скачать книгу бесплатно
§124. Карл Фридрих Гаусс (1829) в работе «Об одном новом общем законе механики» постулировал принцип наименьшего принуждения[84 - Принцип Гаусса, состоит в том, что в каждый момент времени истинное движение системы, находящейся под действием активных сил и подчиненной идеальным связям, отличается от всех кинематически возможных движений, совершающихся из той же начальной конфигурации и с теми же начальными скоростями, тем свойством, что для истинного движения мера отклонения от свободного движения, то есть принуждение, есть минимум. Принцип применим к механическим системам с идеальными связями], сформулировав, что «движение системы материальных точек, связанных между собой произвольным образом и подверженных любым влияниям, в каждое мгновение происходит в наиболее совершенном, какое только возможно, согласии с тем движением, каким обладали бы эти точки, если бы все они стали свободными, то есть происходит с наименьшим возможным принуждением, если в качестве меры принуждения, применённого в течение бесконечно малого мгновения, принять сумму произведений массы каждой точки на квадрат величины её отклонения от того положения, которое она заняла бы, если бы была свободной». [235].
§125. Симеон Дени Пуассон (1829) вывел эллиптическое дифференциальное уравнение в частных производных, которое описывает электростатическое поле, стационарное поле температуры, поле давления, поле потенциала скорости в гидродинамике. [236] Это уравнение имеет вид равенства оператора Лапласа[85 - Оператор Лапласа (лапласиан, оператор дельта) – дифференциальный оператор, действующий в линейном пространстве гладких функций и обозначаемый символом ?. Оператор Лапласа эквивалентен последовательному взятию операций градиента и дивергенции: ? = div f grad, таким образом значение оператора Лапласа в точке может быть истолковано как плотность источников (стоков) потенциального векторного поля grad F в этой точке. В декартовой системе координат оператор Лапласа часто обозначается следующим образом ? = ? ? ? = ?
, то есть в виде скалярного произведения оператора набла на себя. Оператор Лапласа симметричен. Оператор набла (оператор Гамильтона, гамильтониан) – векторный дифференциальный оператор, компоненты которого являются частными производными по координатам. Обозначается символом ? (набла). Для трёхмерного евклидова пространства в прямоугольной декартовой системе координат оператор набла определяется с учетом единичных векторов по осям x, y, z соответственно.] и вещественной или комплексной функции на некотором многообразии. Если функция стремится к нулю, то уравнение Пуассона превращается в уравнение Лапласа, как частный случай уравнения Пуассона. Уравнение Пуассона может быть решено с использованием функции Джорджа Грина (1828); например, экранированное уравнение Пуассона. [237] Есть различные методы для получения численных решений[86 - Например, используется «релаксационный метод» (от лат. relaxatio тут «уменьшение») – итерационный метод решения систем линейных алгебраических уравнений. В численной линейной алгебре метод последовательной сверхрелаксации (SOR) является вариантом метода Гаусса-Зайделя для решения линейной системы уравнений, приводящей к более быстрой сходимости. Аналогичный метод может быть использован для любого медленно сходящегося итеративного процесса.].
§126. Немецкий астроном Фридрих Вильгельм Август Аргеландер (1830) разработал простой метод визуальных оценок блеска исследуемой звезды по сравнению с окружающими постоянными звёздами (метод степеней), который широко применяется и поныне, впервые ввёл десятые доли в измерение звёздных величин, ввел современную номенклатуру переменных звёзд. [238] Аргеландер предложил обозначать переменные звезды каждого созвездия, в порядке их обнаружения, заглавными буквами латинского алфавита начиная с от R до Z (поскольку буквы до Q встречались в названии звезд в атласе Байера). [239] Например, первая переменная обнаруженная в созвездии Андромеды получала название R Andromedae или сокращенно R And. Вторая переменная звезда в этом же созвездии получила название S And и так далее до Z. В 1843 году вышел в свет труд Аргеландера «Новая Уранометрия» – атлас и каталог всех звезд, видимых невооруженным глазом. [240] В нём были упорядочены обозначения звезд, четко разграничены созвездия и более точно (до десятых долей) указаны звёздные величины.
§127. Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1834) придал математическую форму идеям Карно, содержащим фактически формулировку второго начала термодинамики, и впервые ввёл в термодинамику графический метод – индикаторные диаграммы, в частности предложил систему координат давление и объем (р-V). [241] Он вывел уравнение состояния идеального газа, объединяющее закон Бойля—Мариотта, закон Гей-Люссака и закон Авогадро, которое обобщено в 1874 году Дмитрием Ивановичем Менделеевым и впоследствии названо уравнением Менделеева—Клапейрона, как формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. [242] Идеальным газом называют газ, для которого можно пренебречь размерами молекул и силами молекулярного взаимодействия; соударения молекул в таком газе происходят по закону соударения упругих шаров. Реальные газы ведут себя подобно идеальному, когда среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, то есть при достаточно больших разрежениях[87 - Если записать объединенный газовый закон для любой массы любого газа, то получается уравнение Клайперона-Менделеева: PV= (m/M) RT где m – масса газа; M – молекулярная масса; P – давление; V – объем; T – абсолютная температура (К); R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/ (моль·К) Для данной массы конкретного газа отношение m/M постоянно, поэтому из уравнения Клайперона-Менделеева получается объединенный газовый закон.].
§128. Уильям Роуэн Гамильтон (1834—1835) указал способ построения «фундаментальной функции» (функции Гамильтона), из которой дифференцированием и конечными преобразованиями, без какого-либо интегрирования, получаются все решения вариационной задачи, опубликовав новый вариационный принцип, известный ныне как принцип стационарного или наименьшего действия, или принцип Гамильтона для механических систем со стационарными голономными связями. [243,244] Проварьировав действие независимо по всем обобщенным координатам и сопряженным им импульсам посредством лагранжиана динамической системы, Гамильтон получил новую форму уравнений движения механических систем, так называемые, канонические уравнения Гамильтона. Полученная система канонических уравнений содержит вдвое больше дифференциальных уравнений, чем у Лагранжа, но зато все они первого порядка, тогда как у Лагранжа – второго. Принцип наименьшего действия Гамильтона, точнее принцип стационарности действия – способ получения уравнений движения физической системы при помощи поиска стационарного[88 - Часто – экстремального, обычно, в связи со сложившейся традицией определения знака действия, наименьшего. Экстремальные принципы транслируют на язык математики философские понятия «возможность» и «действительность» и используют описание физических процессов как через действующие, так и через целевые причины.] значения специального функционала – действия[89 - Не все физические системы имеют уравнения движения, которые можно получить из этого принципа, однако все фундаментальные взаимодействия ему подчиняются, в связи с чем этот принцип является одним из ключевых положений современной физики. Получаемые с его помощью уравнения движения имеют название уравнений Эйлера – Лагранжа.]. Принцип стационарности действия – наиболее важный среди семейства экстремальных принципов. Набор координат и импульсов характеризует, в том числе и в каждый момент времени, динамическое состояние системы и, таким образом, полностью определяет эволюцию (движение) данной системы.
§129. Французский математик, механик и инженер Гаспар-Гюстав де Кориолис (1835) обратил внимание на эффект, что во вращающейся системе отсчета (например, на поверхности Земли) наблюдателю кажется, что тела движутся по изогнутой траектории. [245] В его статье о выходе энергии машин с вращающимися частями, такими как водяные колеса, рассматривались дополнительные силы, которые обнаруживаются при вращении. Кориолис разделил эти дополнительные силы на две категории. Вторая категория содержала силу, возникавшую из поперечного произведения угловой скорости системы координат и проекции скорости частицы в плоскость, перпендикулярную оси вращения системы. Кориолис называл эту силу «составной центробежной силой» из-за ее аналогии с центробежной силой, отнесенной к первой категории. Иногда этот эффект объясняют действием некой фиктивной силы – силы Кориолиса (одна из сил инерции, использующаяся при рассмотрении движения материальной точки относительно вращающейся системы отсчёта). Добавление силы Кориолиса к действующим на материальную точку физическим силам позволяет учесть влияние вращения системы отсчёта на такое движение[90 - Самый важный случай действия силы Кориолиса связан с суточным вращением Земли. Поскольку Земля вращается, для правильного анализа движения объектов в системах, привязанных к Земле необходимо учитывать силу Кориолиса. Сила Кориолиса, вызванная вращением Земли, может быть замечена при наблюдении за движением маятника Фуко. Сила Кориолиса ответственна также и за вращение циклонов и антициклонов. Ее необходимо учитывать при рассмотрении планетарных движений воды в океане, т.к. она является причиной возникновения гироскопических волн.].
§130. Обобщение принципа наименьшего осуществил Карл Густав Якоб Якоби (1837), рассмотрев проблему геометрически, как нахождение экстремалей вариационной задачи в конфигурационном пространстве с неевклидовой метрикой. [246] В частности, Якоби указал, что при отсутствии внешних сил траектория системы представляет собой геодезическую линию в конфигурационном пространстве.
§131. В 1838 году под редакцией Джоржа Бидделя Эйри был опубликован каталог циркумполярных[91 - В астрономии циркумполярные созвездия – это созвездия, которое никогда не опускаются ниже горизонта, если смотреть с полюсов или же на данной широте Земли. Все остальные созвездия из-за вращения Земли и осевого наклона относительно Солнца называются сезонными или заходящими созвездиями. Звезды и созвездия, которые являются циркумполярными, зависят от широты наблюдателя. В северном полушарии некоторые звезды и созвездия всегда будут видны в северном циркумполярном небе. То же самое относится и к южному полушарию, где определенные звезды и созвездия всегда будут видны в южном циркумполярном небе. Северный полюс, в настоящее время отмеченный Полярной звездой, от которой он отделён на расстояние менее 1°, всегда имеет азимут, равный 0. Высота полюса для данной широты ? является фиксированной, и её значение определяется по следующей формуле: A =90°-?. Аналогично в южном полушарии все объекты со склонением меньше A =-90°+? являются незаходящими. Все звезды со склонением больше A являются циркумполярными. Они никогда не исчезают под горизонтом, так как их круговорот происходит выше горизонта и они видны в течение всей ночи. Из-за этого качества они уже в старину использовались для навигации. Если смотреть с Северного полюса, все полностью видимые созвездия к северу от небесного экватора являются циркумполярными, а также созвездия видимые к югу от небесного экватора, если смотреть с Южного полюса. На экваторе циркумполярные созвездия не видны.] звёзд Стивена Грумбриджа, умершего в 1832 году. [247] Каталог насчитывал 4239 звёзд вплоть до восьмой-девятой величины, которые Грумбридж фиксировал при помощи изготовленного в 1806 году меридианного круга по его заказу конструктором инструментов Эдвардом Траутоном.
§132. В 1838 году Фридрих Вильгельм Бессель, проведя ряд вычислений расстояний до звезд, опубликовал очень надёжный параллакс звезды 61 Лебедя и правильно измерил такое расстояние. [248] Эти измерения впервые доказали, что звёзды – это далёкие солнца, и стало ясно, что светимость всех этих объектов соответствуют солнечным значением[92 - Первым формально правильно расстояние до звёзд измерил Томас Хендерсон. Он наблюдал Альфу Центавра в Южном полушарии. Ему повезло, он практически случайно выбрал самую близкую звезду из тех, которые видны невооружённым глазом в Южном полушарии. Но Хендерсон считал, что ему не хватает точности наблюдений, хотя значение он получил правильное. Ошибки, по его мнению, были большими, и он результат свой сразу не опубликовал. Василий Яковлевич Струве наблюдал в Европе и выбрал яркую звезду северного неба – Вегу. Ему тоже повезло – он мог бы выбрать, например, Арктур, который гораздо дальше. Струве определил расстояние до Веги и даже опубликовал результат (который, как потом оказалось, был очень близок к истине). Однако он несколько раз его уточнял, изменял, и поэтому многие посчитали, что нельзя верить этому результату, поскольку сам автор его постоянно меняет. А Фридрих Бессель поступил по-другому. Он выбрал не яркую звезду, а ту, которая быстро двигается по небу – 61 Лебедя (само название говорит, что, наверное, она не очень яркая). Звёзды немножко двигаются относительно друг друга, и, естественно, чем ближе к нам звёзды, тем заметнее этот эффект. Точно так же, как в поезде придорожные столбы очень быстро мелькают за окном, лес лишь медленно смещается, а Солнце фактически стоит на месте. Определение параллаксов для первых десятков звёзд позволило построить трёхмерную карту солнечных окрестностей.]. В 1841 году по данным многих измерений Бессель вычислил размеры земного эллипсоида, которые широко применялись в геодезии и картографии вплоть до середины XX века, а в 1844 году предсказал наличие у Сириуса и Проциона малоразличимых звёзд-спутников. [249,250]
§133. Австриец Кристиан Доплер (1842) теоретически предсказал эффект, названный его именем, согласно которому воспринимаемая частота волны зависит от относительной скорости ее источника. [251,252] Первая экспериментальная проверка была сделана голландцем Кристианом Баллотом, который посадил духовой оркестр в открытый железнодорожный вагон, а на платформе собрал группу музыкантов с абсолютным слухом. Всякий раз, когда состав с музыкальным вагоном проезжал мимо платформы, духовой оркестр тянул какую-либо ноту, а наблюдатели (слушатели) записывали слышащуюся им нотную партитуру. [253] Как и ожидалось, кажущаяся высота звука оказалась в прямой зависимости от скорости поезда, что и было предсказано законом Доплера.
§134. Гамильтон (1844) ввел в алгебраическое исчисление кватернионы[93 - Кватернио?н (от лат. quaterni, по четыре) матем. система гиперкомплексных чисел, образующая векторное пространство размерностью четыре над полем вещественных чисел.] – систему гиперкомплексных чисел, образующую векторное пространство размерностью четыре над полем вещественных чисел, которая удобна для описания изометрий трёх- и четырёхмерного евклидовых пространств, и получившая широкое распространение в механике. [254] Умножение кватернионов не является коммутативным, поэтому алгебраическая система кватернионов является телом, но не полем.
§135. В 1845 году Майкл Фарадей сделал несколько выдающихся открытий, в том числе: поворот плоскости поляризации света в веществе, помещённом в магнитное поле (так называемый «эффект Фарадея») и диамагнетизм. [255] Он верил, что свет – это электромагнитное явление, и поэтому на него должны воздействовать электромагнитные силы. Он потратил значительные усилия на поиски доказательств электрических сил, влияющих на поляризацию света через то, что теперь известно как электрооптические эффекты, начиная с разложения электролитов. Фарадей попытался исследовать влияние магнитных сил на свет, проходящий через различные вещества. После нескольких неудачных попыток ему довелось испытать кусок «тяжелого» стекла, содержащего следы свинца, который он сделал во время своей предыдущей работы по производству стекла. Фарадей заметил, что когда луч поляризованного света проходит через стекло в направлении приложенной магнитной силы, поляризация света поворачивается на угол, пропорциональный силе этой силы. Позже Фаредей смог воспроизвести этот эффект в нескольких других твердых телах, жидкостях и газах, приобретя более сильные электромагниты. Он писал, что когда противоположные магнитные полюса находились на одной стороне, на поляризованный луч оказывалось воздействие, и таким образом было доказано, что магнитная сила и свет имеют отношение друг к другу. Таким образом Фарадей установил продольный магнитооптический эффект[94 - Первоначальное объяснение эффекта Фарадея дал Максвелл в своей работе «Избранные сочинения по теории электромагнитного поля», где он рассматривает вращательную природу магнетизма. Теория, считающая электрические токи линейными, а магнитные силы вращательными явлениями, согласуется в этом смысле с теориями Ампера и Вебера. Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана, заключающимся в расщеплении уровней энергии атомов в магнитном поле. При этом переходы между расщеплёнными уровнями происходят с испусканием фотонов правой и левой поляризации, что приводит к различным показателям преломления и коэффициентам поглощения для волн различной поляризации. Строгое описание эффекта Фарадея проводится в рамках квантовой механики. Используется в лазерных гироскопах, лазерной измерительной технике, лазерных передатчиках в системах связи как элемент защитного оптического изолятора. Кроме того, эффект применяется при создании ферритовых СВЧ-устройств. В частности, эффект Фарадея лежит в основе работы циркуляторов СВЧ- и оптического диазона. Теоретически, эффект Фарадея может проявляться и в вакууме в магнитных полях порядка 10
—10
Гс.], который заключается в том, что при распространении линейно-поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. [256] А подводя итоги сделал вывод, что ему удалось осветить магнитную кривую или силовую линию и намагнитить луч света. Экспериментальные методы Фарадея были недостаточно чувствительны, и эффект был измерен только тридцать лет спустя Джоном Керром.
