Наука - Крик новорожденной Вселенной

Наука - Крик новорожденной Вселенной

Эхо Большого Взрыва можно «услышать» и сегодня
Мы уже рассказывали в одном из номеров «ПМ» об открытии электромагнитной индукции, благодаря которому люди стали получать электрический ток в промышленных масштабах. Теперь речь пойдет о том, как на кончике пера были открыты электромагнитные волны.

Мы уже рассказывали в одном из номеров «ПМ» об открытии электромагнитной индукции, благодаря которому люди стали получать электрический ток в промышленных масштабах. Теперь речь пойдет о том, как на кончике пера были открыты электромагнитные волны.

Таинственная субстанция под названием "свет" всегда занимала в жизни людей очень важное место. Недаром для ее создания отвели целый день во время сотворения мира, а ученые, как люди более прагматичные, посвятили ей большой раздел науки – оптику. Но вот в середине XIX века была создана единая теория электричества и магнетизма и оказалось, что свет – это всего-навсего небольшая часть огромного спектра электромагнитных волн, узенькое окошко, благосклонно распахнутое для нас природой.

Электромагнитные волны могут иметь очень маленькую длину – несколько сотен миллиардных долей метра (сотни нанометров), тогда это видимый свет, регистрируемый нашим глазом. А есть и такие, у которых длина достигает десятков метров или даже километров – это радиоволны. Теперь, научившись обращаться с электромагнитными волнами, мы можем слушать радио и смотреть телевизор, разговаривать по сотовому телефону и разогревать завтрак в микроволновой печи, изучать строение своего организма с помощью рентгеновских лучей и исследовать реликтовое излучение, оставшееся во Вселенной со времен ее бурной юности.

В поисках совершенства

В том, что касается электромагнитных волн, физика, можно сказать, свернула с накатанного пути в своем развитии. До тех пор все шло по стандартному сценарию: наблюдения, опыт, а вслед за ними теория. А тут, наоборот, все началось как раз с теории, созданной шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году.

Не ясно, что двигало Максвеллом в его упорном стремлении найти новый способ описания электромагнитных явлений. Может, это была естественная для теоретика страсть к обобщению и математическому совершенству? Ведь когда он приступил к работе над своей теорией, уже был сформулирован целый ряд законов, которые прекрасно объясняли разнообразные эксперименты по электричеству и магнетизму, и для практических нужд никакой новой теории больше в то время и не требовалось.

Но нет предела совершенству. Как признавался сам Максвелл, его чрезвычайно увлекла и восхитила идея знаменитого Майкла Фарадея о поле сил. В рамках этой новой по тем временам концепции сама среда рассматривалась как место действия электромагнитных событий, независимо от присутствия в ней материальных объектов. Суть этой идеи можно пояснить на примере явления электромагнитной индукции. В проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, потечет ток, поскольку появляется электрическое поле, заставляющее заряды двигаться. Но если двигать магнит в пустом пространстве без всяких проводников, электрическое поле все равно возникнет, просто рядом не будет зарядов, на которые оно могло бы подействовать! Далеко не все принимали необычную концепцию, которая противоречила двухвековой традиции, и надо было иметь достаточно смелости и интуиции, чтобы пойти этим путем.

Когда Максвелл ввел придуманные Фарадеем абстрактные поля, теория приобрела математически совершенную форму. В четырех сравнительно простых уравнениях уместились все имевшиеся на тот момент познания в области электричества и магнетизма: статические заряды создают вокруг себя электрическое поле, а магнитных зарядов нет, и потому полюсов у магнита всегда два, электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, а движение магнита в свою очередь приводит к возникновению тока. Но с одним уравнением возникла загвоздка, а именно – с тем, которое описывало связь между током в контуре и возникающим вокруг магнитным полем. Формально уравнение было правильным, но его преобразование приводило к абсурдному выводу: электрические заряды не могут перемещаться из одного места в другое. Какое уж тут математическое совершенство! Это противоречило здравому смыслу и многочисленным наблюдениям – ни у кого не было сомнений, что заряды могут двигаться. Что было делать? Признать поражение? И тут Максвелл поступил нетривиально. Он взял и добавил в непокорное уравнение дополнительное слагаемое, предположив, что магнитное поле возникает не только тогда, когда есть ток, но и при изменении электрического поля. Такой в некотором роде вольный подход к построению теории у многих вызывал неприятие. Во-первых, в ней фигурировали какие-то абстрактные поля, не имеющие никакого отношения к обычным материальным объектам (в отличие от общепринятых законов Ньютоновой механики), да и сами рассуждения были весьма сумбурными. Чтобы хоть как-нибудь пояснить свои нововведения, Максвеллу пришлось использовать механическую модель, представляя среду, где разворачиваются события, в виде набора разносортных шестеренок. Сначала нужно было постараться представить, что эти шестеренки как бы есть, а потом выкинуть их из головы, поскольку на самом деле их вовсе нет. Все это скорее запутывало, чем что-либо проясняло.

