Книга за пространството и времето след лекциите, които изнесох в Харвард през 1982 г. За ранната

винаги заемат едни и същи относителни положения, но заедно се въртят по небето. Какво има зад последната сфера, никога не е станало поясно, но сигурно не е била част от наблюдаемата Вселена.
Моделът на Птолемей представлявал една достатъчно точна система за предсказване на положенията на небесните тела. Но за точното предсказване на тези положения Птолемей трябвало да приеме допускането, че Луната следва път, по който понякога идва два пъти по-близо до Земята. А това
Птолемей разбирал този недостатък на модела си, но въпреки това неговият модел бил широко, макари не всеобщо приет. Той бил възприет от християнската църква като картина на Вселената, която отговаряна Светото писание, защото имал голямото предимство, че оставял извън сферата на неподвижните звезди достатъчно място за небесата и ада.
През 1514 г. обаче полският свещеник Николай Коперник предложил по- прост модел. В началото, може би от страх да не бъде заклеймен от своята църква като еретик, Коперник разпространил анонимно своя модел. Идеята му била, че Слънцето е неподвижно в центъра, а Земята и планетите се Движат по кръгови орбити около него. Изминал почти един век, преди тази идея да се приеме като нещо сериозно. Тогава двама астрономи — германецът Йохан
Кеплер и италианецът Галилео Галилей — започнали открито да подкрепят теорията на Коперник, макар че предсказаните от него орбити не съвпадали съвсем точно с наблюдаваните. Смъртоносният удар върху теорията на Аристотел — Птолемей бил нанесен през 1609 г — Същата година Галилей започнал да наблюдава нощното небе с току-що изобретения телескоп. Наблюдавайки планетата спътника или луни, които кръжат около нея. А това значело, чене е задължително всичко да се върти около Земята, както смятали Аристотел и Птолемей. Разбира се, възможно било пак да се смята, че Земята е неподвижна и е в центъра на Вселената, а луните се движат по извънредно

сложни пътища около Земята, създаващи видимост, че обикалят около Юпитер. И все пак теорията на Коперник била много по-проста. По същото време Йохан Кеплер видоизменил теорията на Коперник и твърдял, че планетите се движат не по окръжности, а по елипси (елипсата представлява удължена окръжност. Най-сетне предсказванията съвпаднали с наблюденията.
Колкото до Кеплер, елиптичните орбити били просто една а hoc хипотеза и при това твърде неприемлива, тъй като несъмнено елипсите не са така съвършени, както окръжността. Открил почти наслуки, че елиптичните орбити се съгласуват с наблюденията, той не успявал да ги помири с идеята си, че планетите обикалят около Слънцето под действието на магнитни сили. Обяснение се явило едва много по-късно, през 1687 г, когато Исак Нютон публикувал своя труд Математически принципи на натурфилософията може би най-важния труд, публикуван някога в областта на физическите науки. В него Нютон не само излагал теория затова, как телата се движат в пространството и времето, но и развивал нова математика, необходима за анализа на тези движения. Освен това Нютон постулирал закон за всемирното привличане, според който всички тела във Вселената се привличат помежду си, като силата на привличане нараства с увеличаване на масата им и с намаляване на разстоянието между тях. Това е същата сила, която причинява падането на телата. (Почти сигурно е, че историята с Нютон и ябълката е измислица. Всичко, казано от самия Нютон по въпроса, е, че идеята за гравитацията му хрумнала, докато, отдаден на съзерцание, е бил споходен отпадането на една ябълка) Нютон показал, че според неговия закон гравитацията кара Луната да се движи по елиптична орбита около Земята, а Земята и планетите — по елиптични пътища около Слънцето.
Моделът на Коперник се освободил от небесните сфери на Птолемей, ас тях и от представата, че Вселената има естествени граници. След като неподвижните звезди видимо не променяли положенията си, като изключим видимото им въртене под влияние на движението на Земята около собствената й ос, било естествено да се предположи, че неподвижните звезди са обекти като нашето Слънце, но много по-отдалечени.
Нютон знаел, че според неговата теория за гравитацията звездите би трябвало да се привличат взаимно, така чене биха могли да са неподвижни. А нямалите да падат заедно към някоя точка В писмо от 1691 г. до Ричард
Бентли, друг водещ мислител на своето време, Нютон разсъждава, че това наистина би се случило, ако звездите са краен брей и са разпределени в ограничена област от пространството. Но, от друга страна, разсъждава той, ако броят име безкраен и теса разпределени повече или по-малко равномерно в безкрайно пространство, това няма да се случи, защото няма да има център, към който да падат.
Този аргумент е пример закапаните, в които можем да попаднем, когато говорим за безкрайността. В една безкрайна Вселена всяка точка може да се разглежда като център, тъй като има безкраен брой звезди от всичките си страни. Както стана ясно едва много по-късно, правилният подход е да се разглежда крайният случай, когато всички звезди падат една към друга, и след това да се запитаме как се променят нещата, ако прибавим още звезди,