§136. Французский математик Урбан Жан Жозеф Леверье (1846) был заинтересован расхождениями между наблюдаемыми и Кеплеровскими орбитами Меркурия и Урана. [257] Он предсказал существование Нептуна, как и предполагали многие, и рассчитал его предполагаемое положение, основываясь на причине отклонения орбиты и влиянии на движение Урана вокруг Солнца, при этом существование и местоположение Нептуна было независимо выведено Джоном Кучем Адамсом (1846) в Великобритании. [258] Немецкий астроном Иоганн Готфрид Галле, работавший вместе со своим аспирантом Генрихом Луи д'Арре, открыл Нептун в пределах одного градуса от предсказанного Леверье положения в ту самую ночь, когда он получил письмо последнего. Оказалось, что расчеты и Адамса, и Леверье были основаны на неверных предположениях о Нептуне, а наблюдателям чрезвычайно повезло наткнуться на правильное местоположение планеты. Название найденной планете дал Леверье при поддержке Василия Струве. Спустя всего семнадцать дней после открытия Нептуна Уильям Ласселль открыл его спутник Тритон. [259]
§137. Французский физик Арман Ипполит Луи Физо (1848) обобщил на простом опыте реальность принципа Доплера, распространив его теорию на свет, и, проводя аналогию между тонами и цветами, первым указал на смещение линий в спектрах небесных светил, если существует относительное перемещение (по направлению луча зрения) светового источника и наблюдателя, рассчитав смещение линий в спектрах небесных светил. [260] Отличие электромагнитного эффекта Физо от акустического эффекта Доплера в том, что в акустическом эффекте молекулы связаны между собой и среда колеблется за счёт упругости, а в электромагнитном эффекте Физо среды нет. Примерный расчёт смещения Физо сделал в том же году для Венеры. В 1860 году Эрнст Вальдфрид Йозеф Вензель Мах предсказал, что линии поглощения в спектрах звёзд, связанные с самой звездой, должны обнаруживать эффект Доплера, также в этих спектрах существуют линии поглощения земного происхождения, не обнаруживающие эффект[95 - Первое соответствующее наблюдение удалось провести в 1868 году Уильяму Хаггинсу. Прямое подтверждение формул Доплера для световых волн было получено Германом Фогелем в 1871 году путём сравнения положений линий Фраунгофера в спектрах, полученных от противоположных краёв солнечного экватора. Относительная скорость краёв, рассчитанная по значениям измеренных Фогелем спектральных интервалов, оказалась близка к скорости, рассчитанной по смещению солнечных пятен. Эдвин Хаббл, впервые измеряя расстояния до ближайших галактик на новейшем телескопе, одновременно обнаружил в спектре их атомного излучения красное доплеровское смещение, из чего был сделан вывод, что галактики удаляются от нас. Эффект Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Во всем мире он используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость.] Доплера. [261] Мах экспериментально подтвердил эффект Доплера и тем самым положил конец спорам о правильности теории, а также заложил основы для обнаружения оптического эффекта Доплера.
§138. В 1848 году Эдвард Рош рассчитал предел, который описывает радиус круговой орбиты спутника, обращающегося вокруг небесного тела, на котором приливные силы, вызванные гравитацией центрального тела, равны силам самогравитации спутника. [262] Рош применил расчет для жидких спутников, и на основании этого расчёта он предположил, что кольца Сатурна состоят из множества независимо обращающихся небольших частиц.
§139. Михаил Васильевич Остроградский (1850) опубликовал представленный им двумя годами ранее мемуар, в котором распространил принцип Гамильтона на случай систем с нестационарными голономными[96 - Голономный – (о механической связи) налагающий ограничения только на положения (или перемещения) точек и тел системы. Происходит от двух греческих слов [o?loz] (целый, интегрируемый) и [nоmos] (закон). Голономия – один из инвариантов связности в расслоении над гладким многообразием, сочетающий свойства кривизны и монодромии, и имеющий важное значение как в геометрии, так и геометризированных областях естествознания, таких как теория относительности и теория струн. Обыкновенно речь идёт о голономии связностей в векторном расслоении, хотя в равной степени имеет смысл говорить о голономии связности в главном расслоении или даже голономии связности Эресманна (Шарля) в локально тривиальном топологическом расслоении.] связями, показав что и в более общем случае, когда связи и силовая функция содержат время (что не было рассмотрено Гамильтоном и Якоби), уравнения движения также могут быть преобразованы в гамильтонову форму (после чего распространилось название «принцип Гамильтона – Остроградского»). [263,264]. Остроградский доказал независимо от Гамильтона и Якоби, что задача определения интегралов канонических уравнений эквивалентна нахождению полного интеграла некоторого дифференциального уравнения в частных производных. Все искомые интегралы канонических уравнений можно найти дифференцированием полного интеграла уравнения в частных производных[97 - Одним из важных вопросов механики является задача интегрирования уравнений движения, которые составляют вариационный принцип. Разработка теории интегрирования канонических уравнений принадлежит Гамильтону, Якоби и Остроградскому. Эта теория состоит из трех основных этапов. Прежде всего необходимо было найти наиболее простую возможную форму дифференциальных уравнений движения. Такой формой оказались канонические уравнения; они получили свое название благодаря свойству инвариантности относительно некоторых преобразований координат. Термины «канонические уравнения», «канонические преобразования» были введены Якоби. Следующим этапом является установление общих законов подобных преобразований. Так была развита теория канонических преобразований и их инвариантов. Отсюда видно, что существует глубокая внутренняя связь между аналитической динамикой и общей теорией групп преобразований. Впоследствии эта связь была открыта норвежским математиком Софусом Ли (1842—1899), и вся теория приняла удивительно стройный и красивый вид: в механику вошли новые идеи, характерные для математики конца XIX в. Якоби показал, что существует такое каноническое преобразование, которое приводит исходные уравнения к новым, легко интегрируемым уравнениям. Таким образом, задача прямого интегрирования канонических уравнений заменяется другой математической задачей: найти вид соответствующего канонического преобразования. Наконец, остается задача интегрирования канонических уравнений. Оказалось, что интегрирование этих уравнений равносильно интегрированию уравнения в частных производных, так называемого уравнения Гамильтона – Якоби. В разработку всей этой теории существенный вклад внес Михаил Остроградский. В исследованиях по уравнениям динамики он дал каноническую форму уравнений динамики и установил теоремы о характеристической функции, принимая связи системы зависящими от времени. В работах этого цикла независимо от Гамильтона и Якоби он развивает также и теорию того уравнения в частных производных, которое обычно называется уравнением Гамильтона – Якоби.]. В 1901 году Гавриил Константинович Суслов и Петр Васильевич Воронец независимо обобщили принцип Гамильтона – Остроградского на случай неголономных систем. [265,266].
§140. Ипполит Физо (1851) провел эксперимент для измерения относительных скоростей света в движущейся воде с использованием специального устройства интерферометра для измерения влияния движения среды на скорость света. [267] Физо обнаружил эффект затягивания, но величина эффекта, который он наблюдал, была намного ниже, чем ожидалось. Когда он повторил эксперимент с воздухом вместо воды, он не заметил никакого эффекта. [268] Эксперимент Физо заставил физиков признать эмпирическую обоснованность старой, теоретически неудовлетворительной теории Френеля (1819), которая была использована для объяснения эксперимента Араго 1810 года, а именно, что среда, движущаяся через неподвижный эфир, тащит за собой свет, распространяющийся через нее только с долей скорости среды, с коэффициентом сопротивления [преломления]. [269] Френель предположил, что эфира вблизи тел вообще нет, а только в самих телах. Джордж Габриэль Стокс (1845), напротив, предположил, что эфир в телах и рядом с ними полностью переносится. [270] Результат Физо говорил за частичное увлечение эфира в смысле Френеля и мог быть согласован с теорией Стокса только с помощью громоздких вспомогательных гипотез. В 1887 году Лоренц опубликовал заметку, в которой показал, что вспомогательные гипотезы Стокса противоречат сами себе. [271] Поэтому предпочтение было отдано в итоге через модифицированную теорию Лоренца-Френеля. В 1895 году Хендрик Лоренц предсказал существование дополнительного члена уравнения из-за дисперсии. Позже выяснилось, что коэффициент сопротивления Френеля действительно соответствует формуле сложения релятивистских скоростей[98 - Согласно господствовавшим в то время теориям, свет, проходящий через движущуюся среду, будет увлекаться средой, так что измеренная скорость света будет простой суммой его скорости через среду плюс скорость среды. Результаты Физо, по-видимому, подтверждали гипотезу частичного сопротивления эфира Френеля, что приводило в замешательство большинство физиков. Прошло более полувека, прежде чем с появлением специальной теории относительности Альберта Эйнштейна было разработано удовлетворительное объяснение такого неожиданного измерения Физо. Позднее Эйнштейн указал на важность этого эксперимента для специальной теории относительности, в которой он соответствует релятивистской формуле сложения скоростей, ограниченной малыми скоростями.].
§141. Уильям Томсон, лорд Кельвин (1851) выдвинул идею о тепловой смерти Вселенной вследствие найденных и интерпретированных законов термодинамики. Хотя Карно, Джоуль и Клаузиус высказывали мнения о потере механической энергии, Томсон, основываясь на недавних экспериментах динамической теории тепла, указал: «тепло не вещество, но динамичная форма механического воздействия, мы понимаем, что должны быть эквиваленты между механической работой и теплом, между причиной и следствием». [272] В 1852 году Томсон в работе «Об универсальной тенденции в природе к диссипации механической энергии» изложил зачатки второго закона термодинамики, обобщенного с точки зрения, что механическое движение и энергия, используемая для создания этого движения, естественно, имеют тенденцию рассеиваться или стекать. [273] Положение «принципа рассеяния энергии» имеет следствие, что спустя конечный промежуток времени Земля очутится в состоянии, непригодном для обитания человека. Это была первая формулировка идей о «тепловой смерти», пока только Земли. Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о тепловой смерти Вселенной. В последующие годы Герман фон Гельмгольц (1854) поддержал идею Томсона о тепловой смерти Вселенной, которую Уильям Джон Маккорн Ранкин (1855) обозначил «концом всех физических явлений». [274,275]
§142. Майкл Фарадей (1852) предположил, что поле – это область пространства, сплошь пронизанная силовыми линиями. [276] Силы взаимодействия токов, введённые Ампером, считались дальнодействующими. Фарадей не признавал существования в природе пустоты, даже заполненной эфиром. Мир полностью заполнен проницаемой материей, и влияние каждой материальной частицы близкодейственно, то есть распространяется на всё пространство, непрерывно передающиеся от каждой точки к соседним точкам с конечной скоростью[99 - Максвелл в «Трактате об электричестве и магнетизме» указал на суть представлений Фарадея об электромагнетизме: «Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие всё пространство силовые линии там, где математики видели центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде, а они довольствовались тем, что нашли его в силе действия на расстоянии, которая прикладывается к электрическим жидкостям. …Некоторые из наиболее плодотворных методов исследования, открытых математиками, могли бы быть выражены в терминах представлений, заимствованных у Фарадея, значительно лучше, чем они выражались в их оригинальной форме».]. До Фарадея электрические силы понимались как взаимодействие зарядов на расстоянии – где нет зарядов, нет и сил. Фарадей изменил эту схему: заряд создаёт протяжённое электрическое поле, и уже с ним взаимодействует другой заряд, дальнодействия на расстоянии нет. С магнитным полем положение оказалось более сложным – оно не является центральным, и именно для определения направления магнитных сил в каждой точке Фарадей ввёл понятие силовых линий. Из полученных результатов Фарадей сделал вывод, «что сама обычная индукция во всех случаях является действием смежных частиц и что электрическое действие на расстоянии (то есть обыкновенное индуктивное действие) происходит только благодаря влиянию промежуточной материи».
§143. Джеймс Клерк Максвелл (1855) в своей статье «О фарадеевых силовых линиях» впервые записал в дифференциальной форме систему уравнений электродинамики, которая описывала все известные к тому времени экспериментальные данные, но не позволяла связать между собой заряды и токи и предсказать электромагнитные волны. [277] В работе «О физических силовых линиях», состоящей из четырёх частей, Максвелл (1861—1862) обобщил закон Ампера и ввел ток смещения, чтобы связать токи и заряды уравнением непрерывности, которое уже было известно для других физических величин, завершив формулировку полной системы уравнений электродинамики. [278] В статье «Динамическая теория электромагнитного поля» Максвелл (1864) на основании сформулированной ранее системы уравнений из 20 скалярных уравнений для 20 скалярных неизвестных, впервые сформулировал понятие электромагнитного поля как физической реальности, имеющей собственную энергию и конечное время распространения, определяющее запаздывающий характер электромагнитного взаимодействия. [279] В 1880 году Оливер Хевисайд, исследуя скин-эффект в телеграфных линиях передачи, переписал результаты Максвелла из их первоначальной формы в виде, выраженном в терминах современного векторного анализа, таким образом сведя систему из 20 уравнений с 12 переменными к 4 дифференциальным уравнениям, ныне известным как уравнения Максвелла. [280] Уравнения Максвелла описывают природу неподвижных и движущихся заряженных частиц и магнитных диполей, и отношения между ними, а именно электромагнитную индукцию[100 - Оказалось, что не только ток, но и изменяющееся со временем электрическое поле (ток смещения) порождает магнитное поле. В свою очередь, в силу закона Фарадея, изменяющееся магнитное поле снова порождает электрическое. В результате, в пустом пространстве может распространяться электромагнитная волна. Из уравнений Максвелла следовало, что её скорость равна скорости света, поэтому Максвелл сделал вывод об электромагнитной природе света.].
