Введение
13,7 млрд лет до н. э. Большой взрыв
3 млрд лет до н. э. Черные алмазы
2 млрд лет до н. э. Доисторический ядерный реактор
30 000 лет до н. э. Атлатль
20 000 лет до н. э. Бумеранг
3000 г. до н. э. Солнечные часы
2500 г. до н. э. Стропила
1850 г. до н. э. Арка
1000 г. до н. э. Компас ольмеков
341 г. до н. э. Арбалет
250 г. до н. э. Багдадская батарейка
250 г. до н. э. Сифон
250 г. до н. э. Закон Архимеда
250 г. до н. э. Архимедов винт
240 г. до н. э. Эратосфен измеряет Землю
230 г. до н. э. Блок
212 г. до н. э. «Зажигательные зеркала» Архимеда
125 г. до н. э. Механизм с острова Антикитера
50 г. Реактивный двигатель Герона
50 г. Шестерни
78 г. Огни Святого Эльма
1132 г. Пушка
1150 г. Вечный двигатель
1200 г. Требушет
1304 г. Объяснение радуги
1338 г. Песочные часы
1543 г. Гелиоцентрическая система мира
1596 г. Mysterium Cosmographicum («Тайна мира»)
1600 г. De Magnete («О магните»)
1608 г. Телескоп
1609 г. Законы Кеплера для движения планет
1610 г. Кольца Сатурна
1611 г. «Шестиугольная снежинка» Кеплера
1620 г. Триболюминесценция
1621 г. Закон преломления Снеллиуса
1621 г. Северное полярное сияние
1638 г. Ускорение падающих тел
1643 г. Барометр
1644 г. Сохранение импульса
1660 г. Закон упругости Гука
1660 г. Электростатический генератор фон Герике
1662 г. Газовый закон Бойля
1665 г. «Микрография»
1669 г. Трение Амонтона
1672 г. Размеры Солнечной системы
1672 г. Призма Ньютона
1673 г. Таутохронный спуск
1687 г. Ньютоновские законы движения и закон всемирного тяготения
1687 г. Ньютон как источник вдохновения
1711 г. Камертон
1728 г. Скорость убегания
1738 г. Закон Бернулли в гидродинамике
1744 г. Лейденская банка
1752 г. Воздушный змей Бена Франклина
1761 г. Эффект «черной капли»
1766 г. Закон Боде для расстояний планет от Солнца
1777 г. Фигуры Лихтенберга
1779 г. Галактика Черный Глаз
1783 г. Черные дыры
1785 г. Закон Кулона в электростатике
1787 г. Газовый закон Шарля
1796 г. Небулярная гипотеза
1798 г. Кавендиш взвешивает Землю
1800 г. Батарея
1801 г. Волновая природа света
1803 г. Газовый закон Генри
1807 г. Фурье-анализ
1808 г. Атомная теория
1811 г. Газовый закон Авогадро
1814 г. Линии Фраунгофера
1814 г. Демон Лапласа
1815 г. Оптический прибор Брюстера
1816 г. Стетоскоп
1822 г. Закон теплопроводности Фурье
1823 г. Парадокс Ольберса
1824 г. Парниковый эффект
1824 г. Тепловая машина Карно
1825 г. Закон Ампера в теории электромагнетизма
1826 г. Блуждающие волны
1827 г. Закон Ома для электрической цепи
1827 г. Броуновское движение
1829 г. Закон эффузии Грэма
1831 г. Закон электромагнитной индукции Фарадея
1834 г. Солитон
1835 г. Гаусс и магнитный монополь
1838 г. Звездный параллакс
1839 г. Топливный элемент
1840 г. Закон течения жидкости Пуазёйля
1840 г. Закон Джоуля для теплового действия электрического тока
1841 г. Годовые часы
1841 г. Волоконная оптика
1842 г. Эффект Доплера
1843 г. Сохранение энергии
1844 г. Двутавровые балки
1845 г. Правила Кирхгофа для электрической цепи
1846 г. Открытие Нептуна
1850 г. Второе начало термодинамики
1850 г. Скользкость льда
1851 г. Маятник Фуко
1851 г. Закон Стокса для вязкой жидкости
1852 г. Гироскоп
1852 г. Флюоресценция Стокса
1857 г. Погодный закон Бёйс-Баллота
1859 г. Кинетическая теория
1861 г. Уравнения Максвелла
1864 г. Спектр электромагнитного излучения
1866 г. Поверхностное натяжение
1866 г. Динамит
1867 г. Демон Максвелла
1868 г. Открытие гелия
1870 г. Крученый мяч в бейсболе
1871 г. Рэлеевское рассеяние
1873 г. Радиометр Крукса
1875 г. Уравнение Больцмана для энтропии
1878 г. Лампа накаливания
1879 г. Плазма
1879 г. Эффект Холла
1880 г. Пьезоэлектрический эффект
1880 г. Военные тубы
1882 г. Гальванометр
1882 г. Зеленый луч
1887 г. Опыт Майкельсона–Морли
1889 г. Рождение килограмма
1889 г. Рождение метра
1890 г. Гравитационная градиометрия Этвёша
1891 г. Катушка Теслы
1892 г. Термос
1895 г. Рентгеновские лучи
1895 г. Закон Кюри
1896 г. Радиоактивность
1897 г. Электрон
1898 г. Масс-спектрометр
1900 г. Закон излучения абсолютно черного тела
1901 г. Клотоида (спираль Корню)
1903 г. Лампа черного света
1903 г. Уравнение Циолковского для ракеты
1904 г. Преобразования Лоренца
1905 г. Специальная теория относительности
1905 г. E=mc2
1905 г. Фотоэффект
1905 г. Ямки на мяче для гольфа
1905 г. Третье начало термодинамики
1906 г. Электровакуумные лампы
1908 г. Счетчик Гейгера
1909 г. Тормозное излучение
1910 г. Космические лучи
1911 г. Сверхпроводимость
1911 г. Атомное ядро
1911 г. Вихревая дорожка Кармана
1911 г. Туманная камера Вильсона
1912 г. Переменные звезды цефеиды и размеры Вселенной
1912 г. Условие Брэгга для дифракции на кристалле
1913 г. Атом Бора
1913 г. Опыт Милликена с масляными каплями
1915 г. Общая теория относительности
1919 г. Теория струн
1921 г. Эйнштейн как источник вдохновения
1922 г. Опыт Штерна–Герлаха
1923 г. Неоновая реклама
1923 г. Эффект Комптона