приблизително равномерно разпределени извън тази област. Според закона на Нютон добавените звезди средно няма да предизвикат никаква разлика, така че звездите ще падат със същата скорост. Можем да добавим колкото звезди искаме и те пак ще продължат винаги да падат. Сега вече знаем, че е невъзможно да имаме безкраен статичен модел на Вселената, в който гравитацията да означава винаги привличане.
Едно интересно отражение върху общия духна мисли преди XX вече никой не си е задавал въпроса, дали Вселената се разширява или свива. Общоприето било, че Вселената е съществувала вечно в непроменящо се състояние или е била създадена в определен момент отминалото повече или по-малко във вида, в който я наблюдаваме днес. Отчасти това може би се дължина склонността на човека да вярва във вечните истини, както и на утехата, която намира в мисълта, че дори той да остарее и умре, Вселената е вечна и неизменна.
Дори тези, които разбирали, че според теорията на Нютон за гравитацията Вселената не би могла да е статична, не се замисляли дали не се разширява. Вместо това те се опитвали Да видоизменят теорията, приемайки при много големи разстояния гравитационната сила за отблъскваща. Това не променяло значимо предсказанията им за движенията на планетите, но позволявало едно безкрайно разпределение на звездите да остава в равновесие, като силите на привличане между близките звезди се компенсират със силите на отблъскване от далечните. Но ние вече знаем, че такова равновесие ще е нестабилно ако звездите от една област се сближат помежду си макари незначително, силите на привличане между тях ще нараснати ще надделеят над силите на отблъскване, така че звездите ще продължат да падат една към друга. От друга страна, ако звездите се раздалечат макари малко, силите на отблъскване ще надделеят и още повече ще ги раздалечат.
Друго възражение към съществуването на безкрайна статична Вселена обикновено се приписвана немския философ Хайнрих Олберс, писал за тази теория през 1823 г. Всъщност проблемът е бил поставян от различни съвременници на Нютон, а статията на Олберс дори не е първата, съдържаща правдоподобни аргументи против. Тя обаче е първата, получила широка известност. Трудното е, че в една безкрайна статична Вселена почти всеки зрителен лъч би завършил върху повърхността на звезда. Поради това бихме могли да очакваме, че дори нощем цялото небе ще е ярко като Слънцето.
Контрааргументът на Олберс бил, че светлината от далечните звезди отслабва поради поглъщане от междузвездното вещество. Ако е така обаче, това вещество би трябвало да се нагрява и накрая да засвети така ярко, както звездите. Единственият начин да избегнем извода, че цялото нощно небе трябва да е толкова ярко, колкото слънчевата повърхност, е да приемем, че звездите не са светили вечно, а само след някакъв момент отминалото. В такъв случай поглъщащото вещество може още да не сее нагряло или светлината от далечните звезди още да не е стигнала до нас. А това ни навеждана въпроса, преди всичко какво е накарало звездите да засветят.
Началото на Вселената, разбира сее въпрос, който се разисква от много време. Според някои древни космологии и еврейско-християнско-