§144. Предположение о наличии объекта между Марсом и Юпитером актуализировалось после открытия Уильямом Гершелем Урана в 1781 году, орбита которого почти полностью соответствовала правилу Тициуса-Боде. После открытия Джузеппе Пиацци (1801) Цереры, а затем Генрихом Ольберсом (1802) Паллады, Уильям Гершель (1802) предложил поместить их в отдельную категорию, названную «астероидами». После того, как к 1807 году дальнейшие исследования выявили два новых объекта в регионе – Юнону и Весту, Александр фон Гумбольдт (1851) заметил и регулярное появление падающих звезд, которые, вероятно, образуют часть Пояса астероидов, пересекающих орбиту Земли и движущихся с планетарной скоростью. [281] Роберт Джеймс Манн (1858) указал, что орбиты астероидов расположены в широком поясе пространства. [282]
§145. Под руководством Фридриха Аргеландера (50-60-е года XIX века) в Боннской обсерватории составлен звёздный каталог, ныне известный как Боннское обозрение (Bonner Durchmusterung, BD). [283] В каталог попало 325037 звёзд[101 - Звёзды в поясе нумеровались в порядке возрастания прямого восхождения начиная с 0h. Обозначения звёзд в Боннском обозрении строится следующим образом: сначала идёт префикс BD, обозначающий каталог, затем указывается склонение нижней границы пояса, затем – номер звезды в поясе. Таким образом, звезда Вега обозначается как BD +38°3238.] яркости до 9.5 звёздной величины (с точностью до 0,3 звездной величины), расположенных на склонениях от -2° до 90° с точностью до 0,1». Для составления каталога использовался трехдюймовый рефрактор Боннской обсерватории. Для картирования всю небесную сферу разделили на сферические пояса, параллельные небесному экватору, толщиной 1° по склонению. В 1886 году появилось так называемое Южное Боннское обозрение, выполненное помощником Аргеландера Эдуардом Шёнфельдом, использовавшим 6-дюймовый рефрактор Боннской обсерватории. [284] Это обозрение расширило каталог до -23° и добавило к нему 137834 звезды. Дальнейшее расширение каталога продолжалось за пределами Германии. Следующее обозрение было выпущено в 1908 году в Кордовской астрономической обсерватории, Аргентина. Кордобское обозрение, дополнившее Боннское обозрение до южного полюса и увеличившее число объектов каталога до 613959 звёзд. [285] К Боннскому обозрению также относят фотографический Кейпский (Капский, Кейптаунский) обзор 1896—1900 годов). [286] Фотографированием неба занимались в Кейптаунской обсерватории под руководством Дэйвида Гилла. Фотопластинки отправлялись на изучение Якобусу Каптейну в Гронинген. Каталог включал в себя 454875 звёзд Южного полушария, полный до 9,5-й звёздной величины и содержащий звезды до 12-й величины от склонения -19° до южного полюса мира. Полная версия каталога со всеми дополнениями содержит около 1,5 миллионов звёзд до 10 звёздной величины.
§146. После целого ряда физических открытий, накопленных к тому времени, которые мы возможно незаслуженно не рассмотрели, внимание Максвелла привлекла природа колец Сатурна, которые были открыты Галилео Галилеем в начале XVII века и долгое время оставались загадкой природы. Проанализировав математически различные варианты строения колец, Максвелл (1859) вывел, что подобная структура может быть устойчивой только в случае, если состоит из малых тел, не связанных между собой метеоритов, а устойчивость колец обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов. Исследовав распространение волн в таком кольце, Максвелл показал, что при определённых условиях метеориты не сталкиваются между собой, а для случая двух колец он определил, при каких соотношениях их радиусов наступает состояние неустойчивости. [287] Эти открытия легли в основу вышеуказанных исследований Максвелла по теории электромагнитного поля.
§147. В одной из формулировок закон излучения Густава Роберта Кирхгофа (1859) звучит: отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы. [288] Закон Кирхгофа справедлив только для случаев теплового равновесия. Вместе с тем его часто применяют и для неравновесных систем, когда излучение не находится в равновесии с веществом, а предположение о термодинамическом равновесии между частицами излучающего вещества становится пригодным приближением. В качестве общеизвестного упоминается факт, что степень отклонения от закона Кирхгофа может служить мерой отличия излучения космических объектов от теплового. [289]
§148. Анализируя спектральные сочетания, англичанин Джон Тиндаль (1859) установил эффект рассеяния, из которого следовало, что в замутненных средах фиолетовый и синий свет рассеиваются сильнее всего, а оранжевый и красный – слабее всего. [290] Он первым сделал правильные измерения относительной инфракрасной силы поглощения газов азотом, кислородом, водяным паром, углекислым газом, озоном, метаном. Он приходит к выводу, что водяной пар является газом, который наиболее сильно поглощает тепловое излучение в атмосфере и является основным газом с точки зрения влияния на температуру атмосферного воздуха. Поглощение других газов не незначительное, а относительно небольшое. До времени Тиндаля было широко распространено мнение, что атмосфера Земли обладает парниковым эффектом, но он был первым, кто доказал это. Доказательства заключались в том, что водяной пар оказывает сильное влияние на поглощение инфракрасного излучения, испускаемого с поверхности Земли. Он подчеркнул, что климат будет намного холоднее ночью при отсутствии парникового эффекта. В связи с этим в 1860 году он первым продемонстрировал и количественно оценил, что прозрачные газы могут испускать инфракрасное излучение.
§149. Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен (1859) разработали методику спектрального анализа, исходя из постулата, что каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр, и по спектру небесных светил можно сделать выводы о составе их вещества. [291] Кирхгоф и Бунзен в 1860 году при помощи спектрального анализа открыли цезий, а в 1861 году – рубидий[102 - Гелий был открыт на Солнце на 27 лет раньше, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно). Спектральный анализ широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке, археологии и других отраслях науки и техники. С момента экспериментов Кирхгофа и Бунзена в науке появился спектральный анализ – мощный метод дистанционного определения химического состава. Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне. Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1933 году в Ленинградском институте исторической технологии впервые применили спектральный анализ древних металлических изделий. В последнее время, наибольшее распространение получили эмиссионные и масс-спектрометрические методы спектрального анализа, основанные на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов, а также в лазерной искре. В теории обработки сигналов спектральный анализ означает анализ распределения энергии сигнала (например, звукового) по частотам, волновым числам и т. п.].
§150. Роберт Хогарт Паттерсон (1862), предполагая распространение эфира, указал что этот поток вызывает трепет (колебание) или вибрационное движение в эфире, который заполняет межзвездные пространства. [292] До современной электромагнитной теории ранние физики постулировали, что невидимый светоносный эфир существовал как среда для переноса световых волн.
§151. В 1862 году Томсон опубликовал статью, в которой он вновь заявил о своей главной вере в неуничтожимость энергии (первый закон) и всеобщей диссипации энергии (второй закон), что приводит к диффузии тепла, прекращение полезного движения (работы), и высасывание энергетического потенциала с помощью материальной Вселенной. [293] Томсон написал: «Результатом неизбежно было бы состояние всеобщего покоя и смерти, если бы Вселенная была конечной и подчинялась существующим законам. Но невозможно представить себе предел в масштабах материи во Вселенной; и поэтому наука указывает скорее на бесконечный прогресс, через бесконечное пространство, действия, включающего преобразование потенциальной энергии в осязаемое движение и, следовательно, в тепло, чем на единый конечный механизм, идущий вниз, как часы, и останавливающийся навсегда».
§152. Андерс Ангстрем (1862), используя спектроскоп с фотографией для изучения спектр Солнца, солнечных пятен, хромосферы, протуберанцев и короны, в результате доказал, что в атмосфере Солнца содержится водород, а в 1868 году он опубликовал большую карту обычного солнечного спектра, включая подробные замеры более чем 1000 спектральных линий. [294,295] Хотя его измерения были неточными, но они долгое время оставались авторитетными в вопросах определения длины волны.
§153. В 1864 году Уильям Хаггинс в своей обсерватории, оборудованной 8-дюймовым телескопом при использовании линзы Элвина Кларка с помощью спектроскопии определил, что туманность состоит из газа. [296] Межзвездный газ был дополнительно удостоверен Слайфером в 1909 году, а затем межзвездная пыль была подтверждена им же в 1912 году.
§154. Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус (1865) сформулировал закон неубывания энтропии, по которому «в изолированной системе энтропия не уменьшается». [297] Если в некоторый момент времени замкнутая система находится в неравновесном макроскопическом состоянии, то в последующие моменты времени наиболее вероятным следствием будет монотонное возрастание её энтропии. Закон неубывания энтропии или так называемый физический смысл второго закона термодинамики теоретическое обоснование которому было дано Людвигом Больцманом в 1870-е годы.
§155. Английский астроном Джозеф Норман Локьер (1866) разработал метод наблюдения протуберанцев вне затмения. Этот метод независимо от него открыл тогда же француз Пьер Жюль Жансен. Оба учёных в 1868 году обнаружили в спектре солнечной короны жёлтую линию, но Жансен ошибочно принял её за линию натрия[103 - Поскольку, имея длину волны около 588 нм, она была очень близко расположена к известным тогда фраунгоферовым линиям натрия D1 (589,59 нм) и D2 (588,99 нм).], а Локьер, благодаря более точным измерениям, обозначил её D3. [298] В 1871 году Локьер, сотрудничая с английским химиком Эдуардом Франклендом, предложил дать новому элементу название «гелий[104 - Гелий – от др.-греч. [h?lios] – «солнце».]». В 1887 году он предложил схему звёздной эволюции, которая, хотя и была основана на ошибочной метеорной гипотезе происхождения и развития звезд и на гипотезе диссоциации атомов, но позволила Локьеру предложить первую классификацию звёздных спектров, в которой подчеркивалось зависимость характера спектра звезды от температуры её атмосферы. [299]
§156. Гельмгольц (1869) во вступительном докладе на ежегодном собрании немецких естествоиспытателей в Инсбруке «О цели и об успехах естествознания» методологический анализ закона сохранения энергии заключает следующими словами: «…все силы природы могут быть измерены одной и той же механической мерой: все силы в отношении их работоспособности эквивалентны чисто механическим силам. В этом заключается первый значительный шаг, сделанный к разрешению обширной теоретической задачи – свести все явления природы к движению». [300]
§157. В 1871—1872 годах Джордж Биддель Эйри провёл серию точных опытов с астрономическим источником света, сделав из них вывод о том, что орбитальное движение Земли полностью увлекает эфир. [301] Опыт Эйри должен был дать ответ на вопрос – является ли эфир неподвижным, или увлекается движущимися в нём телами. Идея опыта для доказательства движения Земли была предложена хорватским учёным Руджером Иосипом Бошковичем в 1748 году, который указал наполнить телескоп водой. [302] Поскольку скорость света в воде на треть меньше, чем в воздухе, как Бошкович полагал, то за тот же промежуток времени движения телескопа вместе с Землей, свет от звезды сделает эллипс в полтора раза больше, так как скорость света в воде меньше скорости света в воздухе. Эксперименты других исследователей с заполненным водой телескопом приводили к существенно различающимся результатам. И тогда Эйри использовал большой гринвичский телескоп, заполнив его внутреннее пространство водой. Он исходил из следующего: угол наклона телескопа определяется отношением пути, который он «проезжает» вместе с Землёй (приблизительно 30 километров в секунду) за время, пока свет проходит от вершины телескопа до основания, к длине телескопа, или аналогично, угол наклона определяется отношением скорости движения телескопа (вместе с Землёй) к скорости распространения света внутри трубы телескопа. В его предположении скорость распространения света в воде составляет примерно 3/4 от скорости в воздухе, и следовательно, угол аберрации звёзд для телескопа заполненного водой должен измениться, увеличившись в 4/3 раза. Эйри повторил наблюдения гамма Дракона, которым занимался Брэдли, но уже через столб воды. Эксперимент проводился на хорошем оборудовании в течение одного года. Опыт подтвердил, что величина аберрации с высокой точностью не зависит от наличия водного промежутка на пути луча, таким образом опровергнув одну из моделей эфира, установив, что скорость света в воде и в воздухе одинакова.
§158. Понятие энтальпии[105 - Энтальпи?я – от др.-греч. [enthalpo] – «нагреваю», также тепловая функция, тепловая функция Гиббса, теплосодержание и изобарно-изоэнтропийный потенциал.] было введено и развито Джозайя Уиллардом Гиббсом в 1875 году в работе «О равновесии гетерогенных веществ». [303] Для обозначения этого понятия Гиббс использовал выражение «тепловая функция при постоянном давлении», которая формализуется как функция состояния термодинамической системы, и определяемая как сумма внутренней энергии и произведения давления на объём. [304] Автором термина «энтальпия» в его современном значении считают Камерлинг-Оннеса. Впервые о его авторстве упоминает работа 1909 года в связи с обсуждением сохранения энтальпии в эффекте Джоуля – Томсона, хотя в печатных публикациях самого Камерлинг-Оннеса этот термин не встречается. Что же касается буквенного обозначения H, до 1920-х годов оно использовалось для количества теплоты вообще. Определение физической величины H строго как энтальпии или «теплосодержания при постоянном давлении» было официально предложено Альфредом Уильямом Портером в 1922 году. [305,306]
§159. Джон Керр (1875) описал явление двойного лучепреломления при наблюдении изотропного вещества, которое поместил в электрическое поле, а позже экспериментально доказал существование такого же явления применительно к магнитному полю. [307] Открытый им эффект впоследствии начал активно применяться в оптических затворах, получивших название ячейка Керра. В 1877 году Керр описал также магнитооптический эффект, а его исследование воздействия электрического поля на жидкие диэлектрики привело к описанию явления оптической анизотропии, что стало научно обоснованным подтверждением связи между оптическими и электрическими явлениями. [308]
§160. В 1877 году Георг Кантор получил результат, о котором сообщил в письме своему коллеге Юлиусу Вильгельму Рихарду Дедекинду: множества точек отрезка и точек квадрата имеют одну и ту же мощность (континуум), независимо от длины отрезка и ширины квадрата. [309,310] Заодно он сформулировал и безуспешно пытался доказать «континуум-гипотезу». Этому результату предшествовал ряд работ Кантора, в частности: в 1870 году ему удалось решить математическую задачу представления функции как суммы тригонометрических серий; в статье 1872 года Кантор дал вариант обоснования теории вещественных чисел, а в его модели вещественное число определяется как класс фундаментальных последовательностей рациональных чисел; Кантор представил доказательство в 1873 году, что рациональные числа могут быть подсчитаны и что есть ровно одно рациональное число для каждого естественного числа; в 1874 году ему удалось инвертировать вывод о том, что реальные цифры не могут быть подсчитаны, и при этом он также доказал, что почти все числа трансцендентные. [311] Первая статья Кантора, обобщающая ключевые результаты, появилась в 1878 году и называлась «К учению о многообразиях» (термин «многообразие» Кантор позже заменил на «множество»). [312] Публикация статьи не раз откладывалась по требованию Леопольда Кронекера, возглавлявшего кафедру математики Берлинского университета. Кронекер, считающийся предтечей конструктивной математики, с неприязнью относился к канторовской теории множеств, поскольку её доказательства нередко носят неконструктивный характер, без построения конкретных примеров; понятие актуальной бесконечности Кронекер считал абсурдным. Сам Кантор придерживался того же мнения, что и большинство математиков сегодня: любой непротиворечивый математический объект следует считать допустимым и существующим. Его теория множеств натолкнулась на резкую критику со стороны ряда известных математиков-современников – Анри Пуанкаре; позднее – Германа Вейля и Лёйтзена Брауэра. Они напоминали, что до Кантора все корифеи математики, от Аристотеля до Гаусса, считали актуальную бесконечность недопустимым научным понятием и отрицали её как легальный математический объект. [313] Кантор развил свою теорию в нескольких работах. [314] Со временем канторовская теория множеств была поставлена на аксиоматическую основу и стала краеугольным камнем в современном построении оснований математики, на неё опираются математический анализ, топология, функциональный анализ, теория меры и многие другие разделы математики.
§161. Интегральный закон излучения абсолютно чёрного тела был выведен Йозефом Стефаном (1879) на основе сделанных Джоном Тиндалем экспериментальных измерений. [315] Людвиг Больцман (1884), используя теоретические соображения термодинамики, считал некий идеальный тепловой двигатель со светом, как рабочим веществом, вместо газа. [316] Закон Стефана – Больцмана, определяет зависимость плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры: «Полная объёмная плотность равновесного излучения и полная испускательная способность абсолютно чёрного тела пропорциональны четвёртой степени его температуры». Закон очень точен только для идеальных черных объектов – идеальных излучателей, называемых черными телами; он работает как удобное приближение для большинства «серых» тел.
§162. В 1864 году Джеймс Максвелл поставил опыт с целью определить скорость Земли относительно эфира, однако позднее нашёл ошибку в своих выкладках и не стал публиковать результаты. Незадолго до смерти в 1879 году, он написал американскому астроному Дэвиду Пеку Тодду письмо на эту тему, которое он после смерти Максвелла направил Стоксу для публикации. [317] В этом письме Максвелл, исследуя задержку затмений, вызванных геоцентрическим положением Юпитера, предложил формулу, в которой вывел пропорциональность расстояния между Землей и Юпитером скорости света за вычетом скорости движения Солнца сквозь эфир с учетом косинуса широты с расчетной долготой, и времени прохождения расстояния от Юпитера до Земли, но сослался на недостаточность наблюдательных данных для проверки его метода.