1924 г. Соотношение де Бройля
1925 г. Принцип запрета Паули
1926 г. Волновое уравнение Шрёдингера
1927 г. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
1927 г. Принцип дополнительности
1927 г. Сверхзвуковой щелчок кнутом
1928 г. Уравнение Дирака
1928 г. Квантовое туннелирование
1929 г. Закон Хаббла о расширении Вселенной
1929 г. Циклотрон
1931 г. Белые карлики и предел Чандрасекара
1931 г. Лестница Иакова
1932 г. Нейтрон
1932 г. Антивещество
1933 г. Темная материя
1933 г. Нейтронные звезды
1934 г. Излучение Черенкова
1934 г. Сонолюминесценция
1935 г. Парадокс Эйнштейна–Подольского–Розена
1935 г. Кот Шрёдингера
1937 г. Сверхтекучесть
1938 г. Ядерный магнитный резонанс
1942 г. Ядерная энергия
1943 г. Дурацкая замазка
1945 г. Пьющая птичка
1945 г. Атомная бомба «Малыш»
1946 г. Звездный нуклеосинтез
1947 г. Транзистор
1947 г. Ударная звуковая волна
1947 г. Голограмма
1948 г. Квантовая электродинамика
1948 г. Тенсегрити
1948 г. Эффект Казимира
1949 г. Путешествие во времени
1949 г. Радиоуглеродный метод датировки
1950 г. Парадокс Ферми
1954 г. Фотоэлементы
1955 г. Падающая книжная башня
1955 г. Наблюдение отдельного атома
1955 г. Атомные часы
1956 г. Параллельные миры
1956 г. Нейтрино
1956 г. Токамак
1958 г. Интегральные микросхемы
1959 г. Обратная сторона Луны
1960 г. Сфера Дайсона
1960 г. Лазер
1960 г. Установившаяся скорость падения в среде
1961 г. Антропный принцип
1961 г. Стандартная модель
1962 г. Электромагнитный импульс
1963 г. Теория хаоса
1963 г. Квазары
1963 г. Лавовая лампа
1964 г. Бозон Хиггса («Частица Бога»)
1964 г. Кварки
1964 г. Нарушение CP-инвариантности
1964 г. Теорема Белла
1965 г. Супермяч
1965 г. Реликтовое излучение
1967 г. Гамма-всплеск
1967 г. Жизнь как компьютерное моделирование
1967 г. Тахионы
1967 г. Колыбель Ньютона
1967 г. Метаматериалы
1969 г. Неосвещаемая комната
1971 г. Суперсимметрия
1980 г. Космическая инфляция
1981 г. Квантовые компьютеры
1982 г. Квазикристаллы
1984 г. Теория всего
1985 г. Фуллерены
1987 г. Квантовое бессмертие
1987 г. Самоорганизованная критичность
1988 г. «Кротовая нора» как машина времени
1990 г. Телескоп «Хаббл»
1992 г. Гипотеза защиты хронологии
1993 г. Квантовая телепортация
1993 г. Стивен Хокинг в «Звездном пути»
1995 г. Конденсат Бозе–Эйнштейна
1998 г. Темная энергия
1999 г. Браны Рэндалл–Сандрама
1999 г. Наибольшая скорость смерча
2007 г. Проект HAARP
2008 г. Чернейшая чернота
2009 г. Большой адронный коллайдер
36 млрд лет спустя. Космологический Большой разрыв
100 млрд лет спустя. Космическая изоляция
100 трлн лет спустя. Увядание Вселенной
Более 100 трлн лет спустя. Квантовое воскрешение
Примечания и список дополнительной литературы
Указатель
Иллюстрации
Мы все ежедневно используем физику. Когда мы смотрим в зеркало или надеваем очки, мы пользуемся законами оптики.
Когда заводим будильник, отслеживаем время, когда смотрим на карту, перемещаемся в геометрическом пространстве.
Мобильные телефоны соединяют нас невидимыми электромагнитными нитями со спутниками,
вращающимися по своим орбитам. Но физика — это не только новые технологии...
Даже кровь, циркулирующая в наших артериях, следует законам физики — науки о нашем физическом мире.
Джоан Бейкер.
«Пятьдесят идей физики, которые вам совершенно необходимо знать»
Великие уравнения современной физики — непременная часть научного знания,
они могут пережить даже прекрасные древние соборы.
Стивен Вайнберг в книге: Грэм Фармело.
«Это должно быть красиво»
Рамки физики
По мере роста островка знания увеличивается и его береговая линия, на которой мы сталкиваемся с загадками непознанного.
Когда пересматриваются основные теории, знание, казавшееся нам несомненным, уступает свое место новому,
а оно, это новое знание, уже касается этих загадок иначе.
Порой раскрытая тайна может принизить нас или расстроить, но такова цена истины.
Творческие люди — ученые, философы и поэты — благоденствуют на этой береговой линии.
Марк Ричардсон.
«Ощущение чуда у скептика»
Американское физическое общество — в наши дни ведущая профессиональная организация физиков — было основано в 1899 г., когда в Колумбийском университете на Манхеттене в Нью-Йорке собрались 36 ученых, которые провозгласили своей целью развитие физики и распространение знаний в области этой науки среди соотечественников. Члены Общества убеждены, что
физика играет ключевую роль в понимании мироустройства, мира внутри и вне нас. Это самая фундаментальная и основополагающая из всех наук. Она бросает вызов нашему воображению, выдвигая такие концепции, как теория относительности или теория струн. Физика приводит к великим открытиям, меняющим нашу жизнь, и тогда появляются компьютеры и лазеры. Физика — это изучение Вселенной от самых больших галактик до мельчайших субатомных частиц. Более того, она является основой многих других наук, включая химию, океанографию, сейсмологию и астрономию.
