Поль Лаберенн - Происхождение миров

• Название: Происхождение миров
• Автор: Поль Лаберенн
• Издательство: Государственное издательство технико-теоретической литературы
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1957

---

Аррениус утверждал, что вселенная не имеет конца, что она не может стариться, что миры беспрестанно рождаются и умирают. Цикл этой вечной эволюции он рисует следующим образом. Горячее солнце (звезда) охлаждается, затем потухает, покрывается твердой корой, но сохраняет очень высокую внутреннюю температуру. Столкновение такого потухшего солнца с другим потухшим солнцем приводит к возникновению так называемой новой звезды. Эта новая звезда превращается в спиральную туманность, которая в свою очередь становится звездным скоплением. Звезды скопления охлаждаются, и ход явлений возобновляется снова.

Многочисленные слабые стороны этой теории, конечно, видны сразу. В частности, в настоящее время известно, что новые звезды и спиральные туманности, содержащие миллиарды звезд, представляют собой объекты, которые никак нельзя сравнивать друг с другом.

Но Аррениус сумел, так сказать, «обратить» второй закон термодинамики, никак его не нарушая. Он предположил, что спиральная туманность, рождающаяся в результате удара двух потухших солнц, поглощает часть материи, которая выбрасывается звездами под давлением светового излучения, и слипается, образуя сначала метеориты. Таким образом, вселенная функционирует как некоторая тепловая машина, состоящая из горячих источников (звезд) и холодных источников (туманностей). Если догматически применять принцип Карно, то следовало бы говорить о выравнивании температур, т. е. об охлаждении звезд и об одновременном разогревании туманностей. Подобный механизм должен был бы в конце концов прекратить свою деятельность, и вселенная должна была бы умереть, поскольку перестал бы осуществляться обмен энергии.

Но согласно Аррениусу дело происходит не так. Он замечает, что туманности имеют очень малую плотность и, следовательно, весьма мало способны удерживать газовые молекулы, находящиеся вблизи их внешних границ.

Рис. 14. Большая туманность в созвездии Ориона

Когда звезды (солнца) посылают свое тепло туманностям посредством излучения света и материальных частиц, то эта энергия сообщает некоторым молекулам дополнительную скорость. Эти молекулы преодолевают притяжение туманности и покидают ее навсегда. Но самые быстрые молекулы характерны как раз для состояний с высокой температурой, и поэтому энергия, которая передается от звезд к туманностям, не повышает температуру последних. По выражению Аррениуса, «энергия распыляется или „портится“ в телах, находящихся в состоянии солнц и, напротив „улучшается“ в телах, которые находятся в состоянии туманностей».[95] Что касается «горячих» молекул, покидающих туманность, то они могут увеличить энергию других активных солнц.

Эту схему весьма любопытно рассмотреть с принципиальной точки зрения. Конечно, трудно сказать, что она в какой-то мере соответствует реальности. Аррениус не учитывает ни превращения вещества в излучение, ни многих других явлений, открытых к настоящему времени. Тем не менее, его теория остается интересной, поскольку она иллюстрирует тот факт, что принцип Карно не должен обязательно приводить к тепловой смерти, и, кроме того, напоминает нам, что статистические законы не могут применяться, если реализуются некоторые особые условия, не предусмотренные в общем случае.

Замечание Анри Пуанкаре

Рассуждения Аррениуса привлекли внимание Анри Пуанкаре, который, правда, не считал их ни легко осуждаемыми, ни полностью убедительными. Но они навели Пуанкаре на мысль о других случаях, где принцип Карно оказывается также неприменимым:

«Тепло отличается от живой механической силы, — говорит он,[96] — тем, что горячие тела образованы многочисленными молекулами, скорости которых имеют всевозможные направления в то время, как скорости, приводящие к наличию живой механической силы, направлены в одну и ту же сторону. Совокупность газовых молекул образует газ, который может быть холодным и контакт с которым охлаждает. Напротив, изолированные молекулы являются как бы метательными снарядами, удары которых разогревают. В межпланетном же пространстве молекулы отделены друг от друга огромными расстояниями и являются поэтому изолированными. Следовательно, их энергия как бы повышается качественно, она перестает быть просто теплом и продвигается в разряд работы».