§163. Альберт Абрахам Майкельсон (1881), ознакомившись с письмом Максвелла (1879) по определению скорости Земли относительно эфира, провел эксперимент для измерения зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира при помощи изобретенного им оптического прибора исключительно высокой точности, который назвал интерферометром. [318] Результат первого эксперимента был отрицательным: смещения полос не совпадали по фазе с теоретическими, а колебания этих смещений только немного меньше теоретических. Статья о результатах опыта вызвала критику Хендрика Лоренца, который указал, что теоретическая точность опыта была завышена. [319] В 1887 году Майкельсон совместно с Эдвардом Уильямсом Морли провёл аналогичный, но существенно более точный эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона – Морли и показавший, что наблюдаемое смещение несомненно меньше 1/20 теоретического и, вероятно, меньше 1/40. [320] В теории неувлекаемого эфира смещение должно быть пропорционально квадрату скорости, поэтому результаты были равносильны тому, что относительная скорость Земли в эфире меньше 1?6 её орбитальной скорости и несомненно меньше 1/4.
§164. Артур Юлиус Георг Фридрих Ауверс (1879, 1883) выпустил Фундаментальный Каталог (The Catalogue of Fundamental Stars) для фиксации на небе стандартной системы звездных координат. [321] Первый том содержит 539 звезд; во втором томе определены 83 звезды с южного неба в склонении до 100. Новый Фундаментальный Каталог был издан Петерсом[106 - Полное имя Peters, J. пока не найдено.] (1907), и в нем помещены сведения для 925 звезд. [322] Третий Фундаментальный Каталог (FK3) был составлен Августом Копффом и опубликован в 1937 году с дополнением в 1938 году и содержал 1587 звёзд. [323] Копфф также принял участие совместно с Вальтером Фрике (1963) в составлении Четвертого Фундаментального Каталога (FK4), включившего сведения 1535 звезд в различных равноденствиях с 1950.0 и дополненного поправкой (FK4S), которая содержит еще 1987 звезд. [324] Фрике впоследствии возглавил команду при создании Пятого Фундаментального каталога (FK5), который обновил в 1988 году FK4 с новыми позициями для 1535 звезд. Расширение Пятого Фундаментального Каталога (FK5), опубликованное в 1991 году, добавило 3117 новых звезд. [325] Он был заменен Международной Небесной системой отсчета (ICRF) на базе квазара. Шестой фундаментальный каталог (FK6) представляет собой обновление FK5 за 2000 год, коррелированное с ICRF через спутник Hipparcos. Он состоит из двух частей: FK6 (I) и FK6 (III). FK6 (I) содержит 878 звезд, а FK6 (III) – 3 272 звезды. Оба являются обновленными и дополненными версиями FK5 с использованием данных каталога Hipparcos.
§165. Анри Луи Ле Шателье (1884) сформулировал термодинамический принцип подвижного равновесия для химических реакций: «Если вы применяете принуждение к химической системе в равновесии, она реагирует так, что эффект принуждения становится минимальным». [326] Позже Карл Фердинанд Браун (1887) независимо обобщил данный принцип: «Если вы применяете принуждение к системе, находящейся в равновесии, изменяя внешние условия, то в результате этого нарушения равновесия устанавливается новое равновесие, уклоняющееся от принуждения». [327] Впоследствии принцип Ле Шателье – Брауна был распространен на другие процессы восстановления равновесия любой природы (механическое, тепловое, химическое, электрическое): если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле[107 - Когда любая система, находящаяся в равновесии в течение длительного периода времени, подвергается изменению концентрации, температуры, объема или давления, система переходит в новое равновесие, и это изменение частично противодействует примененному изменению. Например: При повышении температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической реакции, при понижении температуры – в направлении экзотермической реакции. В общем же случае при изменении температуры химическое равновесие смещается в сторону процесса, знак изменения энтропии в котором совпадает со знаком изменения температуры. При повышении давления равновесие сдвигается в направлении, в котором уменьшается суммарное количество моль газов и объем реакции, и наоборот. При повышении концентрации одного из исходных веществ равновесие сдвигается в направлении образования продуктов реакции (вправо); а при повышении концентрации одного из продуктов реакции равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ (влево). Правильность этой концепции может быть подтверждена как эмпирически, то есть в эксперименте, так и расчетами температурной, давящей и концентрационной зависимости свободной реакционной энтальпии.]), то в системе усиливаются процессы, направленные в сторону противодействия изменениям. [328] В самом упрощенном виде данный принцип подразумевает, что любое изменение равновесия вызывает противоположную реакцию в реагирующей системе. Строгий (не формульный) вывод сокращённого принципа Ле Шателье – Брауна дан словесно Джозайя Уиллардом Гиббсом (1875) в работе «О равновесии гетерогенных веществ», преобразуя в описательный эквивалент. [329]
§166. Гиббс (1884) ввел понятие «ансамбля», подразумевающее совокупность большого числа неразличимых реплик рассматриваемой системы, взаимодействующих друг с другом, но которые изолированы от остальной Вселенной. Реплики могут находиться в различных микроскопических состояниях, определяемых, например, положением и импульсами составляющих молекул, но макроскопическое состояние, определяемое давлением, температурой и/или другими термодинамическими переменными, идентично. [330] Гиббс утверждал, что свойства системы, усредненные во времени, идентичны среднему значению по всем членам ансамбля, если «эргодическая гипотеза[108 - Эргодическая гипотеза, утверждающая, что все микросостояния системы отбираются с равной вероятностью, применима к большинству систем, за исключением систем, которые находятся в метастабильных состояниях. Таким образом, метод усреднения ансамбля дает простой способ рассчитать термодинамические свойства системы, не наблюдая ее в течение длительных периодов времени.]» верна. Гиббс также использовал этот инструмент, чтобы получить отношения между системами, ограниченными различными способами, например, чтобы связать свойства системы при постоянном объеме и энергии с теми, при постоянной температуре и давлении. [331] Он считал, что доказательство зависит от двух положений: 1) конечная верхняя граница может быть установлена на общий потенциально доступный объем фазового пространства[109 - Для механической системы эта связь может быть обеспечена, если система содержится в ограниченной области физического пространства (так что она не может, например, выбрасывать частицы, которые никогда не возвращаются) – в сочетании с сохранением энергии, это блокирует систему в конечной области в фазовом пространстве.]; 2) сохраняется фазовой объем конечного элемента при динамике, к примеру, для механической системы это обеспечивается теоремой[110 - Теорема Лиувилля, является ключевой теоремой в математической физике, статистической физике и гамильтоновой механике. Теорема утверждает сохранение во времени фазового объёма, или плотности вероятности в фазовом пространстве.] Жозефа Лиувилля (1838), по которой функция распределения гамильтоновой системы постоянна вдоль любой траектории в фазовом пространстве. [332]
§167. Шведский математик и физик Иоганн Якоб Бальмер (1885) математически описал длины волн красной, зелёной, синей и фиолетовой линий водородного спектра, и предсказал существование пятой линии с длиной волны в ближней ультрафиолетовой области, которую наблюдал Ангстрем, а также более дальних линий ряда, которые впоследствии были обнаружены Уильямом Хаггинсом в спектрах белых звёзд. [333,334] В 1886 году Карл Давид Толме Рунге предложил использовать в формуле Бальмера вместо длины волны её частоту. [335] В 1890 году Йоханнес Роберт Ридберг предложил записывать формулу в том виде, в котором она сохранилась до сих пор. [336] Таким образом предложенная Бальмером формула, описывающая четыре линии видимого спектра излучения водорода, получила развитие до принципов, позволяющих описать спектр любого химического элемента.
§168. Джон Людвиг Эмиль Дрейер (1888) на основе каталога Гершеля составил Новый Общий Каталог (New General Catalogue или NGC) каталог туманностей и скоплений звёзд, который включал 7840 объектов и является одним из крупнейших неспециализированных каталогов, и включает в себя все типы объектов далекого космоса. [337] В дополнение к нему Дрейер (1895) издал первый Индекс-каталог туманностей и звёзд – каталог галактик, туманностей и групп звёзд (IC I) с 1529 объектами, обнаруженными визуально между 1888 и 1894 годами, который уточнил в 1908 году, а также второй Индекс-каталог (IC II), включавший 1 400 объектов, зафиксированных между 1895 и 1907 годами, скорректированным им в 1912 году. [338—341] Новый Общий Каталог содержал много ошибок, которые в большинстве своем были устранены в Пересмотренном NGC (The Revised New General Catalogue или RNGC). Сбор данных для Пересмотренного каталога был опубликован профессором астрономии Аризонского университета Уильямом Тиффтом и профессором Андалусского Института Астрофизики Джеком Сулентиком в 1973 году. [342] Ввиду поспешности в Пересмотренном каталоге не только не были учтены все поправки в Общий Каталог, но и были допущены несколько новых ошибок[111 - Почти 800 объектов, перечислены как «несуществующие» в RNGC. Это обозначение применяется к объектам, которые являются дубликатами записей каталога, которые не были обнаружены в последующих наблюдениях, и к ряду объектов, каталогизированных как звездные скопления, которые в последующих исследованиях рассматривались как совпадающие группировки. В монографии 1993 года рассматривались 229 звездных скоплений, называемых несуществующими в RNGC. Они были «неправильно идентифицированы или не были обнаружены с момента их открытия в 18-м и 19-м веках». Он обнаружил, что один из 229—NGC 1498—на самом деле не был в небе. Пять других были дубликатами других записей, 99 существовали «в той или иной форме», а остальные 124 требовали дополнительных исследований для решения. В качестве другого примера отражение туманности NGC 2163 в Орионе было классифицировано как «несуществующее» из-за ошибки транскрипции Дрейера. Дрейер исправил свою ошибку в индексных каталогах, но RNGC сохранил первоначальную ошибку и дополнительно изменил знак склонения, в результате чего NGC 2163 был классифицирован как несуществующий.]. Впоследствии каталоги периодически пересматривались и над ними работали различные ученые. Компиляция 1988 года NGC 2000,0 (The Complete New General Catalog and Index Catalog of Nebulae and Star Clusters) была сделана Роджером Синноттом c использованием новых координат J2000.0 для юлианского календаря, и включает в себя несколько исправлений и ошибок, сделанных астрономами на протяжении многих лет. [343] Проект NGC/IC – это коллаборация, сформированная в 1993 году для идентификации всех объектов NGC и IC и сбор изображений и основных астрономических данных о них. [344] Вольфгангом Штайнике к 2009 году выполнена всеобъемлющая и авторитетная обработка каталогов NGC и IC, которая получила название «Пересмотренный новый общий каталог и каталог индексов» (Revised New General Catalogue and Index Catalogue или RNGC / IC). [345,346] Данные каталоги являются наиболее популярными каталогами объектов далёкого космоса у любителей астрономии. Они также используются в большинстве электронных планетариев в качестве источников сведений об этих объектах.
§169. Георг Фридрих Юлиус Артур фон Ауверс (1888) издал новую обработку 3000 брадлеевских звезд, и этот каталог Ауверса-Брадлея оставался основой всех исследований о движении звезд, вплоть до издания «Предварительного генерального каталога» Льюиса Босса (1910), содержавшего 6188 звезд). [347] На основании своих исследований Ауверс определил параллакс Солнца по наблюдениям малых планет и прохождений Венеры по диску Солнца в 1874, 1882 годах. [348]
§170. Русский ученый Иван Осипович Ярковский (1888), под впечатлением работы Крукса, выдвинул «кинетическую гипотезу всемирного тяготения»[112 - Он издал свою работу сперва на французском языке под названием «Гипотетический кинематограф вселенной гравитации, в связи с формированием химических элементов» («Hypothese cinetique de la gravitation universelle, en connexion avec la formation des elements chimiques» (1888)) и не пустил ее в продажу, а разослал персонально только ученым разных стран, а после получения ответов и отзывов на книгу в следующем году выпустил ее русское исправленное и дополненное издание.], в которой тяготению дается чисто механическое толкование. [349] Он полагал, что гравитационное ускорение тел связано с давлением на них хаотически движущихся частиц эфира. Всем прочим физическим явлениям также дается «кинетическое» объяснение. Ярковский представлял эфир (гипотетическую среду, переносящую световые колебания) как вполне материальный газ из микроскопических твердых неделимых частиц. Атомы же химических элементов он считал значительно более крупными агрегатами эфирных частиц. Каждое физическое тело, по замыслу Ярковского, постоянно поглощает частицы эфира, которые внутри него объединяются в химические элементы, увеличивая тем самым массу тела – таким образом звёзды и планеты растут. [350]
§171. Оливер Хевисайд (1888, 1889) вычислил деформацию электрического и магнитного полей вокруг движущегося заряда, а также эффекты вхождения заряда в более плотную среду, чем предсказал позднее установленный эффект Вавилова – Черенкова. [351] Следуя работе Хевисайда, ирландец Джордж Френсис Фицджеральд (1889) представил специальную гипотезу о том, что материальные тела также сжимаются в направлении движения, что приводит к сокращению длины, и может объяснить эксперимент Майкельсона-Морли – в отличие от уравнений Фойгта, где координата x изменилась. Фицджеральд обосновал это тем, что межмолекулярные силы, возможно, имеют электрическое происхождение. [352]
§172. Анри Пуанкаре (1889), изучая проблему трех тел, обнаружил, что могут существовать непериодические орбиты, которые, однако, не всегда увеличиваются и не приближаются к фиксированной точке. Стремясь понять устойчивость орбит в Солнечной системе, он применил Гамильтонову формулировку к уравнениям движения планет и изучил эти дифференциальные уравнения в ограниченном случае трех тел, чтобы получить свойства решений уравнений, такие как орбитальные резонансы и подковообразные орбиты. Он представил свой мемуар, озаглавленный «О проблеме уравнений динамики трех тел». Эта работа получила премию короля Швеции Оскара II в 1889 году. К 60-летию короля мемуар должен был быть опубликован в Acta Mathematica в день рождения короля, но Ларс Эдвард Фригмон и сам Пуанкаре определили, что имелись серьезные ошибки в работе. Пуанкаре призвал изъять статью, потратив на это большую часть призовых денег. В 1890 году она была, наконец, опубликована в пересмотренной форме, и в течение следующих десяти лет Пуанкаре расширил ее в монографию «Новые методы в небесной механике». [353,354] В этой работе Пуанкаре сформулировал теорему возвращения (рекуррентности), которая утверждает, что почти все точки в любом подмножестве фазового пространства в итоге возвращаются к множеству. Системы, для которых справедлива теорема о возвращении Пуанкаре, являются консервативными системами; таким образом, все эргодические[113 - Эргодический (происходит от нем. ergodisch «эргодичный», из erg- + -odisch; первая часть – из др.-греч. [еrgon] «дело, работа»; вторая часть – из др.-греч. [hodоs] «дорога, путь», из праиндоевр. *ked-/*sed- «ходить») – спец. случайный, причём таким образом, что для каких-либо параметров математическое ожидание по временным рядам должно совпадать с математическим ожиданием по пространственным рядам. Эргодическая теория – раздел математики, изучающий статистические свойства детерминированных динамических систем; это изучение эргодичности. В этом контексте под статистическими свойствами понимаются свойства, которые выражаются через поведение средних по времени различных функций вдоль траекторий динамических систем. Понятие детерминированных динамических систем предполагает, что уравнения, определяющие динамику, не содержат случайных возмущений, шума и т. д. Таким образом, статистика является свойствами динамики. Эргодическая теория, как и теория вероятностей, основана на общих понятиях теории мер. Его первоначальное развитие было мотивировано проблемами статистической физики. Центральной проблемой эргодической теории является поведение динамической системы, когда ей позволено работать в течение длительного времени. Эргодичность – специальное свойство некоторых динамических систем, состоящее в том, что в процессе эволюции почти каждое состояние с определённой вероятностью проходит вблизи любого другого состояния системы. Для эргодических систем математическое ожидание по временным рядам должно совпадать с математическим ожиданием по пространственным рядам. То есть для определения параметров системы можно долго наблюдать за поведением одного её элемента, а можно за очень короткое время рассмотреть все её элементы (или достаточно много элементов). Если система обладает свойством эргодичности, то в обоих случаях получатся одинаковые результаты. Преимущество эргодических динамических систем в том, что при достаточном времени наблюдения такие системы можно описывать статистическими методами. Например, температура газа – это мера средней энергии молекулы. Предварительно необходимо доказать эргодичность данной системы. Эргодическая гипотеза в статистической физике – предположение о том, что средние по времени значения физических величин, характеризующих систему, равны их средним статистическим значениям; служит для обоснования статистической физики. В физике и термодинамике эргодическая гипотеза говорит, что за длительные периоды времени время, проведённое частицей в некоторой области фазового пространства микросостояний с той же самой энергией, пропорционально объёму этой области, то есть что все доступные микросостояния равновероятны за длительный период времени.] системы консервативны. Теорему Пуанкаре доказал в 1919 году Константин Каратеодори, используя теорию измерений. Работа Пуанкаре привела впоследствии к открытию теории хаоса.