И в самом деле, сегодня физики исследуют потрясающее разнообразие объектов и фундаментальных законов, чтобы понять свойства природы и Вселенной, устройство реального мира. Физики размышляют над многомерными пространствами, параллельными вселенными, возможностью существования путешествий в пространстве и времени. Открытия в физике часто ведут к новым технологиям. Например, прогресс в постижении электромагнетизма привел к изобретению радио, телевидения и компьютеров. Понимание законов термодинамики вылилось в изобретение автомобиля. Порой исследования физиков даже влияют на наше мировоззрение. Так, многие ученые считают, что из соотношения неопределенностей Гейзенберга следует, что физическая вселенная не существует как детерминистической объект, но является загадочным набором вероятностей.
Как станет ясно внимательному читателю этой книги, на протяжении многих веков существования физики для нее не было установлено никаких границ, а потому я включил в книгу сюжеты, затрагивающие инженерное дело, прикладную физику, астрофизику и даже несколько вполне философских тем. Несмотря на такие широкие рамки, большая часть разделов физики опирается на математические методы, помогающие ученым в их теориях, экспериментах и предсказаниях природных явлений.
Альберт Эйнштейн сказал когда-то, что самое непостижимое в мире — это то, что он постижим. В самом деле, оказалось, что мы живем во Вселенной, которая может быть описана хотя бы в неком приближении с помощью компактных математических выражений и законов физики. Однако, выходя за пределы этих простых законов природы, физики часто погружаются в самые глубокие и наиболее ошеломляющие концепции из всех, когда-либо рассматривавшихся человечеством, — от теории относительности и квантовой механики до теории струн и сущности Большого взрыва. Квантовая механика дает нам возможность заглянуть в странный и парадоксальный мир, после чего возникают вопросы: а что такое на самом деле пространство и время, информация, причины и следствия. Однако, несмотря на загадочность следствий квантовой механики, она нашла применение в многочисленных областях науки и техники, и именно благодаря ей появились лазеры, транзисторы, микрочипы и магнитно-резонансные томографы.
Эта книга рассказывает также о тех, кто стоит за многими из великих идей физики. Физика — фундамент всей современной науки. Она веками привлекала лучшие умы человечества. Среди них — Исаак Ньютон, Джеймс Клерк Максвелл, Мария Кюри, Альберт Эйнштейн, Ричард Фейнман и Стивен Хокинг. Эти великие ученые изменили нашу точку зрения на мир.
Физика относится к наиболее трудным наукам. Физическое описание Вселенной постоянно расширяется, но наш мозг и лингвистические навыки остаются неизменными. С течением времени возникают новые области физики, новые понятия, которые совсем не легко постичь. Когда немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг (1901–1976) выражал беспокойство, что человечество никогда по-настоящему не поймет, что такое атом, датский физик Нильс Бор (1885–1962) был преисполнен оптимизма. В начале 1920-х гг. он писал: «Вероятно, мы и не сумеем достичь этого, но в процессе сможем узнать, что на самом деле означает слово “понимание”».
В наше время мы используем компьютеры, помогающие проводить рассуждения, выходящие за пределы нашей интуиции. Компьютерные эксперименты приводят физиков к таким теориям и прозрениям, появление которых раньше было бы просто невозможно. Ряд известных физиков предполагает сейчас, что существуют вселенные, параллельные нашей собственной — подобно слоям луковицы или пузырькам в молочном коктейле. В некоторых теориях параллельных вселенных мы можем их обнаружить по утечке гравитации из одной вселенной в соседнюю. Например, луч света от удаленной звезды может искривиться под действием тяготения невидимых объектов, находящихся на расстоянии всего лишь в несколько миллиметров, но в параллельной вселенной. Идея множественных вселенных, мультивселенных, не столь искусственна, как может показаться. По данным опроса 72 ведущих физиков, полученным американским исследователем Дэвидом Раубом и опубликованным в 1998 г., 58% из них, включая Стивена Хокинга, верят в тот или иной вариант теории множественности миров.
Книга «Великая физика» охватывает как теоретические или в высшей степени практические темы, так и странные, озадачивающие сюжеты. В какой другой книге о физике вы найдете рядом статьи о предсказанной в 1964 г. субатомной частице бозоне Хиггса и о выпущенном в продажу в 1965 г. сверхпрыгучем супермяче, повальное увлечение которым прокатилось по всей Америке? Мы встретимся здесь и с законом излучения черного тела, с которого началась квантовая механика, и с таинственной темной энергией, которая когда-нибудь может разодрать галактики и привести к смерти Вселенной в ужасном Большом разрыве. Мы поразмышляем о парадоксе Ферми, касающемся жизни на других планетах, и познакомимся с найденным в Африке доисторическим ядерным реактором, который работал два миллиарда лет назад. Мы обсудим гонку за созданием самого-самого черного цвета — более чем в 100 раз темнее краски на черном автомобиле! Эта «абсолютная чернота» в один прекрасный день может быть использована для более эффективного улавливания энергии Солнца или для конструирования чрезвычайно чувствительных оптических инструментов.
Статьи в этой книге короткие — всего несколько абзацев. Такой формат позволяет читателю быстро уловить суть предмета и не утонуть в море информации. Когда люди впервые увидели обратную сторону Луны? Обратитесь к одноименной статье. В чем состоит загадка древней батарейки из Багдада или что такое черные алмазы? На следующих страницах вы прочтете об этом и о многом другом, что волнует сегодня человечество. К примеру, не является ли наша реальность всего лишь искусственной конструкцией? По мере того как мы всё больше узнаем о Вселенной и моделируем на компьютерах всё более сложные явления, даже серьезные ученые задаются вопросом о природе физической реальности. А вдруг весь наш мир — это некая компьютерная модель?