мюсюлманските предания Вселената сее появила в определен, не твърде отдавнашен момент отминалото. Един от аргументите за такова начало е било разбирането, че е необходимо да има Първопричина, с която да се обясни съществуването на Вселената. (Вътре във Вселената винаги можете да обясните едно събитие като следствие от някакво предишно събитие, но съществуването на самата Вселена може да се обясни по този начин само ако тя е имала някакво начало) Св. Августин излага друг аргумент в книгата си Божият град. Той отбелязва, че цивилизацията се развива и ние помним чие е това дело или кой е създал този метод. Така че човекът, а вероятно и Вселената, едва ли съществуват отдавна. Св. Августин приема датата на сътворението на Вселената приблизително 5000 г. пр.н.е. според Битие. Интересно, чене е така далеч от края на последната ледникова епоха — около
10000 г. пр.н.е., когато според археолозите е началото на цивилизацията.)
От друга страна, Аристотел, а и повечето от другите гръцки философи не приемали идеята за сътворението, тъй като твърде много им намирисвала на божия намеса. Според тях човешката раса и светът край нея са съществували и ще съществуват вечно. Древните учени вече били разсъждавали върху аргумента за описаното по-горе развитие и намирали отговора в твърдението, че е имало периодични наводнения или други бедствия, които непрестанно връщали човечеството пак в началото на цивилизацията.
Въпросите, дали Вселената има начало във времето и дали е ограничена в пространството, били впоследствие широко изучени от философа Имануел Кант в неговия монументален (и твърде мъгляв) труд Критика на чистия разум, публикуван през 1781 г. Той нарича тези въпроси антиномиите. противоречия) на чистия разум, защото според него имало еднакво силни аргументи да се вярвана тезата, че Вселената има начало, както и на антитезата, че е съществувала вечно. Неговият аргумент за тезата бил, че ако Вселената не е имала начало, би трябвало да съществува безкраен период от време преди което ида е събитие, а това според него е абсурд. Аргументът за антитезата бил, че ако Вселената е имала начало, би трябвало да съществува безкраен период от време преди това начало, така че защо трябва да има начало в някакъв определен момент В действителност случаите както с тезата, така и с антитезата са наистина един и същ аргумент. И двата се базират на негласното му допускане, че времето може вечно да бъде продължено назад независимо дали Вселената е, или не е съществувала вечно. Както ще видим, концепцията за времето няма смисъл преди началото на Вселената. Това е отбелязано за първи път от св. Августин. Когато го запитали Какво е правил Бог, преди да създаде Вселената, Августин не отвърнал Подготвял е ада за хора, които задават такива въпроси, а казал, че времето е свойство на Вселената, създадена от Бог, и че времето не съществува преди началото на Вселената.
Когато повечето смятали, че Вселената е статична и неизменна, въпросът, дали е имала начало, всъщност бил отмета) физиката или теологията. Човек можел еднакво добре да си обясни наблюдаваното както с теорията, че Вселената е съществувала вечно, така и с теорията, че сее появила в някакъв определен момент по такъв начин, катода изглежда, че е

съществувала вечно. Но през 1929 г. Едуин Хъбъл направил епохалното наблюдение, че накъдето ида се обърнем, далечните галактики бързо се разбягват от нас. С други думи, Вселената се разширява. А това значи, че в по- ранни времена обектите са били по-близо един до друг. Фактически, изглежда, е имало време, преди около 10–20 млрд. години, когато всичките са били точно ведно и също място и когато поради това плътността на Вселената е била безкрайна. Това откритие най-сетне поставило въпроса за началото на Вселената пред науката.
Наблюденията на Хъбъл подсказват, че е имало време, наречено Големият взрив, когато Вселената е била безкрайно малка и безкрайно плътна. При такива условия всички научни закони, а следователно и цялата възможност да се предвиди бъдещето биха се провалили. Ако е имало събития преди това времето те не биха оказали влияние върху това, което се случва в настоящия момент. Тяхното съществуване може да се пренебрегне, защото не би имало наблюдаеми последствия. Бихме могли да кажем, че времето е имало начало в момента на Големия взрив в смисъл, че просто не можем да дефинираме времена преди това. Трябва да отбележим, че това начало във времето е твърде различно от разглежданите преди. В неизменяща се Вселена едно начало във времето е нещо, което трябва да се въведе от някой извън Вселената физическа необходимост отначало няма. Човек може да си представи, че Бог е създал Вселената буквално в кой да е момент в миналото. От друга страна, ако Вселената е разширяваща се, може да има физически причини за необходимостта да съществува начало. Пак можем да си представим, че Бог е създал Вселената в момента на Големия взрива даже след това, и то по такъв начин, чеда изглежда катода е имало Голям взривно би било безсмислено да смятаме, че е била създадена преди Големия взрив. Една разширяваща се Вселена не изключва наличието на създател, но поставя граници върху това, кога би могъл да си свърши работата:
За да говорим за естеството на Вселената ида обсъждаме въпроси като този дали тя има начало или край, трябва да сме наясно с въпроса, какво значи научна теория. Аз ще приема елементарното гледище, че една теория е просто модел на Вселената или на ограничена нейна част, набор отправила, които свързват величините в модела с направените наблюдения. Тя съществува само в нашето съзнание и няма никаква друга реалност (каквото ида значи това. Една теория е добра, ако удовлетворява две изисквания тя трябва точно да описва голям клас наблюдения на базата на модел, съдържащ само няколко произволни елемента, ида може да прави определени предсказвания за резултатите от бъдещи наблюдения. Например теорията на Аристотел, че всичко е съставено от четири елемента — земя, въздух, огъни вода, е достатъчно проста за качествена оценка, но тя неправи никакви определени предсказвания. От друга страна, Нютоновата теория за гравитацията се базирана още по-прост модел, в който телата се привличат помежду си със сила, пропорционална на величината, наречена тяхна маса, и обратнопропорционална на квадрата от разстоянието между тях. И въпреки това тя предсказва с висока точност движенията на Слънцето, Луната и планетите.