§173. Максимилиан Франц Джозеф Корнелиус Вольф (1891) впервые использовал для поиска астероидов метод астрофотографии, при котором на снимках с большим периодом экспозиции астероиды оставляли короткие линии, что значительно увеличило продуктивность исследований и окончательно определило наличие пояса астероидов. [355]
§174. Электронная теория Хендрика Антуана Лоренца (1892) дополняет максвелловскую теорию электромагнитного поля представлением о дискретных электрических зарядах как основе строения вещества, была выдвинута для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона—Морли, и для спасения гипотезы неподвижного эфира допущено существование электронов в дополнение к эфиру. [356] Лоренц исследовал связь параметров двух электромагнитных процессов, один из которых неподвижен относительно эфира, а другой движется, и потом получил выражение для зависимости массы от скорости в случае электрона. Справедливость этой релятивистской формулы была подтверждена опытами Альфреда Бухерера (1908). [357] Лоренцом установлено, что взаимодействие поля с движущимися зарядами является источником электрических, магнитных и оптических свойств тел. В металлах движение частиц порождает электрический ток, тогда как в диэлектриках смещение частиц из положения равновесия вызывает электрическую поляризацию, обуславливающую величину диэлектрической постоянной вещества. Лоренц предложил модификацию модели Френеля, в которой эфир полностью неподвижен. Ему удалось вывести коэффициент волочения Френеля как результат взаимодействия движущейся воды с нерасщепленным эфиром. Он также обнаружил, что переход от одной системы отсчета к другой можно упростить, используя вспомогательную переменную времени, которую он назвал локальным временем. Однако теория Лоренца имела ту же фундаментальную проблему, что и теория Френеля: стационарный эфир противоречил эксперименту Майкельсона—Морли. Поэтому Лоренц предположил, что движущиеся тела сжимаются в направлении движения. К подобному выводу ранее пришел Джордж Фрэнсис Фицджеральд (1889) и предположение получило название гипотеза Фицджеральда-Лоренца. Эта гипотеза о сокращении материальных тел в направлении движения в неподвижном и неувлекаемом эфире обоснована тем, что движущиеся тела испытывают в направлении своего движения сокращение вполне определенной величины, которое тем сильнее, чем больше скорость тела. Сокращение максимально, когда скорость тела достигает скорости света в пустоте; в этом предельном случае длина тела в направлении движения стала бы равной нулю. Уравнения, которые Лоренц использовал для описания этих эффектов, теперь называются преобразованиями Лоренца в его честь и идентичны по форме уравнениям, которые Эйнштейн позже вывел из первых принципов[114 - В отличие от уравнений Эйнштейна, преобразования Лоренца были строго случайными, их единственным оправданием было то, что они, казалось, работали.]. В 1895 году Лоренц более широко объяснил коэффициент Френеля, основанный на концепции местного времени, и им были выведены линейные (или аффинные[115 - Аффи?нное простра?нство – математический объект (пространство), обобщающий некоторые свойства евклидовой геометрии. В отличие от векторного пространства, аффинное пространство оперирует с объектами не одного, а двух типов: «векторами» и «точками». Аффинное пространство, ассоциированное с векторным пространством над полем – множество со свободным транзитивным действием аддитивной группы (если поле явно не указано, то подразумевается, что это – поле вещественных чисел).]) преобразования векторного (соответственно, аффинного) псевдоевклидова пространства[116 - Псевдоевклидово пространство – конечномерное вещественное векторное или аффинное пространство с невырожденным индефинитным скалярным произведением, которое называют также индефинитной метрикой. Индефинитная метрика не является метрикой в смысле определения метрического пространства, а представляет собой частный случай метрического тензора. Важнейшим примером псевдоевклидова пространства является пространство Минковского.], сохраняющие длины или, что эквивалентно, скалярное произведение векторов лаплас. [358]
§175. Вильгельм Вин (1893) путём применения законов термодинамики к электромагнитному излучению впервые вывел закон смещения, из которого следует, что длина волны, на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела. [359,360] Этот закон устанавливает зависимость длины волны, на которой поток излучения энергии чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела. [361] Закон Вина о смещении длины волны максимальной энергии при изменении температуры применим для определения звездных температур. Однако, как обратил внимание Сванте Аррениус (1914), следует учитывать, что свет звезды, который мы видим, ослаблен поглощением в ее внешней атмосфере. [362]
§176. В 1895 году Джеймс Эдуард Килер и Аристарх Аполлонович Белопольский независимо друг от друга измерили доплеровский сдвиг разных частей колец Сатурна и обнаружили, что внутренние части движутся быстрее, чем внешние, что подтвердило вывод Максвелла, что кольца состоят из множества малых тел, подчиняющихся законам Кеплера. [363,364] По утверждениям исследователей работа Максвелла по устойчивости колец Сатурна считается «первой работой по теории коллективных процессов, выполненной на современном уровне». [365]
§177. Эрнст Мах (1896) постулировал, что инертные свойства тела зависят от массы и расположения других тел. [366] Следуя принципу наблюдаемости, Мах подверг критике понятие абсолютного пространства Ньютона, ускорением относительно которого Ньютон объяснял возникновение сил инерции. По Маху, источником инерции является ускорение не относительно абсолютного пространства, а относительно системы отсчета, связанной с удаленными звездами, масса которых является источником инерции. Отсюда вытекает что влияние всей массы во Вселенной определяет естественное движение. Впоследствии данное утверждение стало называться принципом Маха[117 - Принцип Маха ? утверждения, охватывающие три вида вопросов: Существование пространства и времени неразрывно связано с существованием физических тел. Удаление всех физических тел прекращает существование пространства и времени. Причиной существования инерциальных систем отсчёта является наличие далёких космических масс. Инертные свойства каждого физического тела определяются всеми остальными физическими телами во Вселенной и зависят от их расположения. В классической механике и теории относительности, напротив, считается, что инертные свойства тела, например, его масса, не зависят от наличия или отсутствия других тел. Однако в общей теории относительности от окружающей материи зависят свойства локально инерциальных систем отсчёта, относительно которых и определяются инертные свойства тел, что может считаться конкретной реализацией принципа Маха. Принцип Маха в его исходной формулировке не выполняется в теории относительности. Это утверждение следует из того, что принцип относительности инерции допускает мгновенность передачи действия на расстояние (принцип дальнодействия), а в основе теории относительности лежит принцип близкодействия (скорость передачи действия конечна и не превышает скорость света в вакууме); в пустом пространстве, согласно специальной теории относительности, все тела обладают инерцией, независимо от наличия или отсутствия других тел: также, известно, что одна и та же сила сообщает данному телу одинаковое ускорение, независимо от наличия или отсутствия рядом других тел.].
§178. Питер Зееман (1896) выявил эффект, который обусловлен тем, что в присутствии магнитного поля электрон, обладающий магнитным моментом, приобретает дополнительную энергию. [367] Приобретённая энергия приводит к снятию вырождения атомных состояний по магнитному квантовому числу и расщеплению атомных спектральных линий. Предположение, что спектральные линии могут расщепляться в магнитном поле, было впервые высказано Майклом Фарадеем, который не смог наблюдать эффект из-за отсутствия источника достаточно сильного поля. Эффект был впервые обнаружен Зееманом для узкой зелёно-голубой линии кадмия. В своём опыте Зееман применял магнитные поля и наблюдал расщепление линии на триплет. Зееман сослался на Фарадея как на автора идеи. Об этих опытах узнал Хендрик Лоренц, который уже на следующий день встретился с Зееманом и привёл ему своё объяснение, основанное на разработанной им же классической электронной теории. Вскоре, однако, обнаружилось, что спектральные линии большинства других веществ расщепляются в магнитном поле более сложным образом. Объяснить этот эффект удалось только в рамках квантовой физики с развитием представлений о спине[118 - Спин (от англ. spin, буквально – вращение, вращать (-ся)) – собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с движением (перемещением или вращением) частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы. Спин измеряется в единицах h (приведённой постоянной Планка, или постоянной Дирака) и равен hJ, где J – характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число – так называемое спиновое квантовое число, которое обычно называют просто спином (одно из квантовых чисел). Спин – квантовая характеристика, не имеющая классических аналогов и являющаяся внутренним свойством квантовых объектов, характеризующая их равноправно с такими величинами, как масса или электрический заряд.]. За открытие и объяснение эффекта Зееман и Лоренц были награждены Нобелевской премией по физике 1902 года с обоснованием за исследования влияния магнетизма на явления излучения.
§179. Антония Каэтана де Пайва Перейра Мори (1897), работая в Гарвардской обсерватории над звездным каталогом Генри Дрейпера, наблюдала звездные спектры и опубликовала важный каталог классификаций, включив деление звёзд по ширине их спектральных линий. [368] В рамках этой работы она заметила периодическое удвоение некоторых линий в спектре звезды Мицар[119 - Мицар – звезда в созвездии Большой Медведицы, вторая от конца ручки большого «ковша». Люди с хорошим зрением видят рядом с Мицаром ещё одну звезду, называемую Алькор или 80 UMa. Название в переводе с арабского означает забытая или незначительная. Способность видеть Алькор – традиционный способ проверки зрения. Звёздная величина Алькора 4,02, спектральный класс A5 V. Расстояние между Мицаром и Алькором превышает четверть светового года. Долгое время не удавалось доказать физическое единство системы Алькор – Мицар (близость собственного движения звёзд ещё не означает вхождение в двойную систему); в 2009 году астрономы Рочестерского университета провели более точные измерения и показали, что обе звезды входят в физически связанную систему, состоящую из 6 звёзд. Таким образом, кратная система (Мицар – Алькор) состоит из шести компонентов: двойные звезды Мицар А и Мицар В, и лежащая на расстоянии около 0,3 световых лет от них двойная звезда Алькор (около 12 угловых минут). При наблюдении в телескоп Мицар сам по себе виден как двойная звезда, включающая Мицар A и Мицар B. Мицар B имеет звёздную величину 4,0 и спектральный класс A7, расстояние между Мицаром A и Мицаром B – 380 а. е. (15 угловых секунд), период обращения – несколько тысяч лет.], что привело к публикации первого спектроскопического описания бинарной орбиты.
§180. Джозеф Лармор (1897, 1900) разработал модель, в которой все силы считаются электромагнитного происхождения, и сокращение длины оказалось прямым следствием этой модели. [369] Это преобразование было завершено Лоренцем (1899, 1904), который нашел релятивистские[120 - Релятивистский – филос. – основанный на принципе относительности и условности содержания познания; Физ. – связанный с теорией относительности; относящийся к физическим эффектам, явлениям, наблюдаемым при скоростях тел (частиц), сравнимых со скоростью света. Происходит от сущ. релятивист, далее из лат. relativus «относительный; соотносительный», далее из relatus «отнесённый», прич. прош. от referre «нести назад, уносить обратно; приурочивать», далее из re- «обратно; опять, снова; против» + ferre «носить», из праиндоевр. *bher- «брать, носить».] преобразования пространственных координат и времени, оставляющие неизменными электромагнитные явления при равномерном движении систем отсчета. [370] Анри Пуанкаре (1905) показал, что электромагнитные силы сами по себе не могут объяснить устойчивость электрона. [371] Поэтому ему пришлось ввести еще одну специальную гипотезу: неэлектрические силы связи (напряжения Пуанкаре), которые обеспечивают стабильность электрона, дают динамическое объяснение сокращению длины и, таким образом, скрывают движение неподвижного эфира. Альберт Эйнштейн (1905) вывел уравнения из нескольких основных предположений и показал связь между преобразованием и фундаментальными изменениями в концепциях пространства и времени. [372] Эйнштейн полностью удалил специальный характер из гипотезы сжатия, продемонстрировав, что это сжатие не требует движения через предполагаемый эфир, но может быть объяснено с помощью специальной теории относительности, которая изменила наши представления о пространстве, времени и одновременности. Точка зрения Эйнштейна была дополнительно развита Германом Минковским, который продемонстрировал геометрическую интерпретацию всех релятивистских эффектов, представив свою концепцию четырехмерного пространства-времени.
§181. В 1898 году Жак Адамар опубликовал влиятельное исследование хаотического движения свободной частицы, скользящей без трения по поверхности постоянной отрицательной кривизны, названное «бильярдом Адамара». [373] Адамар смог показать, что все траектории неустойчивы, поскольку все траектории частиц экспоненциально расходятся друг от друга с положительным показателем Ляпунова. Это показатель введен русским математиком Александром Михайловичем Ляпуновым (1892), который в своей докторской диссертации заложил основы теории устойчивости равновесия и движения механических систем с конечным числом параметров. [374] В работе Ляпунова впервые было введено понятие устойчивости, изложены первый и второй методы Ляпунова для исследования устойчивости.
§182. Иван Ярковский (1900) заметил эффект, в соответствии с которым тепловое излучение поверхности астероида, выделяемое им с ночной стороны, создаёт слабый реактивный импульс за счёт теплового излучения от нагревшейся днём и остывающей ночью поверхности астероида, что может привести к дополнительному ускорению астероида. [375] Данный эффект Ярковского объясняет, почему число достигших Земли астероидов больше, чем следовало из прежних расчётов. Советский астрофизик Владимир Вячеславович Радзиевский (1954), уточнил, что интенсивность теплового излучения зависит от альбедо[121 - Альбе?до (от лат. albus «белый») – характеристика диффузной отражательной способности поверхности. Значение альбедо для данной длины волны или диапазона длин волн зависит от спектральных характеристик отражающей поверхности, поэтому альбедо отличается для разных спектральных диапазонов (оптическое, ультрафиолетовое, инфракрасное альбедо) или длин волн (монохроматические альбедо).] поверхности астероида. [376] Американские учёные Стивен Пэддэк (1965) и Джон О’Киф (1975) показали, что ещё большее влияние на изменение угловой скорости оказывает форма астероида. [377,378] Дэвид Рубинкэм в 2000 году назвал это явление эффектом Ярковского – О’Кифа – Радзиевского – Пэддэка (ЯОРП-эффект или YORP-эффект), определив, что именно YORP-эффект является причиной наблюдаемого избытка быстровращающихся объектов среди небольших асимметричных астероидов, приводящего к их разрыву центробежными силами. [379] В трактовке современной квантовой физики каждый фотон, испускаемый нагретой поверхностью астероида, придаёт ему импульс, равный отношению энергии фотона к скорости света. Эта гипотеза впервые подтверждена на примере астероида (6489) Голевка путём наблюдения за изменением его орбиты в течение более чем 10 лет[122 - В 2007 году по результатам радиолокационных наблюдений астероидов (1862) Аполлон и (54509) YORP YORP-эффект получил прямое подтверждение, причём в случае с последним астероидом влияние YORP-эффекта оказалось столь велико, что впоследствии ему в качестве имени было присвоено название данного явления. Так, по расчётам скорость вращения астероида (54509) YORP должна удвоиться всего за 600 000 лет, а через 35 млн лет его период обращения и вовсе составит всего 20 секунд, что в дальнейшем может привести к разрыву астероида центробежными силами. На сегодняшний день угловое ускорение этого астероида составляет 2,9 (± 0,2) ?10
°/сек
. Кроме того, влияние YORP-эффекта может привести к изменению наклона и прецессии оси вращения.].