В нашем собственном небольшом уголке Вселенной мы уже создали компьютеры, способные моделировать с помощью программных средств и математических правил процессы, подобные поведению живых организмов. Очень вероятно, в будущем мы смоделируем и саму реальность. Но не исключено, что более развитые существа уже делают это где-то во Вселенной.
Цель и хронология
Примеры действия законов физики мы можем встретить повсюду. При написании «Великой физики» я ставил задачу предоставить широкой аудитории краткий путеводитель-справочник по важным физическим идеям и их авторам. Каждая статья достаточно коротка, и ее можно усвоить за несколько минут. Большая часть статей написана на темы, которые интересовали меня лично. Увы, не все главные вехи в истории физики попали в эту книгу — иначе она бы разрослась до слишком большого объема. Поэтому, чтобы прославить чудеса физики в сжатом формате, я был вынужден опустить множество важных жемчужин этой науки. Тем не менее мне кажется, я включил в книгу рассказы о большей части идей, имеющих историческое значение и оказавших сильное влияние на развитие физики, общества или мышления человека. Некоторые статьи более приближены к жизни, некоторые даже забавны. Включенные сюжеты охватывают широкий круг вопросов: от шкивов, динамита и лазеров до интегральных схем, бумерангов и «дурацкой замазки». По случаю я включил в книгу несколько необычных, фантастических, даже кажущихся бредовыми философских концепций или странных придумок, которые, тем не менее, имеют существенное значение. Среди них такие сюжеты, как квантовое бессмертие, антропный принцип или тахионы. Иногда какие-то сведения, приведенные в одной статье, повторяются в другой, это сделано для того, чтобы каждую из них можно было читать независимо от остальных. Редкие примеры текста, набранного полужирным шрифтом, отсылают читателя к соответствующей статье в книге. Кроме того, небольшой раздел «СМ. ТАКЖЕ» в конце каждой статьи помогает сплести из различных сюжетов сеть, связывающую их друг с другом. Это может помочь читателю легко перемещаться по книге в поисках новых открытий.
«Великая физика» отражает ограниченность моего интеллекта. Я пытаюсь изучить столько разделов физики, сколько смогу, но очень трудно чувствовать себя свободно во всех вопросах. Книга отчетливо отражает мои личные интересы, мои достоинства и недостатки, поскольку я отвечаю за выбор сюжетов включенных в нее статей и, конечно же, за все ошибки и погрешности. Книгу не предполагалось сделать всеобъемлющим трудом или научной диссертацией, это, скорее, развлекательное чтение для студентов-естественников или математиков, а также для всех, кто интересуется наукой. Я приветствую обратную связь и предложения читателей по улучшению книги, которую рассматриваю как непрерывно продолжающийся проект и любимое дело.
Книга выстроена в хронологическом порядке по возрастанию даты, сопутствующей каждой статье. Для большинства из них я брал даты открытия явления или формулировки идеи. Однако в первых трех статьях и в последних четырех даты ассоциируются с действительными (или гипотетическими) событиями — космологическими или астрономическими.
Конечно, датировка статей — вопрос выбора в тех случаях, когда вклад внесен более чем одним человеком. Часто я использовал самую раннюю дату, когда это было уместно. Но иногда, после опроса коллег и других ученых, я решал поставить ту дату, когда идея получила особую известность. Например, со статьей «Черные дыры» можно связать много дат, начиная с момента Большого взрыва 13,7 млрд лет назад, когда могли образовываться некоторые виды черных дыр. Сам термин «черная дыра» был придуман лишь в 1967 г. физиком-теоретиком Джоном Уилером. В конечном итоге я выбрал год, когда была впервые строго сформулирована сама идея черных дыр. Таким образом и получилась дата — 1783 год, именно тогда геолог Джон Мичелл (1724–1793) высказал идею о таком массивном объекте, что его поверхность не может покинуть даже свет. Аналогичным образом статья «Темная материя» отнесена к 1933 г., поскольку в том году швейцарский астрофизик Фриц Цвикки (1898–1974) получил первые свидетельства существования скрытой массы, таинственных несветящихся частиц. Год 1998 выбран для статьи «Темная энергия» не только потому, что сам термин был придуман тогда, но и из-за того, что в это же время наблюдения за некоторыми сверхновыми звездами навели на мысль об ускоренном расширении Вселенной.
Многие из более старых дат, включая годы «до н. э.», приблизительны (например, годы для статей о багдадской батарейке, архимедовом винте и т. п.). Вместо того чтобы всюду перед ними ставить слово «около», я сейчас сообщаю читателю, что даты, относящиеся и к Древнему миру, и к очень далекому будущему, являются всего лишь грубыми оценками.
Читатели непременно отметят, что значительное число открытий в физике привело к появлению ряда медицинских инструментов, помогло уменьшить человеческие страдания и спасти много жизней. Популяризатор науки Джон Симмонс замечает: «Медицина обязана физике двадцатого столетия большей частью своего инструментария, позволяющего получить изображения человеческого тела. Уже через несколько недель после открытия рентгеновских лучей (в 1895 г.) они были использованы для диагностики. На несколько десятилетий позже появилась лазерная технология — практический результат развития квантовой механики. Эхография, или ультразвуковая диагностика, стала побочным результатом работ по обнаружению подводных лодок. Компьютерная томография возникла на основе компьютерных технологий. Самая важная из недавних медицинских технологий, позволяющая получать детальные трехмерные изображения внутренних органов человека, — это МРТ (магнитно-резонансная томография)».
Внимательный читатель также обратит внимание на то, что значительное число важнейших открытий было сделано в XX в. Чтобы посмотреть на даты в перспективе, рассмотрим научную революцию. Она произошла, грубо говоря, в период между 1543 и 1687 гг. В 1543 г. Николай Коперник опубликовал свою гелиоцентрическую теорию движения планет. Между 1609 и 1619 гг. Иоганн Кеплер установил законы, описывающие движение планет вокруг Солнца. В 1687 г. Исаак Ньютон сформулировал фундаментальные законы механики и закон всемирного тяготения. Вторая научная революция произошла между 1850 и 1865 гг., когда ученые ввели и отточили различные понятия, касающиеся энергии и энтропии. Расцвели такие разделы физики, как термодинамика, статистическая механика и кинетическая теория газов. В ХХ в. наиболее важными достижениями науки стали квантовая теория, специальная и общая теории относительности, кардинальным образом изменившие наше мировоззрение.
