Чего не знает современная наука

Первая статья, содержащая результаты исследований, которые позднее были названы теорией относительности, вышла из печати в 1905 г. в ведущем физическом журнале того времени «Анналы физики». Ее автору было 26 лет. Теория относительности родилась из рассмотрения парадокса, с которым столкнулась физика на рубеже XIX–XX вв., и связана была с анализом распространения света в среде.

На первый взгляд, проблема движения не кажется нам очень уж интересной, и даже странно, что многие серьезные ученые потратили на ее изучение свои силы и время. Действительно, все мы видим вокруг себя некоторое пространство, в котором движутся или покоятся тела. Но вот беда – для различных наблюдателей, движущихся один относительно другого, неподвижными будут разные предметы. Например, если мы едем в поезде, то для нас неподвижны предметы, лежащие в купе, в то время как они движутся для человека, стоящего на платформе, мимо которой проносится поезд. Для большинства людей в житейском смысле неподвижно то, что не движется относительно Земли. Но как быть с гипотетическим наблюдателем, находящимся на Солнце? И вообще, можно ли найти во вселенной нечто «абсолютно неподвижное», с чем можно было бы соотносить движение любого предмета?

Одно время казалось, что ответ на этот вопрос положителен. На основании ряда экспериментов (в частности, основанных на наблюдении смещения видимого положения звезд при движении Земли) была сформулирована гипотеза о том, что свет представляет собой волны, распространяющиеся в «абсолютно неподвижной» среде, названной эфиром. Чтобы понять, с какой скоростью мы несемся в неподвижном пространстве, занятым эфиром, американским физиком Альбертом Майкельсоном, а позже и его соотечественником Эдвардом Морли были поставлены весьма точные опыты, которые, к величайшему удивлению ученых, эфира не обнаружили!

Ученые выдвинули ряд остроумнейших объяснений результатам опытов Майкельсона и Морли. Стало ясно, что наши представления о многих привычных вещах, мягко говоря, неточны. Чтобы понять, в каком положении оказались физики, можно сказать, что самое простое и в то же время абсурдное для рубежа XIX–XX вв. объяснение опытов Майкельсона и Морли состояло в том, что Земля абсолютно неподвижна! Попытка спасти «эфирную гипотезу» предположением о том, что Земля увлекает за собой часть эфира, «прилипшего» к ее поверхности, оказалась несостоятельной, так как предположение это противоречило другой серии опытов. Ирландский ученый Джордж Фитцджеральд предложил считать, что эфир «давит» на тела, движущиеся сквозь него, заставляя их сжиматься, причем расчеты для тел, движущихся со скоростью света, приводили к тому, что их длина в направлении движения должна равняться нулю. Это же объяснение даже в более общем виде предложил голландец Хендрик Лоренц; в частности, по его мысли, при движении через «эфирный ветер» часы замедляют свой ход.

Эти объяснения напоминают нам сейчас попытки «искать там, где светло»: они не могли оторваться от представлений об эфире и являлись подпорками под эту гипотезу. Эйнштейн же осмелился «шагнуть в темноту» и сделать то, что потом стало чуть ли не нормой для всей физики XX в.: отбросить то, что противоречит наблюдениям, и оставшееся считать физической реальностью, несмотря на всю кажущуюся абсурдность.

Эйнштейн отказался от существования эфира, отказался от понятия абсолютного покоя, от единого времени, текущего везде и для всех с одинаковым темпом, от понятия абсолютного размера, который одинаково характеризует протяженность предмета для всех наблюдателей. Отказался от столь очевидного правила сложения скоростей: для всех, что плавал на лодке по реке, стрелял на ходу из лука или ходил по мчащемуся вагону поезда совершенно ясно, что скорость лодки складывается из скорости течения воды и скорости лодки относительно воды и т. п. Однако это оказалось не так для больших скоростей, близких к скорости света. Итак, рухнули все привычные свойства движения и покоя. А что взамен?

Во-первых, Эйнштейн ввел два основных постулата. Первый из них звучит, скорее, как философский, а не физический закон: «Не существует способа, чтобы установить, находится ли тело в состоянии покоя или равномерного движения». Этот постулат, по сути, утверждает, что абсолютного покоя не существует. Второй постулат – более физический: «Независимо от движения своего источника свет движется через пустое пространство с одинаковой скоростью». Его следствием является то, что скорость света одинакова для любого наблюдателя во вселенной.