Всяка физична теория е винаги условна, в смисъл че тя е само хипотеза никога не можеш да я докажеш. Няма значение колко пъти експерименталните резултати се съгласуват сдадена теория, човек никога не е сигурен дали следващия път резултатът няма да противоречи на теорията. От друга страна, можем да отречем някоя теория, като открием и едно-едничко наблюдение, което не се съгласува с предвижданията й. Както отбелязва философът на науката Карл Попър, една добра теория се характеризира с факта, че прави множество предсказания, които могат принципно да бъдат опровергани от наблюденията. Винаги когато новите експерименти се съгласуват с предвижданията, теорията оцелява и нашето доверие към нея нараствано когато и само едно ново наблюдение не се съгласува, трябва да изоставим или видоизменим теорията. Поне така би трябвало да е, но човек винаги може да се усъмни в компетентността на лицето, провело наблюдението.
На практика най-често става така, че се създава нова теория, която всъщност е разширение на предишната. Например много точните наблюдения на планетата Меркурий показаха малки разлики между неговото движение и предсказанията на Нютоновата теория за гравитацията. Общата теория на относителността на Айнщайн предвижда малко по-различно движение в сравнение с Нютоновата теория. Фактът, че Айнщайновите предвиждания се съгласуват с наблюденията, докато Нютоновите — не, е едно от решаващите потвърждения на новата теория. Въпреки това ние си служим с теорията на Нютон в практиката, защото разликата между нейните предвиждания и тези на общата теория на относителността е много малка в случаите, с които обикновено си имаме работа. (Нютоновата теория има голямото предимство да е много по-проста за разлика от Айнщайновата!)
Крайната цел на науката е да даде една-единствена теория, която да описва цялата Вселена. Но подходът на повечето учение да разделят задачата надве. Първо, съществуват закони, които ни казват как Вселената се изменя с времето. (Ако знаем каква е Вселената във всеки момент, тези физически закони ни казват каква ще бъде в кой да е по-късен момент) Второ, остава въпросът за началното състояние на Вселената. Според някои науката би трябвало да се занимава само с първата задача те гледат на въпроса за началното състояние като на предмет от метафизиката и религията. Според тях, бидейки всемогъщ, Бог е могъл да създаде Вселената както си иска. Може и така да е, нов такъв случай той би трябвало да я накара да се развива съвсем произволно. А, изглежда, е предпочел тя да се развива твърде правилно, съобразно с определени закони. Поради това е също толкова логично да предположим, че има и закони, управляващи началното състояние.
Излиза, че създаването на теория, която да описва Вселената изцяло, е трудна работа. Ето защо ние разделяме този проблемна части и измисляме много частни теории. Всяка от тези частни теории описва и предвижда някакъв ограничен клас наблюдения, като пренебрегва ефектите от другите величини или ги представя като прости множества от числа. А може битова е напълно погрешен подход. Ако всичко във Вселената зависи от всичко останало по някакъв фундаментален начин, може да се окаже невъзможно да се приближим към едно пълно решение, изследвайки изолирано частите на задачата. Въпреки