На страницах книги я часто цитирую знаменитых ученых или авторов, пишущих о науке. Ссылки в конце книги помогут читателям более четко идентифицировать авторов и источники.
Так как статьи в книге выстроены в хронологическом порядке, при поисках нужной темы используйте указатель. Может случиться так, что она обсуждается там, где вы не ожидали бы ее найти. Например, концепция квантовой механики столь глубока и разнообразна, что в книге нет отдельной статьи под названием «Квантовая механика». Но читатель может найти интересные и ключевые аспекты этой теории в таких статьях, как «Закон излучения абсолютно черного тела», «Волновое уравнение Шрёдингера», «Кот Шрёдингера», «Параллельные миры», «Конденсат Бозе–Эйнштейна», «Принцип запрета Паули», «Квантовая телепортация» и в некоторых других.
Кто знает, что физика предложит нам в будущем. К концу XIX в. выдающийся физик Уильям Томсон, известный также как лорд Кельвин, провозгласил конец физики. Он не мог предвидеть появление квантовой механики и теории относительности, а также тех драматических изменений, которые внесли в физику эти теории. Эрнст Резерфорд в начале 1930-х гг. сказал об атомной энергии: «Любой, кто ожидает, что превращения атомов могут стать источником энергии, несет вздор». Да, пожалуй, предсказать будущее физики, ее идей и их приложений, трудно, а может, и вообще невозможно.
В заключение заметим, что открытия в физике обеспечивают тот фундамент, на котором строятся исследования субатомных и сверхгалактических областей, а физические теории позволяют ученым делать предсказания, касающиеся Вселенной. Это та область, где философские гипотезы могут дать стимул для научных прорывов. Открытия, описанные в этой книге, принадлежат к числу величайших достижений человечества. Для меня лично физика играет огромную роль — она поддерживает в моей душе постоянное восхищение беспредельностью мысли, жизнью нашей Вселенной и нашим местом на этом громадном пространственно-временном ландшафте, которое мы называем своим домом.
Благодарности
Я благодарю Дж. Спротт, Л. Коэна, Д. Гордона, Н. Хобсона, Т. Крачека, П. Барнса и П. Московитца за комментарии и предложения. Особо я хотел бы поблагодарить Мелани Мэдден — редактора этой книги.
Для рассказа об основных вехах и поворотных моментах в истории физики я изучил широкий спектр замечательных книг и веб-сайтов, многие из которых перечислены в разделе «Примечания и список дополнительной литературы», в том числе книги Джоан Бейкер «Пятьдесят идей физики, которые вам совершенно необходимо знать» (Joanne Baker. 50 Physics Ideas You Really Need to Know), Джеймса Трефила «Природа науки» (James Trefil. The Nature of Science) и Питера Толлака «Книга о науке» (Peter Tallack. The Science Book). Сетевые ресурсы — например, Википедия (en.wikipedia.org и ru.wikipedia. org) — могут стать полезной стартовой площадкой для читателей, желающих получить больше информации.
Должен также отметить, что в некоторых из моих собственных предыдущих книг — таких как «От Архимеда до Хокинга. Законы физики и великие умы, стоящие за ними» (Archimedes to Hawking: Laws of Sciеnce and the Great Minds Behind Them) — уже затрагивались отдельные вопросы по теме ряда статей данной книги, так что они могут служить читателям «Великой физики» источником дополнительной информации.
Я тебе скажу, Лестат, что было Большим взрывом.
Это когда клетки Бога начали делиться.
Энн Райс. «История Похитителя тел»
Большой взрыв
13,7 млрд лет до н. э.
Жорж Леметр (1894–1966), Эдвин Хаббл (1889–1953), Фред Хойл (1915–2001)
В начале 1930-х гг. бельгийский священник и физик Жорж Леметр предложил теорию, согласно которой эволюция нашей Вселенной началась с чрезвычайно плотного и горячего состояния, и пространство с тех пор беспрерывно расширяется. Эта теория стала известна под названием теории Большого взрыва. Полагают, что он произошел 13,7 млрд лет тому назад, и сейчас большинство галактик всё еще удаляется друг от друга. Важно понять, что галактики — не осколки взорвавшейся бомбы, расширяется само пространство. Увеличение расстояний между галактиками — процесс, подобный расхождению друг от друга точек, нарисованных на поверхности воздушного шарика, который надувают. Не имеет значения, в какой точке находится наблюдатель, фиксирующий расширение пространства. При взгляде из любой из них все остальные будут казаться удаляющимися от нее.
Впервые разбегание галактик было обнаружено американским астрономом Эдвином Хабблом в 1920-х гг. В 1949 г., давая интервью на радио, Фред Хойл придумал термин «Большой взрыв». Лишь примерно через 400 000 лет после Большого взрыва Вселенная достаточно остыла, чтобы стало возможным образование нейтральных атомов водорода из протонов и электронов. Ядра гелия и легких элементов, порожденные Большим взрывом в первые несколько минут существования Вселенной, стали исходным материалом для первого поколения звезд.
Маркус Чаун, автор книги «Волшебная печь», предполагает, что вскоре после Большого взрыва газовые облака начали сгущаться, и Вселенная засияла как рождественская елка. Эти звезды жили и умерли до того, как родилась наша галактика. Астрофизик Стивен Хокинг подсчитал, что если бы темп расширения Вселенной через одну секунду после Большого взрыва был меньше всего на десять квинтиллионных частей (10–17), то Вселенная сжалась бы и никакая разумная жизнь в ней не смогла бы появиться.
|
СМ. ТАКЖЕ Парадокс Ольберса (1823), Закон Хаббла о расширении Вселенной (1929), Нарушение CP-инвариантности (1964), Реликтовое излучение (1965), Космическая инфляция (1980), Телескоп «Хаббл» (1990), Космологический Большой разрыв (36 млрд лет спустя).
|
Воздушный змей Бена Франклина
1752 г.
