Чтение онлайн

Путь к открытию был необычайно долог. В широком смысле он начался с фундаментальных открытий, таких как открытие строения нашей Солнечной системы и законов, которые ею управляют, а также с изучения структуры и законов всего космоса. В узком же смысле он начался с того, что мы поняли парадоксальную вещь: свет ведет себя и как волна, и как частица, – и это его свойство непосредственно связано со знаменитой специальной теорией относительности Эйнштейна.

Можно сказать, что глубокое понимание замечательных свойств света явилось ключом ко всему. Более прочего поражает здесь то, что свет не только дает нам возможность видеть все вокруг, позволяя, в частности, исследовать Землю, Луну и звезды, но еще и теснейшим образом связан со временем, пространством и гравитацией.

Давайте обратимся к истории современной физики. Для Исаака Ньютона – автора теории тяготения – свет состоял из маленьких корпускул, то есть мельчайших частиц. Позже, в XIX веке, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, взяв за основу блестящую революционную работу Майкла Фарадея, доказал, что свет и все другие формы излучения представляют собой электромагнитные волны. И радиосигналы, используемые в технологии Wi-Fi, сотовых телефонах или автомобильных радиоприемниках, и тепловое излучение, регистрируемое приборами ночного видения, и рентгеновские лучи, которые мы используем, чтобы рассмотреть кости под кожей, и даже видимый свет, который воспринимают наши глаза, – все это, согласно теории Максвелла, суть колебания электрических и магнитных полей. Они отличаются друг от друга только своей частотой и способами, с помощью которых мы их производим и измеряем. Но по сути все эти колебания представляют собой одно и то же явление, а именно – свет: видимый свет, свет с длиной волны из радио-, инфракрасного или рентгеновского диапазона.

В частотном диапазоне, используемом мобильными телефонами, волны колеблются миллиард раз в секунду, а их длина составляет больше 20 сантиметров. Волны видимого света колеблются секстиллионы раз в секунду, и их длина в сто раз меньше диаметра волоса. Поскольку световые волны определенного цвета и частоты всегда колеблются с одинаковой скоростью, свет является идеальным метрономом для часов и эталоном времени. Самые точные оптические часы на сегодня откалиброваны так, что их точность составляет более 10–19 секунд [8] . За все время существования Вселенной (на сегодня это примерно 14 миллиардов лет) такие часы отстанут всего примерно на полсекунды! Это такая степень точности, о которой предыдущие поколения даже не мечтали.

Но что именно вызывает эти колебания? Долго считалось, что все космическое пространство заполнено так называемым эфиром. Имелся в виду не тот эфир, который растворитель, а эфир – гипотетическая среда, в которой электромагнитные волны (или световые, или радиоволны) распространяются во все стороны, как звуковые волны в воздухе.

Одним из свойств уравнений Максвелла – самым обескураживающим и неожиданным для физиков, причем остающимся таковым и по сей день, – является представление о том, что свет с любой длиной волны, распространяющийся в пустом пространстве, должен всегда двигаться с одной и той же постоянной скоростью, не зависящей от того, как быстро двигается наблюдатель. Рентгеновский луч столь же быстр, как радиоволна или лазерный луч, и в уравнениях Максвелла скорость света не зависит от скорости приемника или излучателя. То, что свет распространяется с конечной скоростью, мы знали самое позднее с конца XVII века, когда Оле Рёмер измерил движение спутников Юпитера и использовал их в качестве часов [9] . Но разве не должна скорость света меняться в зависимости от того, летишь ли ты с большой скоростью сквозь таинственный эфир или стоишь на месте?

Допустим, я плыву на серфборде в океане. Сильный ветер дует в сторону берега, а я гребу от него перпендикулярно линии прибоя. Волны приближаются ко мне с большой скоростью – на самом деле почти так же быстро, как они набегают на берег. Но если я меняю направление и быстро гребу в ту же сторону, куда устремлены ветер и волны, моя скорость почти равняется скорости волн под моим серфбордом. По сравнению с ним скорость волн мала, однако скорость волн относительно берега очень высока.

То же самое относится и к звуковым волнам. Если я еду на велосипеде при попутном ветре, звук клаксона едущего за мной автомобиля достигает моих ушей несколько быстрее, чем когда ветра нет, – и я слышу предупреждение немного раньше. Если же я поеду навстречу ветру, то услышу гудок сзади несколько позже: звук тоже распространяется против ветра. Если бы я мог крутить педали со сверхзвуковой скоростью, я никогда не услышал бы гудка. Если бы я крутил педали еще быстрее и опередил собственные звуковые волны, то преодолел бы звуковой барьер и создал ужасный шум, поскольку многие из производимых мною звуков достигли бы человека, слышащего их, одновременно. Но, в отличие от пилотов реактивных самолетов, ни одному велосипедисту еще не удалось преодолеть звуковой барьер.