това именно по този начин сме постигнали напредък в миналото. Класическият пример отново е Нютоновата теория за гравитацията, според която гравитационната сила между две тела зависи само от едно число, свързано с всяко тяло — неговата маса, но иначе е независима от материята на тези тела. Ето защо не се налага да разполагаме с теория за строежа и състава на Слънцето и планетите, за да изчислим техните орбити.
Днес учените описват Вселената в термини от двете основни частни теории — общата теория на относителността и квантовата механика. Теса големите интелектуални постижения от първата половина на нашия век. Общата теория на относителността описва силата на гравитация и едромащабната структура на Вселената, те. структурата в мащаб от няколко мили домили, размерите на наблюдаемата Вселена. От друга страна, квантовата механика се занимава с явления в изключително малки мащаби, такива като 10
–12
инча. За съжаление, както знаем, тези две теории са несъвместими една с друга двете не могат да бъдат коректни едновременно. Един от основните стремежи във физиката днес, а и главната тема на тази книга е търсенето на нова теория, която да включи и двете, една квантова теория за гравитацията. Засега не разполагаме с такава теория и може би сме твърде далеч от нея, но вече знаем много от свойствата, които тя трябва да има. А в следващите глави ще видим, че вече знаем и доста от предсказанията, които една квантова теория на гравитацията трябва да направи.
И накрая, ако вярваме, че Вселената не е произволна, а се управлява от определени закони, трябва да съчетаем частните теории в една завършена единна теория, която да описва всичко във Вселената. Нов търсенето на такава завършена единна теория има един основен парадокс. Идеите за описаните по-горе научни теории предполагат да сме разумни същества, свободни да наблюдаваме Вселената както желаем ида правим логически изводи от видяното. В една такава схема е логично да предположим, че бихме могли да стигнем още по-близко до законите, управляващи Вселената. Но ако това наистина е завършена единна теория, тя вероятно би определила и нашите действия. Излиза, че самата теория трябва да определя резултата от търсенето й А защо тя би определяла дали сме стигнали до правилни изводи от доказателствата Не можели еднакво добре да определя и погрешните изводи Или че въобще няма извод?
Единственият отговор, който мога да дам на този въпрос, се базирана
Дарвиновия принцип за естествения подбор. Идеята е, че във всяка популация от самовъзпроизвеждащи се организми ще настъпят изменения в генетичния материали развитието за различните индивиди. Тези разлики ще означават, че някои индивиди са по-способни да намират правилните изводи за света около тях ида действуват по съответния начин. По-вероятно е тези индивиди да оцелеят ида се възпроизведат, така че техният модел на поведение и мислене ще надделее. Несъмнено така наречените от нас интелигентности научно откривателство в миналото са изразявали едно предимство за оцеляване. Не е
съвсем ясно далии сега е така нашите научни открития могат да доведат до унищожението ни, а дори това да не стане, една завършена единна теория може би няма кой знае колко да допринесе за шанса ни да оцелеем. Но след

като Вселената сее развивала по правилен начин, можем да очакваме, че способността да разсъждаваме, дадена ни от естествения подбор, ще е валидна и за нашето търсене на завършена единна теория, така че няма да ни доведе до погрешни изводи.
След като частните теории, които вече имаме, са достатъчни, за да правим точни предсказания във всички случаи с изключение на екстремните, търсенето на окончателна теория за Вселената изглежда задача, трудна за оправдание от практическа гледна точка. Струва си да отбележим, че при всече подобни аргументи са използвани и срещу теорията на относителността, и срещу квантовата механика, тези теории са ни далии ядрената енергия, и революцията в микроелектрониката Ето защо откриването на завършена единна теория може ида не помогне за оцеляването ни. Възможно е дори да не окаже влияние върху начина на живот. Но още от зората на цивилизацията хората не са се задоволявали да гледат на събитията като на нещо необяснимо и без взаимна връзка. Теса били жадни да разберат скрития ред в света. И днес ние горим от желание да разберем защо сме тук и откъде сме дошли. А най-съкровеният стремеж на хората към познание е достатъчно оправдание да продължим търсенето. И нашата целене друго, а пълното описание на Вселената, в която живеем. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЕ
Сегашните ни представи за движението на телата датират от времето на Галилей и Нютон. Преди тях хората са вярвали на Аристотел, според когото естественото състояние наедно тяло е покоят, от който може да бъде изведено чрез сила или импулс. Оттук следвало, че тежкото тяло трябва да пада по- бързо от лекото, защото по-силно ще се притегля от Земята.
Освен това учението на Аристотел твърди, че човек може да изведе всички закони, на които се подчинява Вселената, чрез просто размишление няма нужда от наблюдателна проверка. Итака никой преди Галилей не си е дал труд да провери дали тела с различно тегло действително падат с различна скорост. Твърди сече Галилей демонстрирал погрешността в схващането на Аристотел, като пускал тежести от наклонената кула в Пиза. Тази история почти сигурно не е вярна, но Галилей наистина е правил нещо подобно търкалял топки с различно тегло понаклонена равнина. Ситуацията е сходна с отвесното падане на телата, но по-лесно се наблюдава, защото скоростите са по-малки. Измерванията на Галилей показали, че независимо от теглото си всяко тяло увеличава скоростта си седна и съща степен. Ако например пуснете топка по наклон от един метър на всеки десет метра, топката ще се движи надолу по наклона със скорост около един метър в секунда след първата секунда, два метра в секунда след втората секунда и т.н. независимо колко е тежка. Разбира се, оловото ще пада по-бързо от перцето, но това е така само защото перцето бива забавяно от съпротивлението на въздуха. Ако пуснем две тела, за които въздушното съпротивление не е много голямо, например две различни оловни тела, те ще падат с еднакви скорости.