§183. Грегорио Риччи-Курбастро (1900) ввел в способ измерения кривизны многообразия тензор[123 - Тензор – матем. величина особого рода, задаваемая числами и законами их преобразования; является развитием и обобщением вектора и матрицы. Происходит от нем. Tensor, далее от лат. tendere «направляться, стремиться; склоняться».] степени отличия геометрии многообразия от геометрии плоского евклидова пространства. [380] Тензор Риччи, точно так же как метрический тензор, является симметричной билинейной формой на касательном пространстве риманова многообразия и измеряет деформацию объёма, то есть степень отличия n-мерных областей n-мерного многообразия от аналогичных областей евклидова пространства. Тензор кривизны Риччи в общей теории относительности служит ключевым компонентом уравнений Эйнштейна. Кривизна Риччи также появляется в уравнении потока Риччи, в котором зависящая от времени метрика деформируется пропорционально кривизне Риччи со знаком минус. Появление тензорного исчисления в динамике восходит к Жозефу Луи Лагранжу (1788), развившему общую обработку динамической системы, Карлу Фредерику Гауссу (1827)[124 - Theorema Egregium (в переводе с латыни «замечательная теорема») – исторически важный результат в дифференциальной геометрии, доказанный Гауссом. Гаусс сформулировал теорему следующим образом (перевод с латыни): «Таким образом, формула из предыдущей статьи влечёт замечательную теорему. Если криволинейная поверхность разворачивается по любой другой поверхности, то мера кривизны в каждой точке остается неизменной.». Теорема «замечательна», поскольку авторское определение гауссовой кривизны использует положение поверхности в пространстве. Поэтому довольно удивительно, что результат никак не зависит от изометричной деформации. В современной формулировке теорема гласит: Гауссова кривизна является внутренним инвариантом поверхности. Иными словами, гауссова кривизна может быть определена исключительно путём измерения углов, расстояний внутри самой поверхности и не зависит от конкретной её реализации в трёхмерном евклидовом пространстве.], предложившему неизменность меры кривизны, и Георгу Фридерику Бернарду Риману[125 - В 1853 году Гаусс попросил своего ученика Римана подготовить подготовить учебник по основам геометрии. В течение многих месяцев Риман развивал свою теорию высших измерений и прочитал в Геттингене в 1854 году лекцию под названием «О гипотезах, лежащих в основе геометрии» (Ueber die Hypothesen welche der Geometrie zu Grunde liegen). Она была опубликована Дедекиндом только двенадцать лет спустя, в 1868 году, через два года после смерти Римана. Заслуги Римана были признаны позднее, и теперь его работы признаны одними из самых важных в геометрии. Риман нашел правильный способ распространить на n измерений дифференциальную геометрию поверхностей, которую сам Гаусс доказал в своей «замечательной теореме». Фундаментальный объект называется тензором кривизны Римана. Для поверхностного случая это может быть сведено к числу (скалярному), положительному, отрицательному или нулю; ненулевые и постоянные случаи являются моделями известных неевклидовых геометрий. Идея Римана состояла в том, чтобы ввести набор чисел в каждой точке пространства (то есть тензор), который описывал бы, насколько он изогнут или искривлен. Риман обнаружил, что в четырех пространственных измерениях требуется набор из десяти чисел в каждой точке, чтобы описать свойства многообразия, независимо от того, насколько оно искажено. Это знаменитая конструкция, занимает центральное место в его геометрии, известная теперь как риманова метрика.] (1854), который первым предложил геометрию с произвольным количеством измерений. [381] Риччи-Курбастро также был под влиянием работ Рудольфа Отто Сигизмунда Липшица[126 - Отображение, увеличивающее расстояния не более, чем в некоторую константу раз, впервые рассматривалось Рудольфом Липшицем в 1864 году для вещественных функций в качестве достаточного условия для сходимости ряда Фурье к своей функции. Впоследствии условием Липшица стало принято называть это условие только при ? = 1, а при ? <1 – условием Отто Гёльдера. Такое отображение обладает свойствами: 1) Любое отображение Липшица равномерно непрерывно; 2) Суперпозиция липшицевой и интегрируемой функции интегрируема; 3) Непрерывно дифференцируемая функция на компактном подмножестве евклидова пространства удовлетворяет условию Липшица. Обратное утверждение не верно. (Лемма о липшицевости); 4) Теорема Ганса Радемахера утверждает, что любая липшицева функция, определённая на открытом множестве в евклидовом пространстве, дифференцируема на нём почти всюду; 5) Теорема Мойжеша Киршбрауна о продолжении утверждает, что любое L-липшицевское отображение из подмножества евклидова пространства в другое евклидово пространство может быть продолжено до L-липшицевского отображения на всё пространство.] (1864) о формализации отображения вещественных функций и Элвина Бруно Кристоффеля[127 - Кристоффеля в основном помнят за его вклад в дифференциальную геометрию. В известной статье 1869 года о проблеме эквивалентности дифференциальных форм в n переменных, опубликованной в журнале Crelle’s Journal, он представил фундаментальную технику, позже названную ковариантной дифференциацией, и использовал ее для определения тензора Римана-Кристоффеля (наиболее распространенный метод, используемый для выражения кривизны риманова многообразия). В той же работе он представил символы Кристоффеля которые выражают компоненты соединения Леви-Чивита в отношении системы локальных координат. Идеи Кристоффеля были обобщены и значительно разработаны Риччи-Курбастро и его учеником Леви-Чивитой, которые превратили их в концепцию тензоров и абсолютного дифференциального исчисления. Абсолютное дифференциальное исчисление, позже названное тензорным исчислением, формирует математическую основу общей теории относительности.] (1869) об эквивалентности дифференциальных форм. [382] Свою работу по исчислению тензоров Риччи-Курбастро написал со своим бывшим учеником Туллио Леви-Чивита, подписав его как Грегорио Риччи.
§184. Джон Уильям Стретт (Третий барон Рэлей) (1900) вывел эмпирическую закономерность, предсказавшую выход энергии, которая расходится к бесконечности, как длина волны приближается к нулю (как частота стремится к бесконечности). [383] Более полный вывод, который включал константу пропорциональности, был представлен английским астрофизиком Джеймсом Хоупвудом Джинсом в 1905 году, независимо установившим закон распределения энергии в длинноволновой части спектра излучения абсолютно чёрного тела (закон излучения Рэлея – Джинса), который связывает плотность энергии излучения абсолютно чёрного тела с температурой источника эмиссии). [384] Измерения спектрального излучения реальных черных тел показали, что излучение согласуется с этим законом на больших длинах волн (низкие частоты), но сильно расходится на коротких длинах волн (высокие частоты); достигая максимума, затем падает с частотой, поэтому общая излучаемая энергия конечна. Это несоответствие между наблюдениями и предсказаниями классической физики обычно называют «ультрафиолетовой катастрофой»[128 - Ультрафиолетовая катастрофа – парадокс классической физики, состоящий в том, что полная мощность теплового излучения любого нагретого тела, согласно закону Рэлея – Джинса, должна быть бесконечной. Название парадокс получил из-за того, что спектральная плотность энергии излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны. По сути, этот парадокс показал если не внутреннюю противоречивость классической физики, то, во всяком случае, крайне резкое расхождение с элементарными наблюдениями и экспериментом.].
§185. Для разрешения проблемы «ультрафиолетовой катастрофы» и соответствующего согласования теории с экспериментом Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1900) предположил, что излучение света веществом происходит дискретно (неделимыми порциями), и энергия излучаемой порции зависит от частоты света. [385] Формула Планка получена после того, как стало ясно, что формула Рэлея, которая следует из классической теории электромагнитного поля, удовлетворительно описывает излучение только в области длинных волн. С убыванием длин волн формула Рэлея сильно расходится с эмпирическими данными; более того, в пределе она даёт расхождение: бесконечную энергию излучения (ультрафиолетовая катастрофа). В связи с этим Планк сделал предположение, противоречащее классической физике, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций (квантов) энергии, величина которых связана с частотой излучения Планк ввел коэффициент пропорциональности, впоследствии названный постоянной Планка[129 - Постоя?нная Пла?нка (квант действия) – основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии электромагнитного излучения с его частотой. Постоянная Планка, ? = 1,054 571 817… · 10
эрг·с (Дж·с). Впоследствии Дираком была выведена приведенная (редуцированная) постоянная Планка: 6,582 119 514 (40) · 10
эВ·с.]. Это предположение позволило теоретически объяснить наблюдаемый спектр излучения[130 - Хотя проблема поиска закона распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела («нормальном спектре») считалась решеной, перед Планком встала задача теоретически обосновать найденную формулу, то есть вывести соответствующее выражение для энтропии осциллятора. Чтобы сделать это, он был вынужден обратиться к трактовке энтропии как меры вероятности термодинамического состояния или, другими словами, числа способов реализации этого состояния (микросостояний, или «комплексий» согласно тогдашней терминологии). Этот подход ранее был предложен Людвигом Больцманом. Для вычисления энтропии в рамках этого подхода необходимо определить количество способов распределения энергии между большим числом осцилляторов, колеблющихся на различных частотах. Чтобы избежать обращения этого количества в бесконечность, Планк предположил, что полная энергия осцилляторов с определённой частотой может быть разделена на точное число равных частей (элементов, или квантов) величиной ? = h ?, где h – «универсальная постоянная», ныне называемая постоянной Планка. Воспользовавшись этой гипотезой, он представил энтропию через логарифм количества комбинаций, отметил необходимость максимизации энтропии в равновесном состоянии и пришёл к своей спектральной формуле. Эти результаты учёный сообщил в докладе «К теории распределения энергии излучения нормального спектра» (Zur des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum), сделанном 14 декабря 1900 года на очередном заседании Немецкого физического общества. В иной форме они были изложены в статье «О законе распределения энергии в нормальном спектре» (?ber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspektrum), опубликованной в начале 1901 года в журнале Annalen der Physik. В этой работе, получившей большую известность, Планк избрал противоположную последовательность доказательства: исходя из условия термодинамического равновесия и применяя закон смещения Вина и комбинаторику, пришёл к своему закону распределения.]. Правильность формулы Планка подтверждается не только непосредственной эмпирической проверкой, но и следствиями из данной формулы; в частности, из неё следует эмпирически подтверждённый закон Стефана – Больцмана. Кроме того, из неё выводятся также и приблизительные формулы, полученные до формулы Планка: формула Вина и формула Рэлея – Джинса.
§186. Современный вид формулам преобразования Лоренца придали Анри Пуанкаре (1900), а также независимо Альберт Эйнштейн (1905). [386] Пуанкаре первым установил и детально изучил одно из самых важных свойств преобразований Лоренца – их групповую структуру. Он ввёл понятия «преобразования Лоренца» и «группа Лоренца» и показал, исходя из эфирной модели, невозможность обнаружить движение относительно абсолютной системы отсчета, модифицировав таким образом принцип относительности Галилея[131 - Принцип относительности (принцип относительности Эйнштейна) – фундаментальный физический принцип, один из принципов симметрии, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Частным случаем принципа относительности Эйнштейна является принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея и оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике.]. Эйнштейн в своей специальной теории относительности (1905) распространил преобразования Лоренца на все физические (не только электромагнитные) процессы и указал, что все физические законы должны быть инвариантны[132 - Инвариантный – лингв., матем. остающийся неизменным при определённых преобразованиях, при переходе к новым условиям и т. п. Инвариант – свойство, остающееся неизменным при преобразованиях определённого типа.] относительно этих преобразований. Геометрическую четырёхмерную модель кинематики[133 - Кинематика – 1. физ. раздел механики, изучающий движение тел, не вдаваясь в вызывающие его причины; 2. совокупность свойств чего-либо, определяющих способность двигаться, перемещаться.] теории относительности, так называемую «геометродинамику», где преобразования Лоренца играют роль вращения координат, открыл немецкий математик Герман Минковский (1907), который указал, что в модели время и пространство представляют собой не различные сущности[134 - Как вспоминал Макс Борн, Минковский провозгласил: «Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность».], а взаимосвязанные измерения единого пространства-времени и тем самым все релятивистские эффекты получили наглядное геометрическое истолкование. [387,388,389] В 1910 году Владимир Сергеевич Игнатовский первым попытался получить преобразование Лоренца на основе теории групп и без использования постулата о постоянстве скорости света. [390,391]
§187. Лорд Кельвин (1901) выдвинул гипотезу о том, что атом, движущийся со скоростью, большей скорости света, должен излучать электромагнитные волны, руководствуясь аналогией с результатами исследований Эрнста Маха, который установил, что тело, движущееся со скоростью, большей скорости звука, должно излучать звуковые[135 - Подобное акустическое излучение получило название «эффект Маха». Пример данного эффекта – свист пули, летящей быстрее звуковой волны.] волны. [392] Эта идея Уильяма Томсона перекликается с аналогией Оливера Хевисайда (1888) и Арнольда Зоммерфельда (1904), которые независимо от Кельвина пришли к мысли о способности тела, движущегося со сверхсветовой скоростью, излучать световые колебания, по аналогии с эффектом Маха.
§188. Йоханнес Штарк (1902) открыл похожий на зеемановский эффект, который наблюдается, когда в звезде кратковременно возникает сильное электрическое поле. [393] Он обнаружил эффект Доплера в канальных лучах, дал объяснение явлению расщепления спектральных линий в электрическом поле, за что в 1919 году стал лауреатом Нобелевской премии по физике. До присуждения премии им также были исследованы рентгеновское излучение и вторичные электроны, возникающие при торможении катодных лучей. [394]
§189. В 1902—1903 годах Макс Абрахам развивая теорию гравитации и электродинамики, сформулировал первую гипотезу о структуре электрона, согласно которой его можно представить как твёрдый шарик с равномерно распределённым зарядом. [395] Он придал завершённую форму классической электродинамике Максвелла, используемую по сей день, а также ввёл в теоретической физике понятие электронного импульса, предложил формулу зависимости электромагнитной массы электрона от скорости. В 1912 году Абрахам предложил теорию гравитации, обобщающую ньютоновскую, но не учитывающую принцип эквивалентности Эйнштейна. [396] Его гипотеза о силовом действии света, проходящего через прозрачную среду, была отвергнута в пользу гипотезы Минковского.
§190. Альфред Генрих Бухерер (1903), подобно Анри Пуанкаре, верил в принцип относительности, то есть, все описания электродинамических эффектов должен содержать только относительные движения самих тел, а не эфира. [397] Но он пошел дальше Пуанкаре и, вслед за Альбертом Эйнштейном, отрицал физическое существование эфира. Однако, он не связывал отказ от эфира с относительностью пространства и времени. На основе этих идей в 1906 году Бухерер разработал теорию, в которой предположил, что геометрия физического пространства отличается от евклидовой, хотя сформулировал эту гипотезу довольно расплывчато. Впоследствии в 1908 году Вальтер Ритц показал, что теория Бухерера приводит к неверным выводам в электродинамике.