Связанные одной цепью

Но вернемся к тому самому слагаемому, которое помогло восстановить здравый смысл. Мало того, что оно было взято, так сказать, "с потолка", но еще и предсказывало совершенно необычные вещи. Зато с его появлением в уравнениях возникла определенная симметрия: переменное электрическое поле вызывало появление магнитного поля, а переменное магнитное – электрического. Это не только помогло добиться математической красоты, но и привело к удивительным физическим следствиям.

Предположим, что где-то началось движение зарядов и возникло магнитное поле. Через некоторое время заряды остановились, ток прекратился, и магнитное поле тоже начинает исчезать. И тут начинается самое интересное: когда магнитное поле пытается исчезнуть (то есть меняется), тогда, согласно одному из уравнений, возникает электрическое поле, если пытается исчезнуть электрическое поле, то, согласно другому уравнению, вновь появляется магнитное поле, а вместе с ним снова электрическое – и так до бесконечности! Как образно объяснял своим студентам знаменитый физик Ричард Фейнман, «они сохраняются, вовлеченные в общий танец – одно поле создает другое, а второе создает первое, – распространяясь все дальше и дальше в пространстве».

Самое главное во всем этом, что и после того, как в источнике исчезают все токи и заряды, образовавшийся кусочек неразрывно связанных друг с другом полей продолжает свое путешествие в пространстве, совершенно независимо от своего источника! Это и есть электромагнитная волна – волнообразное возмущение электрического и магнитного полей, распространяющееся в пространстве с определенной скоростью, которую принято называть скоростью света. А частный случай таких возмущений – наше старинное окно в мир – видимый свет.

Практика – критерий истины

К сожалению, Максвелл умер, так и не дождавшись экспериментального наблюдения открытых им электромагнитных волн. Сам он нисколько не сомневался в своей правоте, тем более, что один опытный факт все же говорил в его пользу: тщательные измерения показывали, что скорость распространения электромагнитных воздействий совпадает со скоростью света.

Но как бы ни критиковали сам принципиальный подход, каким бы странным ни казался способ вывода уравнений, сомневаться в их правильности не приходилось, и постепенно у новой концепции становилось все больше сторонников. И когда, изучив теорию Максвелла, Генрих Герц в 1888 году конструировал свои знаменитые вибратор (передатчик) и резонатор (приемник), он вполне определенно знал, что именно хочет найти – распространяющиеся в пространстве электромагнитные колебания. Опыты Герца увенчались успехом, и он стал первым, кому удалось создать и зарегистрировать электромагнитную волну, поставив тем самым точку в спорах о правильности теории электромагнитных полей Джеймса Клерка Максвелла. В память о знаменитом немецком экспериментаторе частоту любых циклических процессов, в том числе и электромагнитных, мы теперь измеряем в герцах, что соответствует одному колебанию в секунду. Первые полученные Герцем электромагнитные волны соответствовали в нынешнем понимании диапазону УКВ радиосвязи и имели длину около 5 метров (что отвечает частоте несколько десятков МГц). Сейчас люди используют для своих практических целей весь огромный спектр от радиоволн до гамма-лучей, охватывающий почти 17 порядков по длине волны – от сотни километров до тысячных долей нанометра.

Электромагнитная картина Вселенной

Древняя наука астрономия тоже не осталась в стороне. У современных астрономов теперь есть не только оптические, но и радио-, рентгеновские и гамма-телескопы. С их появлением Вселенная в буквальном смысле предстала перед нами в ином свете. А радиоастрономия помогла заглянуть в немыслимо далекое прошлое – почти к истокам Большого взрыва.

В 1963 году одна из микроволновых рупорных антенн лабораторий Белла полностью перешла в распоряжение ученых. Она была не очень большой, с рабочей площадью всего 25 м2, но зато детектор сигналов – радиометр – был оснащен усилителем с низким уровнем шумов, охлаждаемым жидким гелием. С помощью этого устройства два молодых исследователя, Арно Пензиас и Роберт Вилсон, собирались точно измерить радиосигналы некоторых космических объектов и определить фоновое излучение сначала на длине волны 7 см, а затем – 21 см. Они тщательно исследовали все источники помех, сделали специальное устройство, позволяющее учесть шумы радиометра, и приступили к измерениям.