Бенджамин Франклин (1706–1790)
Бенджамин Франклин был изобретателем, государственным деятелем, философом и ученым. Хотя у него было много талантов, историк Брук Хиндел пишет: «Большая часть научных исследований Франклина относится к молнии и другим электрическим явлениям. Установленная им связь молнии с электричеством посредством знаменитого эксперимента с запуском в грозу воздушного змея оказала существенное влияние на развитие науки. Это открытие способствовало созданию и широкому распространению громоотводов, защищавших от молнии здания в США и Европе». Воздушный змей Франклина, быть может, и не стоит на одном уровне со многими открытиями, описываемыми в этой книге, но он стал символом поиска научной истины и уже многие поколения школьников вдохновляет на занятия физикой.
В 1750 г. для проверки того, что молния имеет электрическую природу, Франклин предложил опыт с запуском воздушного змея в облако, которое вот-вот должно было превратиться в грозовую тучу. Согласно записям Франклина, его эксперимент состоялся 15 июня 1752 года в Филадельфии, и он сумел успешно извлечь электрическую энергию из облака. В некоторых вариантах рассказа на конце бечевки, идущей к змею, был привязан ключ и шелковая лента, которую держал Франклин. Тем самым он был изолирован от электрического тока, который пошел по бечевке к ключу, а с него — в Лейденскую банку (устройство, накапливающее электричество между двумя электродами). Другие исследователи не принимали таких мер предосторожности и были убиты электрическим током по время подобных опытов. Франклин писал: «Когда дождь намочит бечевку от змея, которую вы сжимаете в кулаке, и она сможет свободно проводить электрический огонь, вы обнаружите, что он обильно устремится из ключа к вашему кулаку, и от этого ключа ... может зарядиться лейденская банка...»
Историк Джойс Чаплин замечает, что эксперимент Франклина со змеем хоть и не был первым, где молния связывалась с электричеством, тем не менее он подтвердил это. Франклин «пытался измерить, действительно ли облака заряжены, и если это так, то какого знака их заряд — положительный или отрицательный. Он хотел определить наличие электричества в природе, а потому не следует оценивать значение его опытов только изобретением громоотвода — оно значительно шире».
|
СМ. ТАКЖЕ Огни Святого Эльма (78), Лейденская банка (1744), Фигуры Лихтенберга (1777), Катушка Тесла (1891), Лестница Иакова (1931).
|
Галактика Черный Глаз
1779 г.
Эдвард Пиготт (1753–1825), Иоганн Элерт Боде (1747–1826), Шарль Мессье (1730–1817)
Галактика Черный Глаз находится в созвездии Волосы Вероники на расстоянии около 24 млн световых лет от Земли. Писатель и естествоиспытатель Стивен Джеймс О’Мира поэтично описывает эту знаменитую галактику: «Гладкие шелковые руки, грациозно охватывающие фарфоровую сердцевину. ... Галактика напоминает закрытый человеческий глаз с «фингалом» под ним. Темное пылевое облако выглядит как толстая и грязная пашня, но если поместить это вещество в банку, то будет трудно отличить его от глубокого вакуума».
Галактика Черный Глаз была открыта в 1779 г. английским астрономом Эдвардом Пиготтом и независимо, всего двенадцать дней спустя, — немецким астрономом Иоганном Боде, а через год — еще и французским астрономом Шарлем Мессье. Как было замечено в статье «Объяснение радуги», такие почти одновременные открытия довольно обычны в истории естествознания. Например, британские натуралисты Чарльз Дарвин и Альфред Уоллес развили теорию эволюции независимо и одновременно. Аналогично, Исаак Ньютон и немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц независимо и примерно в одно время создали дифференциальное исчисление. Такая одновременность привела некоторых философов к мысли, что повторы научных открытий неизбежны, поскольку они рождаются из общего интеллектуального «бульона», существующего в данный момент в данном месте.
Последние наблюдения показывают, что межзвездный газ на периферии галактики Черный Глаз и вещество (газ и звезды) во внутренних ее областях вращаются в противоположных направлениях. Это объясняют тем, что галактика Черный Глаз миллиарды лет назад столкнулась и поглотила другую галактику с другим направлением вращения.
Писатель и астроном Дэвид Дарлинг сообщает, что радиус внутренней зоны галактики составляет около 3000 световых лет, «внутренний край внешнего диска вращается со скоростью около 300 км/с и удален от центра по крайней мере на 40 000 световых лет. Трение внешнего и внутреннего дисков (за счет встречных столкновений газа и звезд — прим. перев.), по-видимому, порождает мощные вспышки при формировании в пограничном слое новых звезд, наблюдаемые как голубые узлы в огромном пыльном коридоре».
|
СМ. ТАКЖЕ Черные дыры (1783), Небулярная гипотеза (1796), Парадокс Ферми (1950), Квазары (1963), Темная материя (1933).
|
Черные дыры
1783 г.
Джон Мичелл (1724–1793), Карл Шварцшильд (1873–1916), Джон Арчибальд Уилер (1911–2008), Стивен Уильям Хокинг (род. 1942)
Астрономы могут не верить в преисподнюю, но большинство верит в ненасытные черные области пространства, на которых впору было бы повесить надпись «Оставь надежду всяк сюда входящий». Это предупреждение итальянского поэта Данте Алигьери при описании входа в ад в его «Божественной комедии» было бы, как считает астрофизик Стивен Хокинг, подходящим предупреждением путешественникам, приближающимся к черной дыре.
Эти космические преисподние действительно существуют в центрах многих галактик. Они представляют собой объекты с массами, в миллионы или даже миллиарды раз превышающими массу нашего Солнца, но сжатые в объемы не больше нашей Солнечной системы. Согласно классической теории черных дыр, гравитационное поле вокруг них так велико, что ничто, и даже свет, не может вырваться из их цепких объятий. Любой, кто провалится в черную дыру, погрузится в центральную зону чрезвычайно малого объема с экстремально высокой плотностью — и там остановится время. Когда ученые применили к описанию черной дыры квантовую теорию, они обнаружили, что черные дыры все-таки испускают излучение, называемое излучением Хокинга (см. раздел «Комментарии и список литературы для дальнейшего чтения» и статью «Стивен Хокинг в “Звездном пути”»).