§191. Британский физик Джон Генри Пойнтинг (1903) в рамках эфирной теории электромагнетизма описал физический процесс, в результате которого в Солнечной системе пылевые частицы медленно падают по спирали в сторону Солнца. [398] Правильное объяснение эффекта с точки зрения общей теории относительности дал Говард Перси Робертсон в 1937 году. [399] Эффект Пойнтинга – Робертсона связан с тем, что солнечные фотоны до их поглощения телом движутся радиально, обладая нулевым моментом количества движения относительно Солнца. Тело же переизлучает солнечную радиацию изотропно в системе координат, движущейся с ним, так что средний удельный момент количества движения излучаемых фотонов равен удельному моменту количества движения тела. Происходит частичная передача момента количества движения тела переизлучаемым фотонам и тело по спирали приближается к Солнцу[136 - Пусть для простоты пылинка движется по круговой орбите вокруг Солнца. (а) В системе отсчёта, связанной с пылинкой, в результате аберрации света солнечное излучение слегка наклонено против движения частицы. Если пылинка достаточно мала, можно считать, что её температура постоянна по всей поверхности, поэтому тепловое излучение можно считать изотропным. (b) В системе отсчёта, связанной с Солнцем, тепловое излучение пылинки анизотропно из-за аберрации и эффекта Доплера. По принципу эквивалентности само по себе тепловое излучение частицы не может изменить её скорость, импульс изменяется пропорционально массе, то есть энергии частицы. А при поглощении солнечного излучения энергия (то есть масса) частицы увеличивается при неизменной тангенциальной составляющей импульса. Поэтому скорость частицы уменьшается. Сферическое тело определенного радиуса и плотности, находившееся на квазикруговой орбите, теоретически «выпадает» на Солнце за соответствующее время. Фактически тело испаряется в окрестностях Солнца и присоединяется к его атмосфере в виде облачка паров. У тела, движущегося по эллиптической орбите, сокращение ее размеров сопровождается уменьшением ее эксцентриситета.]. Советский астроном Владимир Вячеславович Радзиевский (1950) выявил существование планетоцентрического эффекта Пойнтинга – Робертсона, то есть сокращения орбиты тела, движущегося вокруг планеты, опять-таки вследствие переизлучения солнечной радиации. [400]
§192. В 1904 году Альфред Генрих Бухерер разработал оригинальную теорию электронов, в котором электроны сжимаются в направлении движения и расширяются в перпендикулярном направлении. [401] Независимо от него очень похожую модель разработал в 1905 году Поль Ланжевен. [402] Модель Бухерера – Ланжевена была альтернативой выдвинутым электронным моделям Лоренца (1899), Пуанкаре (1905, 1906) и Эйнштейна (1905), в которых электроны подвергаются сокращению длины без расширения в других направлениях; и модели Макса Абрахама, в которой размеры электрона неизменны, а принцип относительности не выполняется. Все три модели предсказывали рост массы электрона, когда его скорость приближается к скорости света. Модель Бухерера-Ланжевена подверглась критике и была быстро отвергнута, так что экспериментаторы сосредоточились на выборе между теориями Абрахама и Лоренца-Эйнштейна. Вальтер Кауфман в своих опытах (1901—1905) полагал, что его эксперименты подтвердили модель Абрахама. Но в 1908 году Бухерер провёл свои опыты, и результаты, наоборот, подтвердили модель Лоренца-Эйнштейна и принцип относительности, и Бухерер признал принцип относительности Эйнштейна. [403] После некоторой полемики результаты Бухерера стали общепризнанными, и это сыграло значительную роль в принятии научным сообществом теории относительности. Позже Бухерер (1923, 1924) в некоторых публикациях критиковал общую теорию относительности Эйнштейна. Но впоследствии он снял свои возражения, признав, что неверно истолковал принцип эквивалентности Эйнштейна. [404]
§193. Голландский астроном Якобус Корнелиус Каптейн (1904) обратил внимание на отмеченную особенность движения звезд ярче 56 m. Анализируя изменения параллаксов для достаточно представительной выборки звезд из каталога Брадлея – Ауверса, он пришел к выводу, что близкие к Солнцу яркие звезды преимущественно движутся в двух разных направлениях, пересекающих небесную сферу в двух парах точек, которые он назвал «видимыми вертексами» двух звёздных потоков. [405] Каптейн обнаружил, что это явление имеет не случайный характер, как считалось в то время; в звёздах можно выделить два потока, движущиеся в почти противоположных направлениях. Если бы тенденции к образованию потоков носили беспорядочный характер, то не было бы никаких закономерностей в распределении соответствующих стрелок на всей сфере. В экваториальной системе координат вертексы характеризовались следующими значениями прямого восхождения и склонения: вертекс I: восхождение 85° и склонение 11°; вертекс II: восхождение 260° и склонение 48°. Тот факт, что все местные потоки явно сходятся лишь к двум точкам, доказывает, что все звёзды на небе имеют в своём движении склонность либо к потоку I, либо к потоку II. Существование вертексов Каптейн объяснил собственным движением Солнца относительно двух взаимопроникающих и скрещивающихся под углом 100—120° звездных потоков. Иосиф Федорович Полак (1935) подтвердил реальность установленных Каптейном вертексов. [406] Вместе с тем вывод Каптейна о пересекающихся потоках звезд был отвергнут Павлом Петровичем Паренаго (1954), а для объяснения природы вертексов Кирилл Федорович Огородников (1958) использовал идею Карла Шварцшильда об эллипсоидальном распределении скоростей звезд в Галактике. [407] Шварцшильд (1907) показал, что предположение о существовании двух определённых потоков вовсе не обязательно[137 - Шварцшильд также внес свой вклад в звездную статистику в то время, когда структура нашей галактики и способ ее вращения были все еще загадочными. В двух статьях, опубликованных в 1907 и 1908 годах, он рассматривал движение ближайших звезд в пространстве в связи с оценками их расстояний. Скудный наблюдательный материал, имевшийся в то время, включая собственные движения, сведенные в таблицу в каталоге Грумбриджа-Гринвича, уже был проанализирован Каптейном, который обнаружил, что особые движения (полученные из собственных движений звезд с поправкой на движение Солнца) не были случайными, но, по-видимому, благоприятствовали двум преимущественным направлениям. Каптейн вывел из этого свою «гипотезу двух потоков», согласно которой звезды движутся мимо друг друга с противоположных направлений. Такая картина была неприемлема для Шварцшильда, который вместо этого разработал то, что он назвал унитарной картиной, которая, как он показал, будет одинаково хорошо соответствовать наблюдаемым фактам. Третья статья, опубликованная в 1911 году после того, как он покинул Геттинген, подробно описывала его методы и сравнивала его результаты с результатами Зеелигера, Каптейна и Герцшпрунга. Космологические размышления Шварцшильда доступны в сборнике из четырех популярных лекций, озаглавленном «О системе неподвижных звезд». Возможно, наибольший интерес представляет лекция, прочитанная в Геттингенском научном обществе 9 ноября 1907 года, посвященная космологическим письмам Ламберта. Шварцшильд обсуждал тип телеологических аргументов, используемых (успешно) Ламбертом для достижения многих из тех же самых выводов о вселенной – включая множественность обитаемых миров – которых придерживаются даже те ученые-физики, для которых телеологические аргументы являются анафемой. Шварцшильд включает ироничное замечание о том, что телеология все еще плодотворна в биологических науках, в теории эволюции.]. Линия вертексов указывает только общее направление предпочтительного движения. В целом звёзды предпочитают движение вдоль этой линии, а не перпендикулярное к ней. Первоначально неравное количество звёзд в потоках I и II, казалось, подтверждало гипотезу Каптейна, но исследования движений телескопических звёзд показали, что это неравенство исчезает при переходе к более слабым звёздам. В настоящее время описания Шварцшильда и Каптейна считаются эквивалентными.
§194. Первое фактическое обнаружение холодной диффузной материи в межзвездном пространстве было сделано Иоганном Францем Хартманом в 1904 году с помощью линейной спектроскопии поглощения Потсдамского большого рефракторного телескопа. [408] В своем историческом исследовании спектра и орбиты дельты Ориона Хартманн наблюдал свет, исходящий от этой звезды, и понял, что часть этого света поглощается до того, как он достигает Земли. Хартманн сообщил, что «поглощение кальция из линии „к“ оказалось чрезвычайно слабым, но почти идеально резким», а также сообщил о «довольно удивительном результате, что линия кальция в 393,4 нанометра не участвует в периодических смещениях линий, вызванных орбитальным движением спектроскопической двойной звезды». Стационарная природа этой линии привела Хартмана к заключению, что газ, ответственный за поглощение, не присутствовал в атмосфере дельты Ориона, а вместо этого находился в изолированном облаке вещества, находящемся где-то на линии видимости этой звезды. Это открытие положило начало изучению межзвездной среды.
§195. Эйнштейн (1905) указал, что не только излучение, но и распространение и поглощение света дискретны[138 - Дискретный – точечный, прерывистый (матем. – состоящий из отдельных частей, прерывный, дробный; спец.– изменяющийся между несколькими различными стабильными состояниями, существующий лишь в отдельных точках) От лат. discretus «отдельный, отделённый», прич. прош. от discernere «отделять, разделять, отличать», далее из dis- (приставка, означающая разделение, разъединение) + cernere «различать, разбирать» (восходит к праиндоевр. *krei- «просеивать, различать»).]; позднее эти порции (кванты) получили название фотонов. Этот тезис позволил ему объяснить две загадки фотоэффекта: почему фототок возникал не при всякой частоте света, а только начиная с определённого порога, зависящего только от вида металла, а энергия и скорость вылетающих электронов зависели не от интенсивности света, а только от его частоты. [409] Теория фотоэффекта Эйнштейна с высокой точностью соответствовала опытным данным, что позднее подтвердили эксперименты Роберта Эндрюса Милликена (1916). [410]
§196. Джеймс Джинс (1905) установил закон распределения энергии в длинноволновой части спектра излучения абсолютно чёрного тела (закон излучения Рэлея – Джинса), который связывает плотность энергии излучения абсолютно чёрного тела с температурой источника эмиссии. [411] Закон Рэлея—Джинса является приближением спектрального излучения электромагнитного излучения как функции длины волны от черного тела при заданной температуре с помощью классических физических аргументов.
§197. Дэйтон Кларенс Миллер с Морли (1905) сконструировали интерферометр более чувствительный, чем примененный в первом эксперименте Майкльсона-Морли, с длиной оптического пути 65,3 метра, эквивалентной примерно 130 миллионов длин волн. [412] Миллер ожидал увидеть смещение в 1,1 полосы. Осенью Морли и Миллер провели эксперимент на Евклидовых высотах в Кливленде, находящихся на высоте около 90 метров над озером Эри и около 265 метров выше уровня моря. В 1905—1906 годах было сделано пять серий наблюдений, которые дали определённый положительный эффект – около 1/10 ожидаемого дрейфа. В марте 1921 года методика и аппарат были несколько изменены и получен результат в 10 километров в секунду «эфирного ветра». Результаты были тщательно проверены на предмет возможного устранения погрешностей, связанных с магнитострикцией и тепловым излучением. Направление вращение аппарата не оказывало влияния на результат эксперимента.
§198. Принцип относительности Альберта Эйнштейна (1905), являясь одним из постулатов теории относительности, утверждает, что не только в механике, как полагал Гилилей, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя и даже, более того, – к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы. [413,414] Эйнштейн также вывел принцип инвариантности скорости света, указав, что максимальная скорость распространения взаимодействия (сигнала), называемая скоростью света, должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчёта, что следует из принципа относительности и является воплощением лоренц-инвариантности электродинамики. Эйнштейн (1905) предположил, что масса пропорциональна энергии и обратно пропорциональна квадрату скорости света, указав что: «Если тело отдаёт энергию в виде L в виде излучения, его масса уменьшается на L/c2.» (с обозначением энергии в виде «L» (видимо как энергия покоя) вместо «E», которое обозначало энергию в другом месте статьи). При этом в основу своего утверждения он изначально ввел именно разность масс (dm) до и после ухода энергии, а не полную массу тела. При этом, эквивалентность массы и энергии ранее обсуждал русский физик Николай Алексеевич Умов (1873), использовавший в своих работах формулу E=kmc
, (выведенную ранее Генрихом Шраммом (1872) в форме mc
= MC
), которая, по его предположению, связывала через коэффициент k плотность массы и энергии гипотетического светоносного эфира. [415,416] Джозеф Джон Томсон (1881) в статье «Об электрическом и магнитном эффекте, обусловленном движением наэлектризованных тел» определил, что электрическое поле сжимается вдоль движения, масса заряженного тела увеличивается, скорость света – предельная для зарядов. [417] Иван Ярковский (1887) выдвинул «кинетическую гипотезу всемирного тяготения», в которой он дает тяготению чисто механистическое толкование, полагая, что гравитационное ускорение тел связано с давлением на них хаотически движущихся частиц эфира. [418] Оливер Хевисайд (1889—1893) впервые опубликовал правильный вывод магнитной силы, действующей на движущуюся заряженную частицу и разработал концепцию электромагнитной массы. [419]. Фриц Газенёрль (1904) предположил, что размеры материи зависят от скорости ее поступательного движения через эфир. [420] Эйнштейн (1907, 1910) же вывел зависимость без какого-либо коэффициента эфира k для всех видов материи: «Масса и энергия становятся такими же эквивалентными друг другу величинами, как, например, теплота и механическая работа».
§199. Эйнштейном (1905) была постулирована специальная теория относительности, которая описывает движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света[139 - В настоящее время специальная теория относительности общепринята в научном сообществе и составляет базис современной физики. Часть ведущих физиков сразу приняла новую теорию, в их числе – Макс Планк, Хендрик Лоренц, Герман Минковский, Ричард Толмен, Эрвин Шрёдингер и другие. В России под редакцией Ореста Даниловича Хвольсона, вышел знаменитый курс общей физики, подробно изложивший специальную теорию относительности и описание экспериментальных оснований теории. Вместе с тем критическое отношение к положениям теории относительности выражали Нобелевские лауреаты Филипп Ленард, Йоханес Штарк, Джозеф Джон Томсон.]. Эта теория базируется на двух постулатах: 1) Все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения; 2) Скорость света в вакууме, измеренная в любой инерциальной системе отсчёта, одна и та же и не зависит от движения излучателя. [421] В следующем году Эйнштейн (1906) вывел соотношение инерции и энергии, а в другой своей работе предположил корпускулярно-волновой дуализм фотонов, но сама идея двойственности была развита позднее.
