100 великих научных открытий

Через 10 лет, в 1915–1916 гг., Эйнштейн углубил СТО и создал свою теорию гравитации — общую теорию относительности (ОТО

). Идея заключалась в том, что действия ускорения и силы тяжести идентичны, а все эффекты гравитации возникают не из-за силового взаимодействия тел, а по причине искривления самого пространства-времени, на котором объекты своей массой оставляют «вмятины». Гравитация изменяет геометрические свойства пространства-времени, что воздействует на движение всех тел. Например, брошенные параллельно мячи создают «вмятину» в ткани пространства-времени и постепенно «скатываются» в одну точку.

Позже экспериментально было доказано, что вблизи очень массивных объектов пространство деформируется, время течет медленнее, а световые лучи поглощаются: гравитационное поле таких тел очень сильное, и свет просто не может его обойти. За способность поглощать свет подобные сверхмассивные объекты были названы «черными дырами».

В отличие от И. Ньютона, который с уверенностью заявлял, что планетарные орбиты в Солнечной системе находятся на одном месте, Эйнштейн догадывался: сила тяготения Солнца медленно, но верно заставляет орбиты сдвигаться. Эта эпохальная мысль привела к тому, что закон всемирного тяготения Ньютона был пересмотрен.

В 1914 г. Эйнштейн возглавил Берлинский институт физики, но в 1933 г. из-за антисемитской политики нацистов вынужден был эмигрировать в США. Накануне Второй мировой войны ученый стал одним из тех, кто послал президенту Ф. Рузвельту письмо с предупреждением о том, что фашисты пытаются создать бомбу огромной разрушительной силы (речь шла, конечно же, об атомной бомбе, разработка которой стала возможна именно благодаря открытию Эйнштейна). Рузвельт решил, что Америка тоже должна создать такую бомбу, и это дало старт гонке вооружений — хотя сам Эйнштейн был пацифистом и впоследствии выступал против ядерных разработок.

В целом же исследования великого ученого помогли человечеству разгадать многие тайны природы и повлияли на все разделы физики — от элементарных частиц до строения Вселенной.

Квантовая хромодинамика

Английский физик Поль Адриен Морис Дирак (1902–1984) проявил интерес к теории относительности Эйнштейна еще в студенческие годы. Поступив в кембриджскую аспирантуру, он узнал, что немецкий ученый В. Гейзенберг и австрийский физик Э. Шрёдингер описали поведение атомов и движение элементарных частиц вроде электрона на основе квантовой теории — то есть создали квантовую механику. Дирак внимательно ознакомился с исследованиями зарубежных коллег и обнаружил большой изъян в их концепции: она работала лишь в случае частиц с низкой, сравнительно со световой, скоростью, из-за чего законы теории относительности Эйнштейна не соблюдались. Для того чтобы с ускорением возросла масса частицы, необходимо приблизить ее скорость к световой.

Отказавшись от изучения целой системы разнозаряженных частиц, Дирак сконцентрировался на единичном электроне и написал для него уравнение движения, однако результат вычислений получился совершенно неожиданным. Как оказалось, у электрона есть дополнительная степень свободы, которая позволяет ему получить отрицательную энергию. Это казалось невероятным, и ученый чуть было не бросил все свои изыскания, но все же решил попытаться разобраться в вопросе.

Поразмыслив, Дирак высказал догадку, что во Вселенной плотность электронов огромна. Располагаются они на отрицательных энергетических уровнях и составляют фон, недоступный для наблюдений. Там, где все уровни заняты, образуется абсолютная пустота. Незаполненные же уровни имеют положительную энергию, поскольку им не хватает электрона с отрицательной энергией, а на его месте зияет «дыра», которую можно считать положительной частицей. Дирак предложил поместить в «дыре» между отрицательными электронами позитрон. Только такие частицы он считал видимыми.

Более того, продолжая исследования, Дирак открыл, что столкновение двух электронов — с положительной и отрицательной энергией — дает два фотона, которые расходятся в противоположные стороны. И наоборот, когда высокоэнергетические фотоны сталкиваются с тяжелыми ядрами, рождаются пары электрон/антиэлектрон с положительной энергией и противоположными зарядами. (К слову, антиэлектрон, или позитрон, был обнаружен К. Д. Андерсеном в 1932 г.)