Черные дыры могут иметь различные размеры. В качестве исторического фона вспомним, что уже через несколько недель после публикации Альбертом Эйнштейном в 1915 г. своей общей теории относительности немецкий астроном Карл Шварцшильд выполнил точные вычисления величины, которая называется теперь радиусом Шварцшильда или горизонтом событий. Этот радиус определяет размеры сферы вокруг тела заданной массы.
Согласно классической теории черных дыр, внутри этой сферы гравитация столь велика, что ни вещество, ни свет, ни какой-либо сигнал не могут из нее выйти. Для массы, равной массе нашего Солнца, радиус Шварцшильда составляет три километра. Черная дыра массой, равной массе Земли, будет иметь горизонт событий размером в грецкий орех. Сама идея существования объектов, которые не может покинуть даже свет, была выдвинута в 1783 г. геологом Джоном Мичеллом. Термин «черная дыра» был придуман в 1967 г. физиком-теоретиком Джоном Уилером.
|
СМ. ТАКЖЕ Скорость убегания (1728), Общая теория относительности (1915), Белые карлики и предел Чандрасекара (1931), Нейтронные звезды (1933), Квазары (1963), Стивен Хокинг в «Звездном пути» (1993), Увядание Вселенной (через 100 триллионов лет).
|
Флюоресценция Стокса
1852 г.
Джордж Габриель Стокс (1819–1903)
В детстве я собирал зеленые светящиеся камни, напоминавшие мне об Изумрудном городе из книги «Удивительный волшебник из страны Оз». Флюоресценция — это свечение объекта в видимом диапазоне световых волн, обусловленное поглощением электромагнитного излучения. В 1862 г. физик Джордж Стокс наблюдал явление, описываемое законом, который мы называем теперь законом флюоресценции Стокса. Он гласит: длина волны испущенного флуоресцентного света всегда больше длины волны возбуждающего излучения. Стокс рассказал о своем открытии в книге «Об изменении преломляемости света», вышедшей в 1852 г. В современной науке флюоресценцией Стокса иногда называют переизлучение фотонов более длинных волн (более низких частот) атомом, который поглотил фотоны более коротких длин волн (более высоких частот). Детали такого процесса зависят от свойств участвующих в нем атомов. Обычно свет поглощается атомом за время около 10–15 с. Это возбуждает электроны, которые перепрыгивают в состояния с более высокой энергией. Там они остаются в течение примерно 10–8 с , после чего отдают энергию в виде испускаемых фотонов (квантов света) и возвращаются в основное состояние. Выражение «стоксов сдвиг» обычно относится к разнице длин волн (или частот) поглощенного и испущенного квантов. Стокс придумал термин флюоресценция по названию минерала флюорит (плавиковый шпат), проявляющего способность к сильному свечению. Стокс первым адекватно объяснил свечение у некоторых материалов при облучении их ультрафиолетовым (УФ) светом. Сегодня мы знаем, что можно сделать материалы, которые будут светиться под действием электромагнитного излучения разных диапазонов, включая видимый свет, инфракрасное излучение, рентгеновские лучи и радиоволны.
Флюоресценция имеет множество разнообразных приложений. Электрический разряд в флюоресцентной лампе заставляет атомы ртути испускать УФ-излучение. Оно поглощается флюоресцирующим материалом, покрывающим колбу, который испускает уже видимый свет. В биологии флюоресцентные красители применяют как метки для слежения за молекулами. Фосфоресцирующие материалы переизлучают поглощенные кванты медленнее, чем флюоресцирующие объекты.
|
СМ. ТАКЖЕ Огни Святого Эльма (78), Лампа черного света (1903), Неоновые рекламы (1923), Лестница Иакова (1931), Атомные часы (1955).
|
Антивещество
1932 г.
Поль Дирак (1902–1984), Карл Дэвид Андерсон (1905–1991)
«Вымышленные космические корабли часто оснащаются двигателями, работающими на антивеществе, — пишет научный обозреватель Джоан Бейкер. — Однако антивещество само по себе вполне реально и может быть создано на Земле. Будучи «зеркальным отображением» вещества, антивещество не может сосуществовать с веществом. Как только они придут в контакт, тут же оба аннигилируют во вспышке энергии. Само существование антивещества указывает на глубокую симметрию в физике частиц».
Британский физик Поль Дирак однажды сказал, что абстрактная математика, которую мы изучаем сегодня, дает нам возможность заглянуть в физику будущего. И в самом деле, в 1928 г. он вывел уравнение, описывающее движение электрона, и оно предсказало существование антивещества, которое открыли позже. Согласно формулам, должна существовать античастица такой же массы, как у электрона, но с положительным электрическим зарядом. В 1932 г. американский физик Карл Андерсон обнаружил эту новую частицу и назвал ее позитроном. В 1955 г. на протонном ускорителе «Беватрон» в Беркли (Калифорния) был открыт антипротон. В 1995 г. физики ЦЕРНа создали на своих установках первый атом антиводорода. ЦЕРН — Европейская организация ядерных исследований в Женеве, — крупнейшая в мире лаборатория физики элементарных частиц.
Реакции взаимодействия вещества с антивеществом имеют в наши дни практическое применение в виде позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Этот используемый в медицине метод построения изображений основан на регистрации пары гамма-квантов (фотонов высокой энергии), рождающихся при аннигиляции позитронов, испускаемых введенным внутрь организма ра диоизотопом — атомом с нестабильным ядром.
Сегодня физики пытаются объяснить, почему наблюдаемая Вселенная почти целиком состоит из вещества. А существуют ли где-то в космосе области, где преобладает антивещество?