А во-вторых, взамен прежних появились новые абсолюты, не столь очевидные в повседневности, но единственные, которые могли создать непротиворечивую картину мира. Об одном из них речь шла в предыдущем абзаце – скорость света абсолютна! Второй абсолют связывает воедино пространство и время: если каждое событие описывать четырьмя числами – тремя пространственными координатами (x, y, z) и четвертой – временем t события, то для любого наблюдателя одинаковым является пространственно-временной интервал между двумя событиями, величина которого дается формулой

s = (x

+ y

+ z

– c

t

) / 2,

где c – скорость света. Множество следствий из приведенных постулатов весьма экзотичны, их трудно принять обыденным сознанием (подтверждением этому служат множество дискуссий, которые ведутся в том числе и в Интернете теми, кто не дал себе труд достаточно глубоко изучить теорию относительности). Тем не менее в верности этой теории убеждают не только экспериментальные подтверждения, но и удивительной красоты принципы симметрии природы, которые встают за ней. Например, теория относительности утверждает, что в физической системе все законы действуют вне зависимости от того, движется она или покоится. Теория утверждает равноправие всех точек пространства и времени, всех направлений в пространстве, утверждает новую физическую реальность – пространство-время со своей симметрией, устанавливает связи между гравитацией и инерцией, между массой и энергией.

Многие понятия, прежде считавшиеся самостоятельными и никак между собой не связанными, в теории относительности представляются как разные грани единой реальности. Благодаря ей мир сейчас видится нами значительно более «единым», чем в классической физике, тем самым на новом уровне возрождаются представления древних культур о всеобщей взаимосвязи всего сущего.

Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ

Хаос: время перемен

Кружится разноцветная толпа. Шутки, смех, всеобщее веселье, бьющее через край… Карнавальный вихрь подхватывает, несет за собой, и ты растворяешься в нем, испытывая удивительное чувство легкости, раскрепощенности, свободы от жестких форм повседневности.

Так рисуется нам новогодний праздник. Хочется стряхнуть с себя груз проблем, забыть о них, выйти из привычной оболочки.

Оказывается, такой способ встречи Нового года – не выдумка нашего времени, а дань очень давней традиции, отражавшей представления древних об устройстве космоса, то есть упорядоченного мира, о том, как он живет и развивается.

* * *

Мифологические представления о времени рисуют его нам в образе колеса Сансары, вращающего мир в бесконечной череде воплощений и разрушений, или в образе спирали. В ритуальных цикличных календарях регулярная смена сезонов упорядочивает мир, творит космос из хаоса, выражая разум Творца. Любое творение, возникшее и развивающееся по гармоничным божественным законам, древние называли космосом. Космосом может быть весь проявленный мир или отдельно взятое государство, город, семейный род.

С момента творения космоса начинает течь время, свое собственное для этого творения, и возникает пространство, в котором оно существует. Это своего рода пространственно-временная капсула, хронотоп. С каждым новым этапом развития космоса разрушается старый и приходит новый хронотоп, их чередование задает ритм Истории. Хронотопы не повторяются, но удивительным образом через хаос, через кажущийся полный беспорядок просачивается то, что несет опыт предыдущего этапа; хаос здесь – и творец новых форм, и разрушитель старого, он служит фильтром, не пропускающим через себя отжившее, переносящим лишь семена, зародыши нового существования.

В природе этот ритм чередования хронотопов виден в смене времен года. Своеобразным этапом хаоса является середина зимы, и поэтому во многих традициях праздник Нового года связывается с обновлением, отбрасыванием старого. Иногда это выражается даже буквально – в выбрасывании старых вещей, иногда символически – в ярких, шумных, хаотических праздниках, в зажигании нового огня.

Это было не просто время отдыха от бытовой повседневности. Считалось, что Новый год – время возвращения Золотого века, момент полного согласия людей и богов, момент соприкосновения с истоками всего сущего. Этот праздник служил своего рода глотком священного воздуха, который питал живительной силой весь следующий год.

* * *

Мифологическое восприятие времени и пространства древнего мира оказалось очень близким к современным научным представлениям. Анализ математических моделей сложных систем показал, что существуют универсальные сценарии развития, очень схожие с мифологическими.

Эти сценарии показывают существование разных фаз. В фазе беспорядка перемешаны разнородные и равноправные формы движения – так называемые моды. Когда наступает следующая фаза развития, из множества мод выделяются некоторые, наиболее устойчивые. Какие именно моды будут устойчивыми, зависит, с одной стороны, от структуры системы, то есть от ее внутренних параметров, а с другой стороны, от внешней среды. Так что новое состояние системы определяется ее почти «мифологическими» свойствами – можно говорить о внутреннем и внешнем пространстве системы.

Выделенные моды растут и приобретают черты устойчивого упорядоченного существования – космоса. Но время существования этих устойчивых мод ограничено, и рано или поздно они вновь исчезают в хаосе, снова рождающем новые формы. В математических моделях можно увидеть, как хаос «растворяет» формы, существовавшие на предыдущем этапе, и как осуществляется преемственность. Например, из хаотического теплового движения молекул воздуха рождается вихрь циклона, он живет несколько дней, а затем распадается на множество более мелких, и один из них может дать начало новому циклону.

