от греческого слова «промежуточный»). Вскоре после этого были обнаружены другие частицы промежуточной массы и был принят более общий термин мезон для обозначения любой такой частицы. В связи с необходимостью разных обозначений для различных типов мезонов, мезотрон был переименован в «мю-мезон» (от греческой буквы «мю»). До того, как был открыт пи-мезон, мюон считался кандидатом на роль переносчика сильного взаимодействия, который был необходим в теории Хидеки Юкавы, разработанной незадолго до того. Однако было обнаружено, что мюон не вступает в сильные взаимодействия, и некоторое время (до открытия пи-мезона) это поведение мюона оставалось загадкой. Вскоре обнаружилось, что мю-мезон значительно отличается от других мезонов (например, его продукты распада включали нейтрино и антинейтрино, а не только либо одно, либо другое, что наблюдалось для других мезонов). Таким образом, мю-мезоны не были мезонами вообще, и термин «мю-мезон» был заменён современным термином «мюон».] – субатомную частицу, которая в 207 раз тяжелее электрона. [624] Они обнаружили частицы, которые при прохождении магнитного поля отклонялись в меньшей степени, чем электроны, но более резко, чем протоны. Было сделано предположение, что их электрический заряд был равен заряду электрона, и для объяснения различия в отклонении было необходимо, чтобы эти частицы имели промежуточную массу, лежащую между массой электрона и массой протона.

§290. В 1936 году американские физики из русских эмигрантов Григорий Альфредович Брейт-Шнайдер (Грегори Брейт) и из венгерских эмигрантов Енё Пал Вигнер (Юджин Вигнер) предложили дисперсионную формулу для ядерного резонанса, описывающую непрерывное распределение вероятности с помощью плотности вероятности с использованием естественных единиц. [625] Брейт и Вигнер предположили, что помимо обычного эффекта существуют переходы в виртуальные состояния возбуждения ядра, в которых не только захваченный нейтрон, но и одна из частиц исходного ядра находится в возбужденном состоянии. Затухание излучения за счет гамма-излучения расширяет резонанс и уменьшает рассеяние по сравнению с поглощением. Они указали, что чем выше резонансная область, тем меньше будет поглощение. Авторы определили, что возбуждающие состояния, ответственные за полосы поглощения нейтронов, позволяют быстрому нейтрону терять энергию при неупругом столкновении с ядром. Формула Брейта – Вигнера используется для моделирования резонансов (нестабильных частиц) в физике высоких энергий. Вероятность возникновения резонанса при заданной энергии пропорциональна функции энергии, так что график скорости возникновения нестабильных частиц в зависимости от энергии принимает форму релятивистского распределения Брейта – Вигнера.

§291. Канадский ученый Карли Смит Билс (1936) продолжая наблюдения линий кальция «H» and «K» выявил двойные и асимметричные профили в спектрах Эпсилона и Дзета Ориона. [626] Это были первые шаги в изучении очень сложной линии межзвездного наблюдения в направлении Ориона. Асимметричные профили линий поглощения являются результатом суперпозиции нескольких линий поглощения, каждая из которых соответствует одному и тому же атомному переходу (например, линия «К» кальция), но происходит в межзвездных облаках с различными радиальными скоростями. Поскольку каждое облако имеет разную скорость (либо по направлению к наблюдателю/Земле, либо от нее), линии поглощения, возникающие внутри каждого облака, либо смещены синим, либо красным (соответственно) от длины волны покоя линий, благодаря эффекту Доплера. Данные наблюдения, подтверждающие, что материя не распределена однородно, были первыми доказательствами наличия множества дискретных облаков внутри данной структуры. Этот узел межзвездного газа и пыли длиной в световой год напоминает гусеницу.