На первый взгляд оно было бы почти неотличимо от обычного вещества. Физик Мичио Каку пишет: «Можно образовать антиатом из антиэлектронов и антипротонов. Теоретически возможны даже антилюди и антипланеты. Однако при контакте антивещества с веществом произойдет их взаимная аннигиляция, и они превратятся во вспышку света. Каждый, кто возьмет в руку кусочек антивещества, немедленно взорвется с мощностью тысяч водородных бомб».
|
СМ. ТАКЖЕ Туманная камера Вильсона (1911), Уравнение Дирака (1928), Нарушение CP-инвариантности (1964).
|
Темная материя
1933 г.
Фриц Цвикки (1898–1974), Вера Купер Рубин (род. 1928)
Астроном Карл Фримен и преподаватель Джефф Макнамара пишут: «Учителя часто говорят своим ученикам, что Периодическая таблица элементов показывает, из чего состоит Вселенная, но это — неправда. Мы теперь знаем, что большая часть Вселенной — около 96% — состоит из темного материала (темной материи и Темной Энергии), который не поддается краткому описанию». Из чего бы ни состояла темная материя, она не испускает и не отражает достаточно света или других видов электромагнитного излучения, чтобы ее можно было наблюдать непосредственно. Ученые сделали вывод о ее существовании по гравитационному воздействию на движение видимого вещества — например, по скоростям вращения галактик.
Большая часть темной материи, возможно, состоит не из обычных элементарных частиц, таких как протоны, нейтроны, электроны и известные Нейтрино, а из неких гипотетических частиц с экзотическими названиями — стерильных нейтрино, аксионов, ВИМПов (от англ. WIMP — слабовзаимодействующие массивные частицы, включая нейтралино). Их трудно обнаружить, поскольку они не взаимодействуют с электромагнитным полем. Гипотетические нейтралино подобны нейтрино, но массивнее их и двигаются медленнее. Теоретики преполагают и то, что в темную материю входят и гравитоны, гипотетические частицы, переносящие гравитационные взаимодействия, которые просочились в нашу Вселенную из соседних вселенных. Если наша Вселенная расположена на «мембране», плавающей в многомерном пространстве, то за темную материю могут быть ответственны обычные звезды и галактики на соседней мембране.
В 1933 г. астроном Фриц Цвикки нашел свидетельства существования темной материи, изучая движение краев галактик. Его результаты говорили, что значительная часть массы галактик остается скрытой, невидимой. В конце 1960-х гг. астроном Вера Рубин показала, что большинство звезд в спиральных галактиках вращаются примерно с одной скоростью, откуда следовало существование темной материи в пространстве далеко за видимыми звездами. В 2005 г. астрономы Кардиффского университета заявили об открытии, как они полагают, галактики в Скоплении Девы, которая почти полностью состоит из темной материи.
Фримен и Макнамара пишут: «Темная материя — это еще одно напоминание нам, что мы, люди, не очень-то нужны Вселенной... Мы даже сделаны не из того материала, что большая часть Вселенной. ... Наша Вселенная состоит из темноты».
|
СМ. ТАКЖЕ Черные дыры (1783), Нейтрино (1956), Суперсимметрия (1971), Темная энергия (1998), Браны Рэндалл-Сандрама (1999).
|
Бозон Хиггса («Частица Бога»)
1964 г.
Роберт Браут (1928–2011), Питер Уэр Хиггс (род. 1929), Франсуа Энглер (род. 1932)
«Бродя в 1964 году по шотландским нагорьям, — пишет научный обозреватель Джоан Бейкер, — физик Питер Хиггс размышлял, как частицы могут обрести свои массы. И однажды он пришел к «одной хорошей мысли», как сам об этом позже сказал. Частицы кажутся более массивными, потому что они замедляются, плавая в силовом поле, которое сейчас называется «полем Хиггса». Квант этого поля — бозон Хиггса, который лауреат Нобелевской премии Леон Ледерман назвал «Частицей Бога»».
Элементарные частицы группируются в две категории: бозоны (частицы, переносящие силовое взаимодействие) и фермионы (частицы, составляющие вещество, — такие как Кварки, Электроны и Нейтрино). Бозон Хиггса — единственная частица, предсказанная Стандартной Моделью, которая до сих пор не открыта. Ученые надеются, что на Большом адронном коллайдере — ускорителе частиц высоких энергий в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН — могут быть получены экспериментальные свидетельства его существования. (И они были действительно получены в марте 2013 г. — Прим. перев., см. также примечания в конце книги.)
Представим для наглядности поле Хиггса как вязкий мед, который прилипает к движущимся в нем безмассовым фундаментальным частицам и таким образом придает частицам массу. На очень ранних стадиях эволюции Вселенной, как предполагают теоретики, все фундаментальные взаимодействия (т. е. сильные, электромагнитные, слабые и гравитационные) были объединены в одной суперсиле. По мере охлаждения Вселенной возникли различные силы. Физикам удалось объединить слабые и электромагнитные силы в единое «электрослабое» взаимодействие. Возможно, когда-нибудь будет построена теория, объединяющая все фундаментальные взаимодействия. Более того, физики Питер Хиггс, Роберт Браут и Франсуа Энглер предположили, что сразу после Большого взрыва родившисея частицы не имели массы. Когда же Вселенная стала остывать, появился бозон Хиггса и связанное с ним поле. Некоторые частицы (например безмассовый фотон) могут пролететь сквозь липкое поле Хиггса, не подхватывая массы, зато другие увязают в нем, подобно муравьям в патоке, и становятся тяжелее.
Бозон Хиггса может быть тяжелее протона более чем в сто раз, а потому для его обнаружения необходим большой коллайдер частиц — чем выше энергия столкновения, тем массивнее получаются осколки.
|
СМ. ТАКЖЕ Стандартная модель (1961), Теория Всего (1984), Большой адронный коллайдер (2009).
|
Содержание
Художественное изображение эволюции Вселенной после Большого взрыва (верхняя точка). Ось времени направлена вниз. Сначала Вселенная претерпевает короткий период быстрого раздувания (до момента, отмеченного красной точкой). Появление первых звезд, случившееся примерно через 400 млн лет, отмечено желтой точкой