Те же этапы ясно видны в исторических процессах (этапы хаоса здесь проявляются как социальные революции). Их можно заметить и в жизни отдельных живых организмов и их сообществ, и в развитии «неживых» физических, химических и других систем – например, в волнах, возникающих на поверхности океана, в узорах на поверхности твердых тел, в упорядоченных структурах в реакциях химической кинетики и т. п.

По сути, между переходными этапами хаоса во всех системах существуют мифологические хронотопы, рожденные взаимодействием текущего времени и структурой внутреннего и внешнего пространства системы. В этом смысле мифы и сейчас могут служить моделью окружающей реальности. Современное знание наполняет их новым содержанием, придает новый смысл символическим образам.

Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ

Возраст Земли

В 1654 году архиепископ Ашер, основываясь на Библии и данных астрономии и нумерологии, установил, что Земля была сотворена 23 октября 4004 года до н. э. в 9 часов утра. Сегодня христианские, исламские и иудаистские богословы, основываясь на религиозных текстах, утверждают, что Земле и Вселенной не больше 6000–10 000 лет. Китайские мифы говорят, что наша планета циклически создается и разрушается каждые 23 миллиона лет. Согласно индуистской космологии, ей примерно 2 миллиарда лет. Современные же ученые, использующие метод радиометрической датировки, абсолютно уверены, что она существует 4,5–4,6 миллиарда лет.

Нам одинаково сложно представить себе как тысячу, так и миллион, а тем более миллиард лет. Но все же что-то подсказывает, что таких принципиальных расхождений в датировках быть не должно. Возможно, оценивая возраст нашей матушки Земли разными способами, мы каждый раз что-то упускаем, если получаем столь отличающиеся друг от друга цифры. Мы можем доказывать справедливость какого-то одного метода, а можем привести их к общему знаменателю, «примирить» их – и это второе, пожалуй, будет лучшим критерием правильности оценки. Но такое станет возможно лишь в том случае, если мы решимся оставить за каждым из методов право на ошибку. Ведь если более-менее понятно, что священные тексты говорят не о физических, а о символических годах и периодах, то современные научные методы представляются абсолютно непогрешимыми. Но так ли это?

Уже в XIX веке ученые пытались определить возраст Земли, основываясь на предположении о линейности, поступательности тех процессов, которые протекают на ней и сегодня: увеличение солености океанов, охлаждение планеты, образование осадочных пород. Анализируя скорость этих процессов, ученые вычислили время, за которое Земля должна была принять свой современный вид и состояние. Итоговые оценки ее возраста колебались от 3 до 15 миллионов лет. Возможно, потому, что наблюдаемые процессы не были до конца поняты. Но в 1896 году было открыто явление радиоактивности, и это привело к развитию методов радиометрической датировки, которые к середине XX века стали давать казавшиеся надежными цифры. Во всяком случае, разногласия между учеными по вопросу возраста Земли прекратились: появился признанный всеми метод. В чем же его суть?

Принцип радиометрической датировки очень прост. Атомы некоторых элементов (урана, радия, тория и других) не остаются постоянными. Исходный, называемый материнским элемент спонтанно распадается, превращаясь в стабильный дочерний. Например, уран-238, распадаясь, превращается в свинец-206, а калий-40 – в аргон-40. Измеряя количество материнских и дочерних элементов в минерале, можно вычислить время, прошедшее с момента его образования: чем больше процент дочерних элементов, тем старше минерал. Правда, есть некоторые сложности. Даже если мы будем считать скорость распада постоянной (а радиоактивность известна всего-то 100 лет), то все равно часть дочерних элементов могла присутствовать в минерале изначально и исказить результат. Также известно, что если после кристаллизации минерал вновь плавится, то радиоактивные часы перезапускаются.

Сегодня известно множество примеров сбоя метода радиометрической датировки. Например, калий-аргоновый метод дал возраст от 160 миллионов до 2,96 миллиардов лет для гавайской лавы, извергнувшейся в 1800 году! Аналогичная история произошла с определением возраста черепа примата (этот череп известен как образец KNM-ER 1470). Был получен результат 212–230 миллионов лет, но ведь в это время людей вообще еще не было! Если говорить о тенденции, то во многих подобных случаях радиометрический метод слишком «старит» исследуемые образцы. Тем не менее сегодня он один дает, за редкими исключениями, согласованные результаты – близкие даты для одинаковых исследуемых образцов.

Согласно радиометрической датировке, самым старым на Земле минералам 3,96 миллиарда лет, а самым старым монокристаллам – 4,3 миллиарда. Ученые, правда, считают, что сама Земля старше, потому что радиометрический отсчет ведется от момента кристаллизации минералов, а планета какое-то время еще существовала в расплавленном состоянии. Эти данные вкупе с результатами исследований изотопов свинца в метеоритах позволяют сделать вывод о том, что вся Солнечная система сформировалась приблизительно 4,55 миллиарда лет тому назад. Повторю: это самые последние данные науки.