Современная постановка проблемы

Теория Аррениуса рассматривала вечное восстановление миров без учета превращения корпускулярной материи в излучение. На современном уровне наших знаний проблема ставится совсем иначе. Действительно, как мы видели в гл. II, сейчас считают, что часть атомов, из которых состоят различные небесные тела, должна превратиться в излучение. Следовательно, для того чтобы было возможным возрождение миров, необходимо, чтобы имело место обратное явление, а именно, чтобы в некоторых областях вселенной происходило превращение излучения (в особенности гравитации) в корпускулярную материю.

Прежде чем переходить к подробному изложению этой проблемы, рассмотрим сущность такого явления и возможное его значение. Солнце теряет вследствие распада своих атомов одну десятитриллионную долю своей массы в течение года. Ради простоты предположим, что другие небесные тела вселенной теряют массу в той же пропорции и что восстановление начинается с формирования наиболее простых атомов, т. е. атомов водорода, тех первичных элементов, из которых могут образовываться более сложные атомы. Тогда можно вычислить, например, сколько атомов водорода должно рождаться в одном кубическом метре пространства, чтобы процессы превращения корпускулярной материи в излучение и излучения в корпускулярную материю компенсировали друг друга. Результат вычислений зависит, конечно, от определенных статистических данных, касающихся, в частности, средних плотностей вещества во вселенной, которые еще не известны достаточно точно. Но все же некоторые астрономы получили при вычислениях, что в одном кубическом метре пространства должен рождаться каждые 100 триллионов лет один атом водорода из излучения. Для того чтобы дать представление об этом числе, следует сказать, что слой земной атмосферы толщиной 100 км (если считать от поверхности Земли) занимает объем в 50 триллионов кубических метров; и в этом колоссальном объеме должно рождаться каждые два года лишь по одному атому водорода. Даже если увеличить этот результат, учитывая возможные ошибки при определении исходных данных, в 10 или 100 раз, то можно все же утверждать, что подобное явление восстановления вещества, если бы оно действительно имело место, оставалось бы непосредственно совершенно незаметным. Только некоторые последствия такого явления помогли бы нам обнаружить его существование. Впрочем, было бы неизвестно, происходит ли оно в земной атмосфере, или вблизи небесных тел, или в относительно пустом межзвездном пространстве.[97]

Первые теории, созданные с целью показать возможность такого восстановления корпускулярной материи, как, например, теория Нернста, прибегали еще за помощью к световому эфиру — в том виде, как его представляли в конце последнего века. Это была гипотетическая среда — носитель световых и электромагнитных явлений, заполняющая все пространство, являющаяся одновременно и невесомой и твердой и обладающая столькими противоречивыми свойствами, что пришлось отказаться от предположения о ее существовании. Мы не будем останавливаться на этих теориях, так как их основы были разрушены современной наукой, и рассмотрим те решения данной проблемы, которые можно предвидеть сегодня.

«Материализация» фотона

Проблема могла быть поставлена корректно благодаря созданию квантовой теории света, которая была выдвинута впервые в 1905 г. Эйнштейном и в дальнейшем получила блестящее подтверждение.[98]

В 1925 г. немецкий ученый Штерн поставил вопрос, не может ли столкновение двух частиц света (или, как их называют, двух фотонов) привести к рождению атома водорода, т. е. довольно сложной системы, состоящей из ядра с положительным электрическим зарядом (или протона) и из материальной частицы, заряженной отрицательно (или электрона). Штерн сделал вывод о возможности подобного явления при выполнении целого ряда условий, которые весьма редко могут быть осуществлены, особенно в межзвездном пространстве.[99] Действительно, это возможно, по Штерну, прежде всего лишь в условиях исключительно высокой температуры (равной многим миллионам градусов); впрочем, и обратное превращение, т. е. возникновение двух фотонов вследствие распада атома водорода, требует такой же температуры. Кроме того, для этого необходима исключительно большая плотность фотонов в данной области пространства. В 1931 г. немецкий ученый Доннан пришел к аналогичным выводам (в частности, в отношении температурных условий).