§200. Эйнштейн (1907) рассматривал гравитационное красное смещение и показал, что ключевым следствием такого смещения является гравитационное замедление времени. [422] В формулировке Эйнштейна принцип эквивалентности сил гравитации и инерции сформулирован как закон равенства инертной и тяжелой масс, и выглядит следующим образом: в однородном гравитационном поле все движения происходят точно так же, как в равномерно ускоренной системе координат в отсутствии поля тяготения. Если бы этот закон выполнялся для любых явлений («принцип эквивалентности»), то это указывало бы на то, что принцип относительности должен быть распространен на неравномерно движущиеся системы координат, если стремится к естественной теории гравитационного поля. Следует различать «слабый» и «сильный» принцип эквивалентности. Сильный принцип эквивалентности можно сформулировать так: в каждой точке пространства-времени в произвольном гравитационном поле можно выбрать «локально-инерциальную систему координат», такую, что в достаточно малой окрестности рассматриваемой точки законы природы будут иметь такую же форму, как и в неускоренных декартовых системах координат специальной теории относительности, где под «законами природы» подразумевают все законы природы. Слабый принцип отличается тем, что слова «законы природы» заменяются в нем словами «законы движения свободно падающих частиц». Слабый принцип – не что иное, как другая формулировка наблюдаемого равенства гравитационной и инертной масс[140 - Слово масса (лат. massa, от др.-греч. [maza]) первоначально обозначало кусок теста. Позднее смысл слова расширился, и оно стало обозначать цельный, необработанный кусок произвольного вещества. Масса – скалярная физическая величина, определяющая инерционные и гравитационные свойства тел в ситуациях, когда их скорость намного меньше скорости света. Будучи тесно связанной с такими понятиями механики, как «энергия» и «импульс», масса проявляется в природе двумя качественно разными способами, что даёт основания для подразделения её на две разновидности: – инертная масса характеризует инертность тел и фигурирует в выражении второго закона Ньютона: если заданная сила в инерциальной системе отсчёта одинаково ускоряет различные тела, им приписывают одинаковую инертную массу; – гравитационная масса (пассивная и активная) показывает, с какой силой тело взаимодействует с внешними полями тяготения и какое гравитационное поле создаёт само это тело, она входит в закон всемирного тяготения и положена в основу измерения массы взвешиванием. Однако экспериментально с высокой точностью установлена пропорциональность гравитационной и инертной масс, и подбором единиц они сделаны в теории равными друг другу.], в то время как сильный принцип представляет собой обобщение наблюдений за влиянием гравитации на любые физические объекты. [423]
§201. Швейцарский физик Вальтер Ритц (1908) опубликовал свой «Критический анализ общей электродинамики», в котором излагал собственную баллистическую (эмиссионную) теорию, дав новый вариант электродинамики, оптики и теории гравитации. [424] В данной теории отвергается постулат специальной теории относительности о постоянстве скорости света. Скорость света, испускаемого движущимся источником, складывается со скоростью источника подобно скорости снаряда, выстреливаемого из перемещающегося орудия – отсюда название. В отличие от теории Ньютона, Ритц не считал свет частицами, по его представлениям свет – это волны разрежения и сгущения движущихся реонов[141 - Суть баллистической теории Ритца (БТР) сводится к следующему: она распространяет принципы механики (причём механики ньютоновской, без учёта следствий СТО, вроде изменения времени, расстояний и масс) на область оптических, электрических и иных явлений. Свет в БТР представляется как поток неких испускаемых светящимися телами частиц. Источник света во всех направлениях выстреливает эти частицы с постоянной скоростью, равной скорости света c. Если источник света движется, то скорость частиц геометрически складывается со скоростью источника по классическому закону сложения скоростей. Из сравнения света со снарядами, выстреливаемыми подвижным орудием, и родилось название «баллистическая теория».]. Сам Ритц называл свою теорию также и эмиссионной. Основные положения баллистической теории следующие: 1) электрические, магнитные и гравитационные воздействия имеют механическую природу и переносятся частицами, источаемыми элементарными зарядами со скоростью света, отчего классически трактуются все электромагнитные и релятивистские эффекты; 2) свет представляет собой поток этих однотипных невзаимодействующих частиц, периодично распределённых в пространстве и разлетающихся от источника прямолинейно со скоростью света. Движение этих частиц подчиняется законам классической механики, включая закон сложения скорости частиц (и несомого ими света) со скоростью их источника; 3) элементарные частицы и атомы имеют сложную кристаллическую структуру, будучи образованы из периодично расположенных однотипных частиц (электронов – носителей элементарного заряда, магнитного момента и массы); за счёт этого все законы микромира, квантовые законы и спектры излучения объясняются естественным образом, в рамках классической механики и электродинамики. Эта физическая теория, альтернативная максвелловской электродинамике, теории относительности, квантовой теории и претендовавшая на новое единое описание мира на базе классических и механических представлений была отвергнута в пользу теории относительности, а Ритц не смог её развить из-за ранней смерти.
§202. Ритц (1908) эмпирически установил комбинационный принцип – основной закон спектроскопии, согласно которому всё многообразие спектральных линий какого-либо элемента может быть представлено через комбинации величин, получивших название термы. [425] Если зафиксировать и перебирать все возможные значения, то получится набор линий, именуемый спектральной серией. Из комбинационного принципа следует, что разность волновых чисел двух спектральных линий одной и той же серии атома даёт волновое число спектральной линии какой-то другой серии того же атома.
§203. В 1908—1909 годах Ритц и его однокурсник по Цюрихскому университету Эйнштейн вели научные дискуссии в печати по вопросу о том, что сейчас принято называть стрелами времени в электродинамике и энтропией. Ритц и Эйнштейн (1909) написали в соавторстве статью «К современному состоянию проблемы излучения» об их различных взглядах на передовые и устаревшие решения уравнений Максвелла. [426] Ритц отстаивал позицию, согласно которой необратимость в электродинамике была источником второго закона термодинамики, в то время как Эйнштейн защищал теорию электродинамической временной симметрии Максвелла-Лоренца, постулируя, что физическое ограничение на запаздывающие решения является вероятностью, а не законом. Ритц считал это ограничение недопустимым в принципе, и факт необратимости радиационных процессов должен найти свое выражение в фундаментальных уравнениях. Эта их совместная работа не урегулировала разногласия авторов.
§204. В 1907—1909 годах немецкий математик Герман Минковский выступил с рядом статей и лекций, где предложил так называемую «геометродинамику» – четырёхмерную математическую модель кинематики теории относительности. [427] В 1909 году вышла его книга «Пространство и время», оказавшая существенное влияние на развитие теории относительности. [428] Минковский (1908) предположил, что импульс света пропорционален показателю преломления материала среды. [429] На практике это означает, что проходящий свет оказывает давление на материал в направлении своего движения. Макс Абрахам (1909) сделал обратное предположение, что свет давит на материал в противоположном направлении). Долгое время физики-экспериментаторы не могли провести эксперимент, который бы подтвердил правильность одной из точек зрения. В 1970-х годах был поставлен опыт на основании которого некоторые физики делают выводы о правильности гипотезы Абрахама. Выяснилось, что наблюдаемое «распухание» воды (которое доказывало верность предположения Минковского), через которую пропускали луч, оказалось результатом стороннего оптического процесса. Китайские физики, ведущим из которых был Вэйлун Шэ (2006), разработали схему эксперимента, позволяющего наконец ответить на старый вопрос. Вместо воды они использовали отрезок оптоволокна длиной около 1,5 миллиметров и шириной в 500 нанометров. [430] Физики рассчитывали, что вес оптоволокна окажется достаточно мал для того, чтобы движение кончика отрезка, вызванного прохождением луча света, можно было заметить. После начала эксперимента камера фотографировала отрезок оптоволокна с частотой 10 снимков в секунду. Анализ фотографий показал, что свет «заставлял» кончик отрезка изгибаться в направлении, противоположном направлению распространения света. Таким образом ученые смогли подтвердить правильность теории Абрахама.
§205. Датский астроном Эйнар Герцшпрунг (1908), анализируя работы Антонии Мори, предложившей деление звёзд по ширине их спектральных линий, заметил, что звёзды с более узкими линиями имели меньшее собственное движение, чем другие иные звёзды по той же спектральной классификации. [431] Он принял это как показатель большей светимости для узко-линейчатых звёзд и вычислил годичный звёздный параллакс для некоторых групп из них, что позволило ему определить их абсолютную звёздную величину. В 1914 году Генри Норрис Рассел, независимо от Герцшпрунга, построил диаграмму, на которой абсолютные величины (собственная яркость) звезд изображены в зависимости от их спектральных типов. [432] На диаграмме логарифм светимости, или абсолютная звездная величина (вертикальная ось), представлена в виде зависимости между спектральным классом (горизонтальная ось) звезд, который обычно лежит в пределах от синего (О) до красного (М). Большинство звезд располагается на так называемой главной последовательности, простирающейся по диагонали от верхней левой части к нижней правой. Красные гиганты находятся в верхней правой части, а белые карлики – в нижней левой. Ныне этот график называется диаграммой Герцшпрунга-Рассела. Ранние версии диаграммы Рассела включали в себя звёзды-гиганты Антонии Мори, звёзды из скопления Гиады и несколько передвигающихся групп, для которых метод движущегося скопления позволял получить расстояния и таким образом определить абсолютную звёздную величину для этих звёзд.
§206. Генриетта Соун Ливитт открыла более 2400 переменных звёзд (преимущественно в Магеллановых облаках на основе снимков, полученных с 1893 года в Арекипской обсерватории, Перу). Свой первый каталог из 1777 переменных звёзд она опубликовала в 1908 году. [433] Изучение цефеид привело её к открытию зависимости между периодом изменения блеска и светимостью звезды, что впоследствии помогло астрономам в измерении расстояний как в нашей Галактике, так и за её пределами. В статье, опубликованной в 1912 году, Левитт исследовала связь между периодами и яркостью выборки из 25 переменных цефеид в Малом Магеллановом Облаке, указав: «Прямая линия может быть легко нарисована между каждым из двух рядов точек, соответствующих максимумам и минимумам, таким образом, показывая, что существует простая связь между яркостью переменных цефеида и их периодами». [434] Она использовала упрощающее предположение, что все цефеиды в пределах небольшого Магелланова Облака находились примерно на одном и том же расстоянии, так что их внутренняя яркость могла быть выведена из их видимой яркости, зарегистрированной на фотографических пластинах, вплоть до масштабного фактора, поскольку расстояние до Магеллановых Облаков было еще неизвестно. Она выразила надежду, что будут измерены параллаксы с некоторыми цефеидами, что в итоге и произошло, и помогло откалибровать ее шкалу период-светимость. Это рассуждение позволило Левитт установить, что логарифм периода линейно связан с логарифмом средней внутренней оптической светимости звезды (которая является количеством мощности, излучаемой звездой в видимом спектре). [435] Левитт также разработала Гарвардский стандарт для фотографических измерений – логарифмическую шкалу, которая упорядочивает звезды по яркости свыше 17 величин. Она первоначально проанализировала 299 снимков от 13 телескопов для того, чтобы построить ее масштаб, который был принят Международным Комитетом фотографических величин в 1913 году. [436]
§207. Эдвард Чарльз Пикеринг (1908) издал Гарвардский пересмотренный фотометрический каталог (Harvard Revised Photometry Catalogue), который был создан Гарвардской университетской обсерваторией и содержит список всех звёзд, имеющих звёздную величину 6.5m или более ярких, которые ещё могут быть видимы невооружённым глазом. [437] Оригинальная Гарвардская Фотометрия была опубликована в 1884 году Пикерингом, в которой содержалось 4260 звезд от северного полюса мира до склонения —30°. [438] Впоследствии это каталог стал называться Каталог ярких звёзд (Bright Star Catalogue или BS), также известный как Йельский каталог ярких звёзд (Yale Catalogue of Bright Stars или Yale Bright Star Catalogue или YBS). Каталог содержит 9110 объектов: 9095 звёзд, 11 новых и сверхновых звезд, и 4 внегалактических шаровых и рассеянных скоплений. Каталог имеет фиксированное число объектов, то есть больше не пополняется, однако, возможно добавление комментариев об объектах. Версия от 1991 года является пятой. [439]
§208. Весто Мелвин Слайфер (1912) наблюдал красное смещение галактик и опубликовал отчеты о первом произведенном доплеровском измерении в радиальной скорости Туманности Андромеды в первом томе бюллетеня Обсерватории Лоуэлла. [440]. В своем докладе Слайфер написал: «величина этой скорости, которая является наибольшей до сих пор наблюдаемой, поднимает вопрос о том, не может ли подобная скорость смещения быть вызвано какой-то другой причиной, но я считаю, что в настоящее время у нас нет другой интерпретации для нее». Три года спустя Слайфер написал короткую заметку о спектрографических наблюдениях туманностей, в которой он указал: «открытие, что Великая спираль Андромеды имела совершенно исключительную скорость – 300 километров (в секунду), показали доступные тогда средства, способные исследовать не только спектры спиралей, но и их скорости». Слайфер сообщил скорости для 15 спиральных туманностей, распространяющихся по всей небесной сфере, всех, кроме трех, имеющих наблюдаемые «положительные» (то есть рецессионные) скорости. [441] Он одним из первых пришел к заключению, что спиральные туманности являются очень далекими звездными системами.
§209. Альберт Эйнштейн (1912), закладывая основы Общей теории относительности, рассмотрел скорость света и статическое гравитационное поле. [442] Он увидел, что преобразования Лоренца и специальная теория относительности нуждаются в обобщении, что теория гравитации должна быть нелинейной, так как гравитационная энергия сама по себе порождает гравитационное поле. Предположение Эйнштейна (1912) о кривизне пространства-времени было сделано после установления физического эффекта, проявляющегося в девиации[142 - Девиа?ция (от лат. deviatio – отклонение): Девиация в естественных науках – отклонение параметров от нормы; Магнитная девиация – ошибка показаний магнитного компаса; Девиация частоты – наибольшее отклонение мгновенной частоты модулированного радиосигнала при частотной модуляции от значения его несущей частоты; Девиация (судоходство) – отклонение судна от курса под влиянием внешних причин; Девиация геодезических линий – эффект в Общей теории относительности.] геодезических линий, то есть в расхождении или сближении траекторий свободно падающих тел, запущенных из близких точек пространства-времени. [443] Величиной, определяющей кривизну пространства-времени, является тензор кривизны Римана, входящий в уравнение девиации геодезических линий. Размерность компонент кривизны – обратный квадрат длины[143 - Величиной, определяющей кривизну пространства-времени, является тензор кривизны Римана, входящий в уравнение девиации геодезических линий, который в n-мерном пространстве может иметь n
(n
—1) /12 независимых компонент. В 4-мерном пространстве-времени это даёт 20 величин, 10 из которых связаны с тензором Вейля, 9 – с бесследовым тензором Риччи и 1 – со скалярной кривизной. В рамках общей теории относительности и других метрических теорий гравитации рассматривается неевклидово пространство-время, искривленное гравитацией. В этом пространстве-времени уже нельзя ввести Галилеевы координаты, мировые линии свободно движущихся тел расходятся или сходятся по отношению друг к другу. Скалярная гауссова кривизна такого пространства-времени получается сверткой метрического тензора с тензором Риччи. Говоря более технически, пространство-время в современной физике моделируется обычно как четырёхмерное многообразие, являющееся базой для расслоённого пространства, отвечающего физическим полям. В этом пространстве вводится аффинная структура, задающая параллельное перенесение разнообразных величин. Рассматривая естественную структуру самой базы, можно также ввести в ней аффинную структуру. Ею полностью определяется кривизна пространства-времени. Если предположить далее, что на этом многообразии существует метрическая структура, то можно выделить единственную согласованную с метрикой связность – связность Леви-Чивиты. В противном случае возникает также кручение и неметричность параллельного перенесения. Только в метрическом пространстве можно свернуть тензор кривизны, чтобы получить тензор Риччи и скалярную кривизну.].
§210. Виктор Франц Гесс (1912) с помощью аппаратуры, которая поднималась на высоту на аэростатах, доказал, что радиация, ионизирующая атмосферу, имеет космическое происхождение. [444] Его открытие[144 - Открытие Гесса предварило многие новые открытия в области физики элементарных частиц и ядерной физики. В частности, позитрон и мюон были впервые обнаружены в космических лучах Карлом Дэвидом Андерсоном. Гесс и Андерсон разделили Нобелевскую премию по физике 1936 года.] было подтверждено Робертом Милликеном в 1925 году, который дал этому излучению имя «космических лучей». [445] Открытие Виктором Гессом космических лучей – высокоэнергичных заряженных частиц, которые дождем падают на Землю из космоса, дало повод задуматься, не проникают ли они также и в межзвездное пространство.
§211. Растущее число свидетельств существования межзвездного вещества привело Пикеринга (1912) к замечанию, что «хотя межзвездная поглощающая среда может быть просто эфиром, тем не менее характер ее избирательного поглощения, как указывает Каптейн, характерен для газа, и свободные газообразные молекулы, безусловно, существуют, поскольку они, вероятно, постоянно вытесняются Солнцем и звездами». [446]