Нютон използвал изчисленията на Галилей като база засвоите закони за движение. При експериментите на Галилей, когато едно тяло се търкаля понаклонена равнина, върху него действа винаги една и съща сила (неговото тегло, която го кара постоянно да увеличава скоростта си. Това показва, че истинският ефектна една сила се изразява винаги в промяна на скоростта на дадено тяло, а не просто в привеждането му в движение, както се мислело дотогава. Това значи също, че ако върху едно тяло не действа сила, то ще продължава да се движи по права линия седна и съща скорост. Тази идея е изразена ясно за първи път в книгата на Нютон Математически принципи, публикувана през 1687 ги е известна като първи законна Нютон. Какво става с тяло, когато върху него действа сила, посочва вторият законна Нютон. Според него тялото ще се ускорява или ще променя скоростта си пропорционално на силата. (Например ускорението ще едва пъти по-голямо при два пъти по-голяма сила) Освен това ускорението е толкова по-малко, колкото по-голяма е масата (или количеството вещество) на тялото. Една и съща сила предизвиква два пъти по-малко ускорение при два пъти по-голяма маса. (Познат пример е автомобилът колкото помощен е двигателят, толкова по-голямо е ускорението, но колкото по-тежка е колата, толкова по-малко е ускорението при един и същ двигател.)
Освен тези закони за движението Нютон открил закон за описване на гравитационната сила, според който всяко тяло привлича всяко друго тяло със сила, пропорционална на масата му. Така силата между две тела ще бъде два пъти по-голяма, ако удвоим масата на едното (например на тялото А). Това може да се очаква, защото можем да си представим новото тяло А като съставено от две тела с първоначалната маса. Всяко от тях ще привлича Б с първоначалната сила. Итака общата сила между А и Б ще бъде два пъти по- голяма от първоначалната. А ако, да кажем, масата на едното от телата стане два пъти по-голяма, а на другото три пъти, то силата ще нарасне шест пъти. Сега вече можем да разберем защо всички тела падат с еднаква скорост върху едно тяло с два пъти по-голямо тегло ще действа два пъти по-голяма гравитационна сила, но и масата му ще бъде два пъти по-голяма. Според втория законна Нютон тези два ефекта ще се унищожат взаимно, така че при всички случаи ускорението ще е еднакво.
Законът на Нютон за гравитацията ни казва още, че колкото по- раздалечени са телата, толкова по-малка е силата.
Нютоновият закон за гравитацията сочи, че гравитационното привличане на една звезда е точно една четвърт от това за същата звезда на половината разстояние. Този закон предсказва орбитите на Земята, Луната и планетите с голяма точност. Ако законът твърдеше, че гравитационното привличане на една звезда намалява по-бързо с нарастване на разстоянието, орбитите на планетите нямаше да са елиптични и те биха се движили поспирала към Слънцето. Ако то намаляваше по-бавно, гравитационните сили от далечните звезди щяха да преобладават надземната гравитация.
Голямата разлика между идеите на Аристотел и на Галилей и Нютон се състои в това, че според Аристотел съществува едно предпочитано състояние на покой, което всяко тяло заема, ако не бъде приведено в движение от някаква

сила или импулс. По-конкретно той смятал, че Земята е в покой. Но от законите на Нютон следва, че няма един единствен критерий за покой. Можем еднакво уверено да твърдим, четялото А е в покой, а тялото Б се движи с постоянна скорост по отношение на А, както и четялото Б е в покой, а тялото А се движи. Така например, ако за момент изключим въртенето на Земята и обикалянето й около Слънцето, можем да кажем, че Земята е в покой и че върху нея в посока север пътува влак със скорост 90 мили в час, или че влакът е в покой, а Земята се движи на юг смили в час. Ако експериментираме с движещи сетела във влака, всички закони на Нютон ще са в сила. Така например, ако играем пинг- понг във влака, ще установим, че топката спазва законите на Нютон също както топка върху маса на релсите. Така чене бихме могли да твърдим кое се движи
— влакът или Земята.
Липсата на абсолютен критерий за покой означава, чене сме в състояние да кажем дали две събития, настъпващи в различно време, са станали наедно и също място в пространството. Да предположим например, че нашата топка за пинг-понг във влака отскача право нагоре и надолу, като докосва масата наедно и също място два пъти през една секунда. Човек на релсите би възприел двете отскачания като раздалечени на 40 метра, тъй като затова време влакът ще е изминал това разстояние по релсите. Абсолютен покой не съществува и това означава, че наедно събитие не можем да припишем абсолютно положение в пространството, както е мислел Аристотел. Положенията на събитията и разстоянията между тях ще бъдат различни за човек във влака и човек на релсите и няма да имаме основание да предпочетем положението на единия спрямо другия.
Нютон бил твърде загрижен от тази липса на абсолютно положение или абсолютно пространство, както се нарича, защото това не било в съгласие с идеята муза абсолютен Бог. Фактически той отказал да приеме отсъствието на абсолютно пространство, макар то да е следствие от собствените му закони. Затова си ирационално схващане той бил жестоко критикуван от мнозина и най- вече от епископ Бъркли — философ, който вярвал, че както всички материални обекти, така и пространството и времето са илюзия. Когато казали на известния тогава д-р Джонсън какво мисли Бъркли, той викнал възмутен Аз опровергавам това така и ритнал един голям камък.
И Аристотел, и Нютон вярвали в абсолютното време, те. вярвали, че интервалът от време между две събития може недвусмислено да се измери и той ще е един същ независимо кой го е измерил, при условие че е използван точен часовник. Времето е напълно отделено и е независимо от пространството. Повечето бихме се съгласили, че това схващане е разумно. И все пак се наложи да променим представите си за пространство и време. Макар нашите очевидни представи за здравия смисъл да ни вършат работа, когато става дума за обекти като ябълката или планетите, които се движат сравнително бавно, те изобщо не ни служат, когато става дума за обекти, движещи се със скоростта на светлината.
Фактът, че светлината се движи с крайна, но твърде висока скорост, бил установен за първи път през 1676 г. от датския астроном Оле Кристенсен
Рьомер. Той забелязал, че моментите, в които луните на Юпитер се появяват