Радиоволны должны вести себя подобным же образом – по крайней мере так думали люди более ста лет назад. По их представлениям эфир, в точности как воздух в нашей атмосфере, заполняет пустоту космического пространства, а Земля, бороздящая эфир со скоростью 100 000 километров в час по орбите вокруг Солнца, схожа с моим велосипедом или серфбордом. Если вы измерите скорость света в направлении движения Земли вокруг Солнца, то эта “скорость света” должна быть на самом деле совершенно другой, чем скорость, измеренная под прямым углом или в точно противоположном направлении. Иными словами, она должна зависеть от того, при “попутном” или “встречном” ветре движется свет в эфире.

Именно этот эффект пытались измерить американские физики Альберт А. Майкельсон [10] и Эдвард У. Морли в конце XIX века. Для этого они измерили относительную скорость света в двух световых коридорах (или каналах), расположенных перпендикулярно друг другу. Эксперимент закончился полной неудачей. Ученые не смогли увидеть сколько-нибудь существенного различия в скоростях света. Таким образом, не было найдено прямых доказательств существования эфира – он оказался просто иллюзией.

Неудачи могут быть прорывными, и этот неудачный эксперимент стал одним из тех немногих, которые принято называть ключевыми, так как они направили развитие физики и астрономии по ее нынешнему пути. Дело в том, что совершенно неожиданный крах теории эфира обрушил всю систему взглядов и потому пришлось, отбросив старые модели, начать искать новые идеи. Лучшими из них оказались идеи молодого Альберта Эйнштейна [11] , который был готов радикально все переосмыслить и создать новую теоретическую основу физики. Пока другие физики все еще пытались пробить головой стену, Эйнштейн стремительно ворвался в новую эру, в которой пространство и время больше не были абсолютными. Возникла смелая теория – теория относительности Эйнштейна, существенно изменившая веками доминировавшую концепцию мироздания.

Совершив достаточное количество оборотов вокруг Земли, мы можем начать следующую фазу протокола, составленного для полета нашей космической капсулы, и направить эту капсулу на Луну. Путешествие на Луну было древней мечтой человечества. 20 июля 1969 года Нил Армстронг ступил на ее поверхность, совершив, возможно, самый известный шаг, когда-либо сделанный человеком, – и мечта стала реальностью. Даже спустя несколько лет я все еще ощущал значимость этого момента.

Жаркий летний день 1971 года в маленьком городке Штромбах в горном районе земли Северный Рейн-Вестфалия. До самого горизонта тянутся мягкие зеленые холмы и леса. В небольшом районе частных домов на улице играют и веселятся дети. Ведерки и лопатки, трехколесный велосипед с родительской ручкой для толкания и пара мячей – все, что им нужно для счастья. Взрослые сидят во дворе в шезлонгах и наблюдают за детьми.

Но один маленький пухлощекий мальчик не играет со сверстниками, а сидит в темной комнате и как завороженный смотрит на мерцающие размытые черно-белые картинки на экране большого лампового телевизора. Лунный модуль “Аполлона-15” “Фалькон” только что “прилунился” и передает свои изображения на Землю. После первых захватывающих и очень успешных космических полетов воодушевление взрослых членов семьи Фальке, вызванное посадками на Луну, довольно быстро испарилось.

И только мальчик никак не может оторваться от экрана. Ему всего четыре года, и он еще не имеет ни малейшего представления о размерах космоса или расстоянии, которое астронавты НАСА должны были преодолеть, чтобы добраться до Луны. Он даже вообразить себе не может, сколько энергии потребовал данный технологический прорыв и насколько значительным является это научное достижение. И все же где-то в глубине души он чувствует, каким захватывающим и грандиозным является это смелое предприятие. Мальчик наслаждается каждой секундой космического приключения, и его воображение разыгрывается все больше. Что вообще в этом мире может быть неосуществимым, если человек смог ходить по Луне, прыгать на ее поверхности и даже управлять лунным вездеходом (а именно это и делали астронавты “Аполлона-15”)? Что еще предстоит открыть человечеству в бесконечно огромном небе?