Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Сегодня утверждение, что Вселенная быстро расширяется, не подлежит сомнению. Но открытие Хаббла этим не ограничивалось. Зная значение постоянной Хаббла, можно было отвести часы назад и определить время, прошедшее с момента Большого взрыва, и таким образом вычислить возраст Вселенной. Сам Хаббл оценивал его приблизительно в 2 миллиарда лет, что явно конфликтовало с данными о возрасте Земли, который, по подсчетам геологов – современников астронома, составлял никак не менее 3 миллиардов лет. Этот факт чрезвычайно беспокоил Хаббла, и небезосновательно. Конечно, он не знал о целом ряде совершенных им систематических ошибок. Мало того что он иногда путал разные типы переменных цефеид, он также ошибочно принимал облака газа, в которых формировались звезды, за яркие звезды из удаленных галактик.

Чтобы по достоинству оценить результаты восьмидесятилетнего прогресса в деле измерения расстояний до звезд, достаточно вспомнить историю самой постоянной Хаббла. Астрономы пытаются уточнить ее значение на протяжении вот уже почти столетия. Это привело не только к семикратному уменьшению данной константы, что резко увеличило размеры Вселенной, но и к изменению возраста Вселенной с исходных 2 миллиардов лет по Хабблу до почти 14 миллиардов лет по текущей оценке, точнее говоря, 13,75 ± 0,11 миллиарда лет. В конце концов, основываясь на дальнейших наблюдениях (частично с помощью потрясающего орбитального телескопа, носящего имя Хаббла), мы смогли прийти к согласию, что постоянная Хаббла составляет 70,4 ± 1,4 километра в секунду на мегапарсек. Погрешность – всего 2 процента, что действительно невероятно!

Просто подумайте об этом. Измерения по принципу параллакса, применяемые с 1838 года, послужили фундаментом для разработки новых инструментов и математических методов, позволяющих преодолеть миллиарды световых лет и достичь самого края наблюдаемой Вселенной.

Впрочем, несмотря на поистине потрясающий прогресс в решении подобных астрономических загадок, еще предстоит разгадать очень много тайн. Мы научились измерять долю темной материи и темной энергии во Вселенной, но понятия не имеем, что это такое. Мы знаем возраст Вселенной, но все еще задаемся вопросом, конечна ли она. Мы весьма точно измеряем гравитационное притяжение, электромагнетизм и ядерные силы, но понятия не имеем, будут ли они когда-либо объединены в единую теорию. У нас также нет ни малейшего представления о том, каковы шансы на существование какой-либо разумной жизни в нашей собственной или какой-либо другой галактике. Таким образом, нам еще предстоит долгий путь. Тем не менее просто удивительно, сколько ответов нам уже дали инструменты физики, как сильно они помогли астрономам достичь столь высокой степени точности измерений межзвездного пространства.

3. Движущиеся тела

Попробуйте провести один любопытный эксперимент. Встаньте на весы в ванной комнате – но не на те новомодные, которые установлены в кабинете врача, и не на те, что со стеклянным цифровым табло, на которое надо нажать пальцем ноги для включения, а на старые добрые обычные весы для ванной. Не имеет значения, будете вы в обуви или босиком (вам ни на кого не нужно производить впечатления), какие цифры покажут весы и насколько эти цифры вам понравятся. Встали? Теперь быстро поднимитесь на цыпочки и задержитесь в этом положении. Вы увидите, что весы, похоже, немного сошли с ума. Возможно, чтобы четко понять, что происходит, вам придется проделать это несколько раз, потому что все происходит довольно стремительно.

Сначала стрелка прыгает вверх, верно? Затем движется вниз и устанавливается на показателе вашего веса, где и была до этого, хотя на некоторых весах она (или цифра на цифровой панели) может немного колебаться, прежде чем стабилизируется. Когда вы опуститесь на пятки, особенно если сделаете это резко, стрелка сперва пойдет вниз, потом проскочит вверх мимо вашего веса и в итоге опять замрет на показателе, который вам, возможно, приятно видеть (а может, вы предпочли бы оставаться в неведении). Что все это значит? В конце концов, вы же весите одинаково независимо от того, встаете на цыпочки или опускаетесь на пятки, не так ли? Или нет?

Чтобы это выяснить, нам (хотите верьте, хотите нет) потребуется помощь самого сэра Исаака Ньютона, моего кандидата на звание величайшего физика всех времен и народов. Некоторые из моих коллег с этим не согласны, да и вы, вероятно, отдаете предпочтение Альберту Эйнштейну, тем не менее никто не сомневается в том, что Эйнштейн и Ньютон возглавляют этот рейтинг. Почему я голосую за Ньютона? Потому что его открытия одновременно и фундаментальны, и чрезвычайно разнообразны. Он исследовал природу света и разработал теорию цвета. Для изучения движения планет он построил первый рефлекторный телескоп, ставший настоящим прорывом по сравнению с используемым до этого рефракторным телескопом, и даже сегодня почти все крупные телескопы строятся на базовых принципах конструкции Ньютона. Изучая свойства движения жидкостей, он основал новую большую область физики, и ему удалось вычислить скорость звука (он ошибся примерно на 15 процентов). Ньютон даже изобрел новую отрасль математики: математический анализ. Но, на наше счастье, нам вовсе не обязательно прибегать к сложным вычислениям, чтобы оценить величайшие открытия ученого, известные всему миру как законы Ньютона. Надеюсь, что в этой главе я покажу вам всю их масштабность и значимость.

Три закона движения Ньютона

Первый закон Ньютона гласит: если на тело не действуют другие тела (либо действие этих тел компенсируется), то оно, будучи в состоянии покоя, так и остается в этом состоянии, а тело, пребывающее в движении, продолжает движение в том же направлении и с той же скоростью. Сам Ньютон формулировал это так: «Тело в состоянии покоя сохраняет это состояние, а тело в равномерном движении по прямой линии движется с той же скоростью в прежнем направлении, если только его не вынуждают изменить данное состояние прилагаемые к нему силы». Это закон инерции.

Концепция инерции нам всем отлично знакома, но если задуматься, понимаешь, что, по сути, она противоречит здравому смыслу. Сегодня мы принимаем этот закон как нечто само собой разумеющееся, даже несмотря на то, что часто он идет вразрез с нашим повседневным опытом. В конце концов, в реальном мире тела крайне редко движутся по прямой линии и обычно не продолжают двигаться до бесконечности. Мы ожидаем, что в какой-то момент они непременно остановятся. Ни один игрок в гольф никогда не сформулировал бы закона инерции, потому что только после крайне редких ударов мячик движется строго по прямой и очень часто останавливается, так и не докатившись до вожделенной лунки. Интуитивной была и остается совершенно противоположная идея, что тела от природы стремятся к состоянию покоя, доминировавшая в западном мышлении на протяжении тысячелетий, вплоть до появления революционного закона Ньютона.

Ньютон перевернул наше понимание движения объектов с ног на голову, объяснив, что мячик для гольфа часто останавливается, не докатившись до лунки, из-за того, что его движение замедляет сила трения; а Луна не уносится в космос, продолжая кружить вокруг Земли, потому что ее удерживает на орбите сила земного притяжения.

Чтобы оценить реальность инерции на более интуитивном уровне, вспомните, как трудно, катаясь на коньках, сделать поворот в конце катка – ваше тело упрямо стремится вперед, и вам надо точно рассчитать, какую силу применить к конькам и при каком угле наклона, чтобы успешно развернуться и поехать в другую сторону, а не свалиться на лед или не врезаться в ограждение. Если вы лыжник, подумайте о том, насколько проблематично быстро изменить курс, чтобы избежать столкновения с другим лыжником, вдруг оказавшимся на вашем пути. Причина, по которой мы гораздо чаще замечаем инерцию в подобных случаях, нежели в обычной повседневной жизни, заключается в том, что в обеих ситуациях сила трения, которая в нормальных условиях эффективно замедляет наши движения и помогает без труда изменить направление, очень мала. Только представьте, что бы произошло, если бы поле для гольфа было ледяным, – вы бы сразу увидели, что мяч без трения может двигаться вперед очень-очень далеко, намного дальше, чем на обычном покрытии.

А теперь обсудим, насколько революционной была эта идея Ньютона. Мало того что она перевернула прежние представления о движущихся телах, она еще указала путь к открытию множества постоянно действующих на нас невидимых сил, таких как силы трения, силы тяжести, магнитные и электрические силы. Вклад Ньютона настолько важен, что единица силы в физике названа его именем. Но великий ученый не только позволил нам «увидеть» эти скрытые силы, но и показал, как их измерить.