Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Выгода от анализа

Для своего фундаментального понимания природы цвета Ньютон нашел отличное практическое применение – он усовершенствовал конструкцию телескопа. До него во всех телескопах использовали пару линз, обычно размещавшихся на противоположных концах длинной трубы. Принцип их действия был таков: свет, исходящий от удаленных объектов, вначале собирался, а затем фокусировался, чтобы создать увеличенные изображения этих объектов. Поскольку лучи разных цветов проходят сквозь линзы по различным траекториям, не все лучи различного цвета получалось точно сфокусировать одновременно, и изображение в телескопе выходило размытым. Эта проблема называется хроматической аберрацией. Ньютон предложил вместо линзы использовать для сбора лучей света вогнутое зеркало и создал телескопы, в которых реализовал эту идею. Его отражающие телескопы (рефлекторы) уменьшали хроматическую аберрацию, а также были проще в изготовлении[26]. По сути, все современные телескопы являются рефлекторами.

Анализ света послужил плодотворным источником научных открытий. Среди всех таких открытий, которые можно перечислять, сейчас я остановлюсь на одном, которое несложно описать, но при этом оно имело огромное значение и не было чуждо поэзии. (Некоторых других мы коснемся позже.)

Когда рассматриваешь спектр солнечного света, то остается впечатление, что он представляет собой сплошную полосу плавно изменяющейся яркости. Но если в опыте используется высококачественная призма, которая разделяет свет очень точно, то в нем можно заметить множество мелких подробностей. Йозеф фон Фраунгофер, занявшийся изучением солнечного спектра в начале XIX в., обнаружил не менее 574 темных полос в спектре, казавшемся до того непрерывным. Причина появления этих полос оставалась непонятой до середины XIX в., когда Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф продемонстрировали, как такие же полосы можно получить и в земных условиях. Если некий объем холодного газа помещается перед раскаленным источником света, этот газ будет поглощать часть света. Газ, как правило, поглощает свет очень выборочно, удаляя из него компоненты в пределах узких спектральных полос. Когда делают спектральный анализ пропущенного через него света, поглощенные цвета в нем отсутствуют, за счет чего в спектре образуются темные полосы.

Различные виды газов (к примеру, газов, состоящих из разных химических элементов) поглощают разные цвета спектра. Поэтому, если мы не знаем, из чего состоит какой-то газ, мы можем понять это, наблюдая, какой именно свет он поглощает! На языке нашей обобщенной химии в переводе Бунзена и Кирхгофа темные линии Фраунгофера говорят нам, что данный атом вещества сочетается только с определенными элементами света, т. е. поглощает определенные цвета, а остальные не трогает. Также есть и обратный эффект, когда нагретый газ излучает свет своих особенных цветов, создавая яркие линии в спектре. В совокупности эти темные и яркие линии похожи на отпечатки пальцев, по которым можно опознать оставившее их вещество.

Таким образом, анализируя свет какой-либо звезды и сравнивая яркие и темные полосы в нем с полученными от разных газов в лаборатории, астрономы могут определить, из чего сделана эта звезда (и узнать много других подробностей об ее атмосфере, откуда и исходит видимый нами свет). Этот метод быстро стал хлебом насущным для физической астрономии и остается таковым по сей день. С фундаментальной точки зрения он позволил нам выяснить, что звезды состоят из тех же самых веществ и подчиняются тем же самым физическим законам, которые мы наблюдаем здесь, на Земле.

Норман Локьер и Пьер Жанссен выполнили ряд наблюдений солнечной короны, загадочные результаты которых сперва поставили под сомнение этот вывод, но в конце концов лишь подкрепили его. В 1868 г. во время солнечного затмения они наблюдали в спектре света от короны яркую линию, неизвестную по наблюдениям какого-либо из газов на Земле[27]. Было решено, что источник этой линии – новый элемент, названный «короний», который посчитали существующим только во внеземных условиях. Но в 1895-м двое химиков из Швеции, Пер Клеве и Нильс Абрахам Ланглет, а также, независимо от них, Уильям Рамзай обнаружили, что ту же самую линию излучает и газ, истекающий из урановых руд. Так восстановилось утраченное было родство между небом и землей. А новый элемент был назван или, точнее говоря, вновь назван гелием – в честь Гелиоса, древнегреческого бога Солнца.

Ньютон III: динамическая красота

Основные законы ньютоновской механики – это динамические законы, т. е. законы, определяющие, как происходит изменение окружающего нас мира во времени. Динамические законы отличаются от правил геометрии или от тех законов, которые мы обсуждали в главах, посвященных Пифагору или Платону, и которые описывают отдельные объекты или отношения.

Динамические законы побуждают нас расширить наш поиск красоты. Мы должны думать не только о том мире, который есть, но также – главным образом – о более обширном, воображаемом мире того, что может быть. Мир ньютоновской механики – это мир возможностей.

Этот расширенный поиск красоты открывает золото на горе Ньютона (илл. 28). Но необходима небольшая подготовка перед тем, как мы отправимся туда с визитом.

Противопоставление Земли и космоса

Непосредственные предшественники Ньютона оставили натуральной философии большую нерешенную задачу.

В «Звездном вестнике» (Sidereus Nuncius) Галилея была дюжина его зарисовок Луны, такой, какой он увидел ее через первый астрономический телескоп с 20-кратным увеличением, который сам сконструировал. Пятна света и тени ясно указывали на то, что у Луны весьма неровная поверхность (илл. 16).

Илл. 16. Некоторые из поразительных рисунков Галилея, на которых он изобразил увиденную в телескоп Луну

В то время как Галилей опустил небесные сферы до разряда земных, Коперник заставил Землю двигаться как одну из планет среди таких же небесных тел, а Кеплер нашел точные закономерности в движении планет. Хотя их детали нам не слишком необходимы, я приведу три закона Кеплера, что поможет мне выделить две важные вещи.

• Орбита планеты является эллипсом, в одном из фокусов которого находится Солнце.

• Линия, соединяющая Солнце и планету, заметает равные площади за равные промежутки времени.

• Квадрат периода каждой планеты (продолжительность планетарного «года») пропорционален кубу длинной оси эллипса.

Первое важное обстоятельство – эти законы не являются динамическими. Они описывают установившиеся соотношения, а не правила изменения. Второе – это правила движения планет. Они ничего не говорят о движении, которое мы наблюдаем ближе к дому, по опыту земных явлений. Это чуждые сообщения из иной концептуальной вселенной – при том что сама Земля является планетой!

Таким образом, великая незавершенная задача состояла в том, чтобы объединить Землю и космос. Какие общие законы управляют этими двумя схожими на вид королевствами?

Гора Ньютона

В «Началах» Ньютона[28] есть множество геометрических чертежей и несколько численных таблиц, но только один рисунок (илл. 17). На мой взгляд, это самый красивый рисунок во всей научной литературе.

Очевидно, что если рассматривать его просто как произведение живописи, то этот рисунок является скромным достижением. Красивым его делают идеи, которые открывают дорогу нашему воображению. Это приглашение к мысленному эксперименту, который предполагает, что падающие на Землю объекты и двигающиеся по орбитам в космосе небесные тела ведут себя одинаково, т. е. указывает на возможность существования всеобщей силы притяжения.

Илл. 17. Гора Ньютона – великий мысленный эксперимент

Вы стоите на вершине горы и горизонтально – параллельно поверхности Земли – бросаете камень. Если при броске вы придадите ему небольшую скорость, то до того, как упасть, он пролетит небольшое расстояние. Если вы бросите камень с большой скоростью, то он пролетит дальше. На практике ни один смертный не может бросить камень достаточно сильно, чтобы он пролетел какую-либо значительную часть длины окружности Земли. Не важно – это мысленный эксперимент, и вам позволено заменить физическую силу умственной. Бросайте сильнее. Своим внутренним взглядом вы видите, что конец траектории начинает приближаться к ее началу, как показано на рисунке.

И тогда, если вы бросите камень еще сильнее, вам придется пригнуться – или камень ударит вас по затылку! Уклонившись от него, вы сможете увидеть, как камень повторит свое движение, поскольку он вышел на круговую орбиту. (Сопротивление воздуха? Помилуйте, это мысленный эксперимент!) Вы можете мысленно располагать себя на вершинах воображаемых гор и проходить тот же логический путь, чтобы увидеть возможность тел обращаться по орбите Земли на любом расстоянии от поверхности под воздействием ее тяготения.