иззад Юпитер, не са равноотдалечени по време, както би трябвало да очакваме, ако те обикалят около Юпитер с постоянна скорост. Тъй като Земята и Юпитер обикалят около Слънцето, то разстоянието между тях се мени.
Рьомер забелязал, че затъмненията на луните на Юпитер се наблюдават толкова по-късно, колкото поотдалечени сме от Юпитер. Според неготова е така, защото когато сме поотдалечени, на светлината от луните е необходимо повече време да стигне до нас. Неговите измервания на промените в разстоянието между Земята и Юпитер обаче не били твърде точни, така че според него скоростта на светлината била 140 000 мили в секунда, докато сега се приема 186 000 мили в секунда. Независимо от това постижението на
Рьомер не само в доказването, че светлината се движи с крайна скоростно и в измерването й е забележително, особено предвид факта, че се явява единадесет години преди публикацията на Математически принципи на
Нютон.
Истинска теория за разпространението на светлината се появила едва през 1865 г, когато английският физик Джеймс Кларк Максуел успял да обедини частните теории, използвани дотогава за описание на електрическите и магнитните сили. Уравненията на Максуел предвиждали, че в комбинираното електромагнитно поле трябва да съществуват вълноподобни смущения, които да се разпространяват с постоянна скорост както вълничките в езеро. Когато дължината на тези вълни (разстоянието между гребена на една вълна и следващата) е метър или повече, това са така наречените от нас радиовълни.
По-късите са известни като микровълни (няколко смили инфрачервени повече от десет хилядни от см). Видимата светлина е с дължина на вълната между 40×10 6
и 80×10 6
см. Още по-късите вълни са известни като ултравиолетови, рентгенови и гама лъчи.
Според теорията на Максуел радиовълните и светлинните вълни трябва да се движат с някаква постоянна скорост. Но теорията на Нютон се била избавила от представата за абсолютен покой, така че, ако приемем скоростта на светлината за постоянна, би трябвало да кажем относно какво ще я измерваме. Поради това се приело, че съществува субстанция, наречена етер, която е навсякъде, дори в празното космическо пространство. Светлинните вълни преминават през етера, както звуковите през въздуха, и поради това тяхната скорост се определя по отношение на етера. Движейки се относно етера, различните наблюдатели ще виждат светлината да се приближава към тях с различни скорости, но скоростта на светлината относно етера ще остава постоянна. В частност при движението на Земята през етера по орбитата й около Слънцето скоростта на светлината, измерена в посока наземното движение през етера (когато се приближаваме към светлинния източник, трябва да е по-висока от скоростта на светлината, перпендикулярна на това движение (когато не се движим към източника. През 1887 г. Албърт
Майкелсън (който впоследствие стана първият американец, носител на Нобелова награда за физика) и Едуард М орли проведоха един много точен експеримент в Школата по приложни науки „Кейз“ в Кливланд. Те сравниха скоростите на светлината в посока наземното движение и под прав ъгъл към