Но неожиданно фоновый сигнал оказался больше, чем тщательно рассчитанный суммарный вклад всех источников шума. Видимо, учли не все. Говоря словами Вилсона, «результат был мучительным». О дальнейших измерениях не могло быть речи, пока не будет устранен этот неизвестный источник помех. Поиски продолжались год. Направляли антенну в сторону гигантского мегаполиса – Нью-Йорка – никаких изменений, значит, нет оснований говорить об искусственном происхождении сигнала. Выгнали из рупора антенны голубей и почистили ее – опять ничего не изменилось. Может, это последствия наземного ядерного взрыва 1962 года? Но за год измерений сигнал ничуть не уменьшился, как должно было бы произойти, если бы причиной был взрыв. В общем, проверили все, что только пришло в голову. Неизвестный сигнал не менялся ни днем, ни ночью, ни зимой, ни летом, ни при вертикальном расположении антенны, ни при ее ориентации в сторону горизонта. А вокруг менялось все: состояние атмосферы, положение телескопа относительно Солнца, звезд и галактик. Оставался последний вариант – космическое фоновое излучение, гипотезу о существовании которого еще в 1949 году выдвинул русский физик Георгий Гамов.

После совещания с теоретиками Пензиас и Вилсон решили опубликовать результаты, но все же без упоминания о возможном источнике сигнала. В своей первой статье они написали так: «Наши наблюдения показали, что этот дополнительный сигнал является изотропным, не поляризован и не подвержен сезонным изменениям». Уже в скором времени после этой публикации американских ученых появились экспериментальные данные других исследовательских групп, подтверждающие этот удивительный феномен. Так было обнаружено космическое микроволновое фоновое излучение – электромагнитные волны, путешествующие по Вселенной со времен ее молодости, а его первооткрыватели в 1978 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

В начале 1990-х годов, когда ученые получили данные со специально запущенных на околоземную орбиту телескопов, выяснилось, что космический микроволновой фон (реликтовое излучение) все-таки имеет угловую анизотропию, то есть из одних областей звездного неба приходит чуть более «теплый», а из других – более «холодный» сигнал. Через несколько лет на околосолнечную орбиту была отправлена космическая обсерватория WMAP, которая передала на Землю картину микроволнового излучения с разрешением в одну миллионную градуса (в 2007 году ей на смену планируется отправить еще более точный прибор). Те, кто разбирается в «космической живописи», говорят, что это снимок нашей Вселенной, родившейся почти 14 миллиардов лет назад, сделанный всего через 380 000 лет после Большого взрыва.

Вот так, благодаря замечательному свойству электромагнитных волн существовать независимо от своего источника, мы можем регистрировать сигнал, посланный нам миллиарды лет назад. Вопрос лишь в том, сможем ли мы понять, что он означает.

Шкала электромагнитных волн

Между разными областями спектра электромагнитных волн нет четких границ, они, как и цвета радуги, непрерывно переходят друг в друга. Самые длинноволновая его часть – радиоволны. Название говорит само за себя – они используются для радионавигации, межспутниковой связи, разнообразного радиовещания и телевидения. Ближе к краю радиоволнового диапазона, не занятого радиостанциями, расположились частоты для сотовой связи – около нескольких ГГц (т.е. порядка десятков сантиметров). С помощью еще более высокочастотного излучения работают микроволновые печи, этот диапазон так и называется – микроволны. С уменьшением длины волны микроволны постепенно сменяются инфракрасным излучением, за которым следует видимый свет. Именно на середину видимого диапазона приходится максимум излучения нашего любимого светила. Говоря словами Иа-Иа, это наш любимый цвет и любимый размер. Именно для него открыто окно прозрачности в атмосфере. Правда, оно сделано чуть пошире, и туда попадает все-таки инфракрасное излучение, которое нас греет, и немного ультрафиолета для загара. Длина волны последнего еще меньше, чем у видимого спектра. Оно представляет опасность для живых организмов, но от жесткого ультрафиолета мы надежно защищены атмосферой Земли. Следующая область электромагнитного спектра – рентгеновские лучи. Они уже способны "пронизать" человека насквозь, чем охотно пользуются медики.

К счастью, их количество, достигающее поверхности Земли, не способно нам навредить. А самые коротковолновые из известных нам электромагнитных волн называются гамма-лучами. Они возникают в ядерных процессах, обладают высокой проникающей способностью и составляют самую опасную для человека компоненту радиоактивного излучения.