§292. Эйнштейн опубликовал статью на тему гравитационного линзирования[183 - На самом деле, никакие оптические измерения в 1919—1973 годах, начиная с первой фотографии затмения, никогда не давали действительно удовлетворительных результатов. Но легко измерить радиоволны, скользящие по краю Солнца, потому что радиоволны не вымываются солнечным светом. Между 1969 и 1975, измерение радиоволн от далеких квазаров на краю Вселенной, показали, что Эйнштейн был прав, с точностью до 1%. Космический телескоп Хаббл (2015) сфотографировал искривления светового потока, возникшие в результате сильного гравитационного воздействия со стороны массивного тела в кластере галактик SDSS J1038+4849. В данном случае объектом, искривляющим своим гравитационным полем направление распространения проходящего мимо него излучения является галактической линзой. Этот эффект тяготения называют «гравитационной линзой» по той причине, что параллельный пучек излучения, пройдя мимо массивного тела, концентрируется позади него, подобно тому, как концентрируется световой луч, проходя сквозь стеклянную положительную линзу. В принципе, роль гравитационной линзы может играть любое тело, но на практике заметное искривление лучей способно вызвать лишь очень массивное тело, например, крупная планета или звезда, а также крупная система тел, такая как галактика или скопление галактик. Гравитационная линза одинаково влияет на все виды электромагнитного излучения и потоки релятивистских частиц. В центре снимка, полученного космическим телескопом Хаббл, представлена группа галактики SDSS J1038+4849, и она выглядит как один большой космический смайлик. Здесь можно увидеть два жёлтых глаза и белый нос пуговкой. В случае с этим «лицом» два глаза на нём – очень яркие галактики, а загадочные и приводящие в смятение линии улыбки фактически являются объектами заднего плана, искаженные эффектом, известным как сильное гравитационное линзирование. В таком случае наблюдается особый случай гравитационного линзирования в виде кольца, которое так и называется – Кольцо Эйнштейна, образованное в результате изгиба светового потока от заднего источника, который располагается точно позади линзирующей галактики. Из-за этого изображение второстепенного объекта искажается симметрично, и обозревается одинаково с двух сторон. Вообще, Хаббл идеально подходит для изучения таких объектов, ведь гравитационное линзирование позволяет ближе разглядеть те далёкие объекты, которые мы никогда бы не могли увидеть. В данном случае эта «космическая улыбка» была получена приборами Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) и Wide Field Camera 3 (WFC3) в рамках обзора сильных гравитационных линз. Скопления галактик являются самыми массивными структурами во Вселенной и обладают такой сильной гравитацией, что способны деформировать пространство-время вокруг себя и действовать как огромное увеличительное стекло, что заставляет искажаться и изгибаться свет позади них. Это явление, которое является критическим для Хаббла в плане изучения таких объектов, впервые было объяснено общей теорией относительности Эйнштейна.] в 1936 году, что основательно связало его имя с этим эффектом. [627] Гравитационное линзирование[184 - В отличие от оптической линзы, гравитационная линза более всего искривляет свет, проходящий ближе всего к её центру, и менее всего искривляет тот свет, который проходит дальше всего от центра. Следовательно, гравитационная линза не имеет точки фокусировки, но обладает фокальной линией. Существует три класса гравитационных линз: 1. Сильное гравитационное линзирование, вызывающее легко различимые искажения, такие как эйнштейновское кольцо, дуги и размноженные изображения. 2. Слабое гравитационное линзирование, вызывающее лишь малые искажения в изображении объекта, который находится позади линзы (далее – объект фона). Эти искажения могут быть зафиксированы только после статистического анализа большого количества объектов фона, что позволяет найти небольшое согласованное искажение их изображений. Линзирование проявляется в небольшом растяжении изображения перпендикулярно направлению к центру линзы. Изучая форму и ориентацию большого количества отдалённых галактик фона, мы получаем возможность измерить линзирующее поле в любой области. Эти данные, в свою очередь, могут быть использованы, чтобы восстановить распределение масс в данной области пространства; в частности, этим методом можно исследовать распределение тёмной материи. Поскольку галактики сами по себе обладают эллиптической формой и искажения от слабого линзирования малы, для использования этого метода необходимо наблюдение большого числа галактик фона. Такого рода обзоры должны тщательно учитывать многие источники систематической погрешности: собственную форму галактик, пространственную функцию отклика светочувствительной матрицы, атмосферные искажения и т. д. Результаты этих исследований важны для оценки космологических параметров, для лучшего понимания и развития модели Лямбда-CDM, а также для того, чтобы обеспечить проверку непротиворечивости с другими космологическими наблюдениями. 3. Микролинзирование не вызывает никакого наблюдаемого искажения формы, но количество света, принимаемое наблюдателем от объекта фона, временно увеличивается. Линзирующим объектом могут быть звёзды Млечного Пути их планеты, а источником света – звёзды отдалённых галактик или квазары, находящиеся на ещё более далёком расстоянии. В отличие от первых двух случаев, изменение наблюдаемой картины при микролинзировании происходит за характерное время от секунд до сотен дней. Микролинзирование позволяет оценить количество слабосветящихся объектов с массами порядка звёздных (например, белых карликов) в Галактике, которые могут вносить некоторый вклад в барионную компоненту тёмной материи. Кроме того, микролинзирование является одним из методов поиска экзопланет. Слабое линзирование может изучаться по его влиянию на космическое микроволновое фоновое излучение. Сильное линзирование наблюдалось в радио- и рентгеновском диапазонах.] действует одинаково на все виды электромагнитного излучения, не только на видимый свет. Эйнштейн рассмотрел гравитационное влияние одной звезды на излучение другой и вычислил коэффициент усиления света, а затем пришел к выводу, что в случае, когда обе звезды и наблюдатель находятся на одной прямой, изображение далекой звезды будет иметь форму кольца. Сам Эйнштейн не верил в возможность экспериментального обнаружения эффекта гравитационной линзы применительно к обычным звездам, поскольку более близкая к наблюдателю звезда-линза мешает своим излучением разглядеть искаженное и слабое изображение более далекой звезды.

§293. Фриц Цвикки (1937) пришел к выводу, что эффект гравитационной фокусировки света можно наблюдать в том случае, если линзой является галактика. В этой работе на основе наблюдений относительных скоростей галактик в скоплении Волос Вероники на 18-дюймовом телескопе Шмидта Паломарской обсерватории им получен парадоксальный результат: наблюдаемая масса скопления (полученная по суммарным светимостям галактик и их красному смещению) оказалась значительно ниже массы скопления, рассчитанной исходя из собственных скоростей членов скопления (полученных по дисперсии красного смещения) в соответствии с теоремой о вириале: суммарная наблюдаемая масса скопления оказалась в 500 раз ниже расчётной, то есть недостаточной, чтобы удерживать составляющие его галактики от «разлетания». Обосновывая свои выводы Цвикки разработал теорию скрытой массы. [628] Эта теория заключается в том, что большую часть Вселенной занимает так называемая «скрытая масса» – невидимое вещество, которое проявляет себя по взаимодействию с видимым посредством сил тяготения. Масса этого вещества во много раз превышает массу всех наблюдаемых объектов. Также, согласно теории, за пределами видимых границ галактики (в том числе и Млечного Пути) простирается несветящаяся, тёмная материя, называемая тёмным гало. К скрытой массе могут относиться чёрные дыры и коричневые карлики (газовые тела с массой, промежуточной между массами звёзд и планет).

§294. В 1937 году русский эмигрант Георгий Антонович Гамов оценил максимальную плотность нейтронного вещества в 10

 килограмм на кубический метр, что на 9 порядков больше плотности массы типичного белого карлика. [629] Его результат вполне выдержал проверку наблюдениями: измеренные плотности нейтронных звезд варьируют в диапазоне (4—6) ·10

 килограмм на кубический метр. В той же монографии Гамов, вспомнив опубликованную в 1932 году гипотезу Ландау, отметил, что нейтронные ядра могли бы обеспечить активную жизнь звезды «на очень долгое время», хотя в то время такая точка зрения уже не учитывалась.

§295. Джерард Койпер, Отто Струве и Бенгт Стрёмгрен (1937) провели спектроскопические и фотометрические наблюдения затемненных звезд в туманности с целью исследования проблемы формирования поглощающего слоя в атмосфере инфракрасных звезд. [630] Оптическая толщина ионизированной области в визуальном и фотографическом свете была рассчитана как функция максимальной плотности вдоль луча, проходящего через атмосферу. Также они рассчитали непрозрачность неионизированной области инфракрасной составляющей между рассматриваемой ионизированной областью и наблюдателем. Учёные пришли к выводу, что эффект этой непрозрачности оказывается достаточно малым, поскольку относительное содержание водорода в атмосфере инфракрасной составляющей ниже определенного предела. Ими были рассмотрены некоторые аспекты проблемы линейного поглощения в атмосфере прохладного компаньона и обобщено значение источника непрозрачности, отличного от рассеяния электронов и непрозрачности фотоэлектрического перехода. По расчетам Койпера, Струве и Стрёмгрена экваториальная скорость вращения инфракрасной звезды составляет примерно 50 километров в секунду.

§296. Итальянский физик Этторе Майорана (1937) изменил значения уравнений Дирака и продемонстрировал возможность получения полной формальной симметрии квантовой теории электрона и позитрона с помощью нового процесса количественной оценки. [631] Он сделал вывод об отсутствии необходимости негативных энергетических состояний, а также вводить любые типы частиц с отрицательной энергией, в том числе и нейтральных. В физике элементарных частиц так называемый майорановский фермион, или фермион Майораны – это фермион, который является своей собственной античастицей[185 - Предполагается, что нейтрино может быть либо таким фермионом Майораны, либо фермионом Дирака (в Стандартной модели все фермионы, включая нейтрино, являются дираковскими). В первом случае различие между нейтрино и антинейтрино определяется только их спиральностью: превращение нейтрино в антинейтрино можно осуществить переворотом спина (или, например, переходом в систему отсчёта, в которой импульс нейтрино направлен в противоположном направлении, что, правда, осуществимо лишь при ненулевой массе нейтрино). Если электронное нейтрино является фермионом Майораны и при этом массивно, то некоторые изотопы могут испытывать безнейтринный двойной бета-распад; при существующей чувствительности экспериментов этот распад пока не обнаружен, хотя в мире проводятся десятки экспериментов по поиску этого процесса]. Гипотетические частицы нейтралино в суперсимметричных моделях являются фермионами Майораны.]. Майорановские частицы, в отличие от дираковских, не могут обладать магнитным дипольным моментом (кроме недиагональных компонент магнитного момента, изменяющих аромат). [632]. Слабое взаимодействие с электромагнитными полями делает майорановские фермионы кандидатами для частиц холодной тёмной материи. [633]. 16 июля 2013 года коллаборация GERDA сообщила [9], что в результате обработки данных первой фазы долговременного эксперимента, который проводится в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо на криогенном полупроводниковом мультидетекторе, состоящем из германия, обогащённого германием-76, не был обнаружен безнейтринный двойной бета-распад этого изотопа (нижнее ограничение на период полураспада – не менее 3·10