земното движение и за свое голямо учудване установиха, чеса съвсем еднакви!
Между 1887 ги г. бяха направени опити (най-забележителният беше на холандския физик Хендрик Лоренц) да се обясни резултатът от експеримента на Майкелсън—Морли с помощта насвиване на телата и забавяне на часовниците при движението им през етера. През 1905 г. в един известен трудна неизвестния дотогава чиновник в Швейцарското патентно бюро Алберт Айнщайн бе отбелязано, че идеята за етера въобще не е необходима, ако човек реши да изостави идеята за абсолютно време. Подобна забележка бе направена няколко седмици по-късно и от водещия френски математик Анри Поанкаре. Аргументите на Айнщайн са повече от физически характер, докато тези на Поанкаре са математически. Най-често на Айнщайн се приписва новата теория, а Поанкаре се помни като човек, чието име е свързано с важна част от нея.
Основният постулат на теорията на относителността е, че научните закони трябва да са едни и същи за всички свободно движещи се наблюдатели независимо от тяхната скорост. Това е вярно за Нютоновите закони за движение, но сега идеята бе разширена и включи Максуеловата теория и скоростта на светлината всички наблюдатели би трябвало да измерват една и съща скоростна светлината независимо от това, колко бързо се движат. Тази проста идея има няколко забележителни следствия. Може би най-известните са еквивалентността между маса и енергия, обобщена в знаменитото уравнение на Айнщайн E = mc² (където E е енергията, m е масата, а c е скоростта на светлината, и законът, че нищо не може да се движи със скорост, по-голяма от тази на светлината. Тъй като масата и енергията са еквивалентни, енергията наедно тяло, дължаща сена неговото движение, ще увеличава масата му. С други думи, тя ще затруднява нарастването на скоростта му. Този ефект е наистина значим само при обекти, движещи се със скорости, близки до скоростта на светлината. Така например, при 10% от скоростта на светлината масата на обекта е едва 0,5% над нормалната, докато при 90% тя ще е повече от два пъти нормалната му маса. Когато скоростта на обекта се доближи до скоростта на светлината, масата му нараства още по-бързо и за да увеличи още повече скоростта си, че му е необходима още по-голяма енергия. Фактически той никога няма да достигне скоростта на светлината, защото тогава масата му би трябвало да стане безкрайна, а поради еквивалентността на маса и енергия тялото би трябвало да получи безкрайно количество енергия, за да я достигне. Следователно теорията на относителността завинаги ограничава движението на всички нормални тела до скорости, по-ниски от светлинната. Само светлинните или други вълни, които нямат собствена маса, могат да се движат със скоростта на светлината.
Едно също толкова забележително следствие от теорията на относителността е революционната промяна в представите низа пространство и време. Според теорията на Нютон, когато изпратим светлинен импулс от едно място на друго, различните наблюдатели биха се съгласили за времето, необходимо за изминаването на този път (защото времето е абсолютно, но невинаги ще се съгласят за изминатия от светлината път (защото

пространството не е абсолютно. Понеже скоростта на светлината е тъкмо изминатото от нея разстояние, разделено на изтеклото време, за различните наблюдатели скоростта на светлината ще е различна. Според теорията на относителността обаче скоростта на светлината трябва да е еднаква за всички наблюдатели. Но и за тях изминатото от светлината разстояние ще е различно, така че в случая и мнението им затова, колко време е изтекло, ще е различно. Изтеклото време представлява изминатото от светлината разстояние — за което мненията на наблюдателите се различават, разделено на скоростта на светлината — за което мненията им съвпадат) С други думи, теорията на относителността слага крайна идеята за абсолютно време Излиза, че всеки наблюдател трябва да има собствена мярка за времето, отчетено по часовника, който носи със себе си, и че едни и същи часовници на различни наблюдатели няма непременно да съвпадат.
Всеки наблюдател може да използва радар, за да каже къде и кога е настъпило дадено събитие, като изпрати светлинен или радиовълнов импулс. Част от импулса се отразява от събитието, а наблюдателят измерва времето, когато ехото стигне до него. В такива случаи казваме, че момента на събитието е времето по средата между момента на изпращане на импулса и момента на пристигане на отражението разстоянието на събитието е половината от времето затова пътуване в Двете посоки, умножено по скоростта на светлината. (В този смисъл събитието е нещо, което става в една-единствена точка в пространството в конкретен момент време) Тази идея е илюстрирана на фиг. 2.1, която е пример за диаграма пространство-време. Използвайки тази процедура, наблюдателите, които се движат относно един друг, ще присвоят различни времена и местоположения наедно и също събитие. Измерванията на никой от двамата наблюдатели няма да са поточни от тези на другия, но между тези измервания ще има връзка. Всеки наблюдател може точно да определи какво време и положение всеки друг наблюдател ще припише наедно събитие, ако знае относителната скоростна наблюдателя.

Към фигурата Времето се измерва вертикално, а разстоянието от

Изтегляне 0.73 Mb.

Сподели с приятели: