Вселенная.Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

*На одной такой «юмористической» обложке были изображены кегли, разлетающиеся от мяча для боулинга, что, по мысли автора, символизировало студентов, пораженных мощью и размахом физической науки.

По всей видимости, они считают, что в результате школьники посмотрят на книжку и воскликнут: «Круто! Вот теперь я вижу, что физика имеет отношение к жизни!» Наш опыт показывает, что на такой мякине школьников не проведешь. Даже если обложка их и привлечет, они заглянут в оглавление в поисках параграфа «Как вызвать молнию своими руками» и будут еще сильнее разочарованы, не обнаружив его.

Кстати, хотим упомянуть, что в настоящей книге мы этого подхода не придерживаемся. Здесь вы не найдете роскошной графики* и вообще ничего такого, из-за чего издание книги могло бы стать дороже.

* Хотя один из авторов утверждает, что все наши иллюстрации или остроумны, или познавательны, или и то и другое.

Наш подход будет очень простым: физика интересна сама по себе. Да-да, так и есть! А если вас нужно уговаривать и дальше, мы торжественно обещаем обеспечить не менее пяти скверных шуток на главу (в том числе плоские каламбуры, бородатые анекдоты и убогие картинки с претензией на юмор). Чтобы дать вам представление о подобного рода юморе для семейного пользования, приведем пример.

Вопрос: Что делает фотон на дискотеке?

Ответ: Запускает световую волну!

Так вот, каждая глава этой книги будет начинаться с забавной картинки, иллюстрирующей непростительно дурацкий каламбур, и с вопроса о том, как устроена Вселенная. Отвечая на этот вопрос, мы предложим вам путешествие по той физике, которая с ним связана, а к концу главы, надеемся, покров тайны, окружающий этот вопрос, будет снят, а забавная картинка — при условии, конечно, что у вас будет возможность взглянуть на нее еще разок — внезапно станет уморительно смешной. Это мы проделаем именно так, как, по вашему мнению, положено ученым, то есть крайне Заковыристо и обиняками.

Все это не значит, что для того, чтобы понять нас, нужно непременно быть гением в области физики,— совсем наоборот. Наша цель — найти область пересечения между теми, кто понимает, как величавы и волшебны физические основы Вселенной, и теми, кто скорее убьется тяжелым предметом, как выражается нынешняя молодежь, чем допустит, чтобы его застукали в радиусе ста метров от транспортира.

Многие авторы научно-популярной литературы, лишенные возможности иллюстрировать свои мысли формулами, прибегают к аналогиям — но беда в том, что читателю далеко не всегда понятно, что написанное — это именно аналогий, а не буквальное описание задачи. Очевидно, что при запрете на использование математики будет неизбежно утерян и существенный элемент физики. Мы же хотим донести до читателя, что над задачей стоит подумать, даже если не располагаешь формулами для ее численного решения: главное — понимать, что на самом деле происходит, а математические вычисления — это, в конце концов, не более чем математические вычисления.

Подобное описание наталкивает на вопрос: а что вам, яйцеголовым, нужно от меня? Когда мы писали эту книгу, то избавились от каких бы то ни было предвзятых представлений. Доказательства, которые мы приводим, все до единого основаны на самых элементарных сведениях. Мы вовсе не хотим запугивать вас математикой или жуткими формулами. И вообще намерены избавиться от них раз и навсегда. Пусть не путаются под ногами. Все, кроме одной. Вот она:

Е = mс2.

Ну, вот и все. Совсем не больно, правда?

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Какими бы ни были воспоминания о школьных годах, в них всегда есть одна общая деталь: в каждом классе всегда находилась горстка детей — самых «крутых»,— пылающих неутолимой страстью высмеивать все и вся вокруг. Вот почему нам так нравится считать себя «крутыми ребятами» в физике — если такое вообще возможно. Приведем пример3.

*Заодно и дадим очередного пинка.

Часть предисловия мы уделили тому, что потешались над авторами учебников, которым для «оживляжа» физики требуются природные катаклизмы, спорт или машины и механизмы чудовищной мощности. Так вот, мы вовсе не берем свои слова назад, однако справедливости ради стоит сказать, что в некоторых из этих дурацких примеров есть рациональное зерно. Очень маленькое.

Да, ведь в глубине души мы знаем, что фестиваль физики невозможно начать без фейерверков. Если бы вы когда-нибудь были на праздновании Дня независимости в местной Торговой палате и решили привнести в торжества немного физики, вы бы заметили, что между алыми вспышками в небе и грохотом разорвавшихся петард проходит некоторое время. Взрыв видно за несколько секунд до грохота. Вероятно, что-то подобное вы наблюдали и на масштабных рок-концертах, когда вам доставался билет в последний ряд: между музыкой и музыкантами образуется зазор. Звук распространяется очень быстро, но свет — еще быстрее,

В 1638 году Галилей из Пизы (один из первых «крутых ребят» в физике) придумал, как вычислить скорость света. Эксперимент выглядел следующим образом: Галилей стоял на холме со светильником, а его помощник со своим светильником уходил далеко-далеко и взбирался на другой холм. Они сигналили друг другу светильниками — то закрывали шторку, то открывали. Каждый раз, когда Галилей видел, что помощник открывает или закрывает шторку, он делал то же самое со своим светильником — и наоборот. Галилей надеялся, что если холмы будут достаточно далеко, можно будет измерить скорость света. Ни о какой точности речи не было, но Галилей все равно молодец, потому что хорошо придумал и к тому же пришел к весьма занятному выводу: скорость света либо бесконечна, либо чертовски велика.

В следующие несколько столетий физики несколько раз оценивали скорость света с большей точностью, но мы не будем мучить вас сложными вычислениями или детальными описаниями хитроумных экспериментальных установок. Достаточно сказать, что чем дальше, тем сильнее хотелось физикам пролить свет на свет. Несколько ученых, в том числе Альберт Эйнштейн, предположили, что неважно, стоишь ты или двигаешься, когда измеряешь скорость света, — величина ее от этого не меняется. Они были правы.

Сейчас считается, что скорость света равна 299 792 458 метров в секунду. В дальнейшем мы не будем сыпать цифрами, а просто договоримся называть скорость света с — от латинского слова се1еritas , что значит «быстрота››. Измерить ее при помощи кухонного таймера и рулетки не получится. Чтобы вычислить с настолько точно, нужны атомные часы на атомах цезия-133. Научное сообщество договорилось определять секунду как ровно 9 192 631 770 характерных времен излучения сверхтонкого перехода в цезии-133. Может показаться, что это излишне все усложняет, но на самом деле так гораздо проще4.

*По крайней мере так гораздо проще для тех ученых, которые знают, что такое сверхтонкий переход. Вам этого знать не надо, на контрольной этого не будет.

То есть секунда, как и размер вашей шляпы,— величина, которую мы определяем, опираясь на материальные данные: очень много физиков могут сделать себе очень много цезиевых часов, и поскольку все атомы цезия ведут себя одинаково, все эти часы будут отмерять одинаковое время.

Итак, мы нашли крайне неординарный способ определения секунды — но как это поможет измерить скорость света? Скорость — это отношение расстояния ко времени, например, километры в час, а поскольку мы уже определили секунду, у нас есть некая точка опоры. Осталось всего-навсего определить метр. Казалось бы, в этом нет ничего сложного: ведь метр у нас ровно метр длиной. Берешь портновскую линейку, и дело с концом. Только вот сколько это — метр?

С 1889 по 1983 год, если человек хотел точно узнать собственный рост, ему нужно было поехать во Францию, в Международное бюро мер и весов в городе Севре, пойти в хранилище, взять там платиновый эталон метра и измерить себя. Это не только хлопотно (и противозаконно, если заблаговременно не попросить разрешения, не забыв сказать «пожалуйста» и «спасибо»), но и, как правило, крайне неточно. Большинство материалов, в том числе и платина, при нагревании расширяются. При старой системе в жаркую погоду метр оказывался чуточку длиннее, чем в холодную.

Так вот, вместо того чтобы пользоваться эталоном метра, мы берем часы, которые точно отмеряют секунды, и определяем метр как 1/299792458 долю того расстояния, которое проходит свет за одну секунду. Чтобы окончательно расставить все по местам, поясню, что мы только что сделали. Мы сказали: «Скорость света мы знаем точно, и она постоянна. Но вот с метрами выходит некоторая путаница, и сейчас мы ее проясним». Все эти сложности означают, что мы можем задать метр через скорость света и секунду и что теперь все пользуются одной и той же системой измерения.