Ближе всего к ним, как ни странно, самые древние представления о возрасте нашей планеты. Согласно индусской философии, Земле в 2008 году исполнилось 1 972 949 109 лет, а всего она проживет в общей сложности 4,32 миллиарда лет – «день Брахмы», после чего умрет, и все ее низшие, материальные элементы распадутся. После периода отдыха, или «ночи Брахмы», такой же продолжительности она опять родится. Наша соотечественница Елена Петровна Блаватская утверждала, что эти цифры более или менее соответствуют доктрине Трансгималайского Братства, посланницей которого она была. Но почти в два раза, то есть существенно, расходятся с данными современной науки, несмотря на детальное указание сроков. Означает ли это, что древние индийские учения надо считать ошибочными? Только в том случае, если мы принимаем ключевые предположения, на которых базируется метод радиометрической датировки, а именно что радиоактивный распад начался сразу же, как сформировалась Земля, и что скорость его оставалась неизменной на протяжении всей истории планеты. Проверить эти предположения мы не можем, но можем немного глубже вникнуть в древние представления об эволюции Земли.

Согласно теософским учениям, принесенным на Запад Е. П. Блаватской, эволюцию Земли можно представить в виде нисходящей и восходящей дуг. Первую половину своей жизни (нисходящая дуга) Земля постепенно уплотнялась из первоначального эфирного во все более и более плотное состояние. Примерно 4,5 миллиона лет тому назад началась вторая половина жизни Земли (восходящая дуга), в течение которой она постепенно снова вернется в эфирное состояние. С точки зрения древней философии, объединявшей в себе науку и метафизику, радиоактивный распад как раз является признаком эфиризации, разуплотнения Земли. В настоящее время известно 118 химических элементов. Все трансурановые (с атомным номером больше 92) элементы очень нестабильны; некоторые не существуют в природе и известны только потому, что были искусственно синтезированы в лаборатории. Весьма вероятно, что несколько миллионов лет назад, когда Земля достигла точки максимальной материальности, эти химические элементы были более устойчивыми, чем сегодня. С началом второго периода жизни Земли (восходящей дуги) самые тяжелые элементы первыми стали радиоактивными. Поскольку процесс разуплотнения продолжается, более легкие элементы тоже станут нестабильными и скорость распада вырастет.

Таким образом, древние учения не говорят, что в прошлом скорости распада были иными, но утверждают, что большая часть истории Земли до настоящего момента характеризовалась уплотнением материи – процессом, противоположным радиоактивности. На восходящей дуге более тяжелые элементы стремятся распасться на более легкие, тогда как на нисходящей более легкие элементы стремятся объединиться в более тяжелые. Метод радиометрической датировки не допускает подобного представления. Считается, например, что весь уран в минерале присутствовал с момента его образования и что свинец был получен в основном в результате распада урана. То, что уран мог быть получен материализацией свинца, просто не допускается. Это приводит к существенному завышению реального возраста образца. Получается, что этот метод может дать хорошие относительные, но не абсолютные цифры.

Ученые признают, что более легкие элементы могут превратиться в более тяжелые посредством ядерного синтеза, но сегодня преобладает мнение, что это происходит только при температурах в миллионы градусов, которые, как считается, существуют в звездах. Однако биолог Луи Кервран и другие исследователи показали, что и в живых организмах, и в мире минералов некоторые элементы превращаются в более тяжелые без экстремально высоких температур и давления.

На сегодняшний день существуют следующие расхождения между древними учениями и современной наукой в датировке геологических периодов.

1. Палеозойская эра началась примерно 240 миллионов лет назад (наука: 540 миллионов). Делится на кембрийский, силурийский, ордовикский, девонширский, угольный, пермский периоды.

2. Мезозойская эра началась примерно 44 миллиона лет назад (наука: 245 миллионов). Делится на триасовый, юрский, меловой периоды.

3. Кайнозойская эра началась примерно 8 миллионов лет назад (наука: 66,4 миллиона). Делится на третичный (подразделения: палеоцен, эоцен, олигоцен, миоцен, плиоцен), четвертичный (подразделения: плейстоцен, голоцен) периоды.

4. Четвертичный период начался с ледникового периода плейстоцена приблизительно 870 000 лет назад (наука: 1,6 миллиона), который закончился исчезновением многих разновидностей больших млекопитающих приблизительно 10 000 лет назад в момент перехода к голоцену.

Эти расхождения, очевидно, вполне можно устранить, если допустить, что существовал (пусть в далекие времена) процесс уплотнения, противоположный тому, что сегодня называется радиоактивностью. Иными словами, если мы дадим право на существование одной из самых древних моделей эволюции нашей планеты.