Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

Именно поэтому Стивен Хокинг так и не получил Нобелевскую премию за свою работу об излучении энергии черными дырами – явлении, известном как излучение Хокинга, – опубликованную им в середине 1970-х; ведь Нобелевские премии присуждаются только за теории или открытия, которые получили экспериментальное подтверждение. Точно так же Питеру Хиггсу и другим, кто высказал предположения такого же рода, пришлось ждать целых полвека, когда существование бозона Хиггса было подтверждено с помощью Большого адронного коллайдера.

Именно в этом причина того, что физика как научная дисциплина начала по-настоящему развиваться только тогда, когда были изобретены приборы и инструменты, необходимые для проверки верности физических теорий посредством наблюдения, экспериментов и количественных измерений. Возможно, древние греки и были прекрасными мыслителями, развившими такие науки, как философия и геометрия, до уровня сложности, который практически соответствует сегодняшнему, но – за исключением Архимеда – они не особенно известны своей склонностью к экспериментам. Физика как наука достигла настоящей зрелости только к XVII веку – в большой степени благодаря двум приборам, имеющим решающее значение для всех точных наук: телескопу и микроскопу.

Если бы мы могли понимать только тот мир, который виден невооруженным глазом, мы бы недалеко ушли в изучении физических явлений. Диапазон волн, который «видит» глаз человека, – это лишь небольшая область всего электромагнитного спектра. Причем наш глаз может воспринимать только такие объекты, которые не слишком малы по размеру и находятся на ограниченном расстоянии. Хотя при условии, что до нашего глаза доберется достаточное количество фотонов (и при условии, что у них нет для этого ограничений по времени), мы должны быть способны видеть до бесконечности – это вряд ли позволило бы нам разглядеть все необходимые детали. Однако изобретение микроскопа и телескопа открыло нам окно в мир, увеличив все слишком малое и приблизив все слишком далекое. И это стало прорывом в науке. Наконец-то мы получили возможность проводить наблюдения и подробные измерения, проверять верность наших теорий и уточнять их.

Седьмого января 1610 года Галилей направил свою усовершенствованную трубу на небо и навсегда опроверг постулат, что мы являемся центром Вселенной[6]. Он увидел четыре спутника Юпитера и сделал совершенно верный вывод, что гелиоцентрическая модель Коперника истинна и Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Наблюдая космические тела на орбите Юпитера, он доказал, что не все небесные тела вращаются вокруг нас. Земля является не центром Вселенной, а просто одной из планет, вращающихся вокруг Солнца наряду с Юпитером, Венерой и Марсом. Этим открытием Галилей положил начало современной астрономии.

Но его открытие стало прорывным не только в астрономии. Оно позволило подвести основательный фундамент под само понятие научного метода. Отталкиваясь от работы средневекового арабского физика Ибн аль-Хайтами, Галилео «математизировал» саму физику. Разрабатывая математические отношения, которые описывают – а по сути, предсказывают – движение тел, он однозначно доказал, что книга природы «написана на математическом языке»[7].

В это же время Роберт Гук и Антони ван Левенгук с помощью микроскопа открыли новый мир совершенно иного толка. Знаменитая книга Гука под названием «Микрография», опубликованная в 1665 году, содержит поразительные изображения миниатюрных объектов, которые до этого никто никогда не видел, – от глаза мухи и волосков на спине вши до отдельных клеток растений.

Сегодня линейка масштабов, доступных для научного исследования, поражает воображение. Электронные микроскопы позволяют видеть отдельные атомы размером в одну десятую миллионной доли миллиметра в поперечнике, а гигантские телескопы дают возможность заглянуть в самые дальние уголки видимой Вселенной, находящиеся на расстоянии 46,5 миллиарда световых лет[8]. Никакая другая наука не изучает явления в таком широком диапазоне. Да что там разрешение до отдельных атомов – ученые из Университета Сент-Эндрюс в Шотландии недавно показали мне нечто сногсшибательное. Они придумали способ измерения длины световой волны с помощью прибора под названием «волномер», причем с точностью до одного аттометра, то есть одной тысячной диаметра протона. Они пропустили лазерный луч через отрезок оптического волокна, что придало лучу зернистую фактуру, а затем проследили, как эта фактура меняется в зависимости от мельчайших изменений длины световой волны.

Между тем физика охватывает не только огромный диапазон размерностей; мы можем в этом же смысле говорить о времени, от мельчайших долей мгновения до космической бесконечности. Вот пример, поражающий воображение. В эксперименте, проведенном в 2016 году в Германии, физики измерили настолько короткий период времени, что его просто трудно себе представить. Они изучали явление под названием «фотоэлектрический эффект», при котором фотоны высвобождают электроны путем выбивания их из атомов. Этому процессу впервые дал правильное объяснение Эйнштейн в своей знаменитой работе, за которую много лет спустя он получил Нобелевскую премию (а не за открытие теории относительности, как вы, вероятно, думаете). Сегодня этот процесс выбивания электронов из различных материалов называется фотоэмиссией и используется для превращения солнечной энергии в электричество в солнечных батареях.

В эксперименте 2016 года были использованы два лазера. Первый, испускающий неимоверно короткий импульс ультрафиолетового диапазона, направили на струю газообразного гелия. Длительность этого импульса составляла всего десятитысячную долю триллионной части секунды, или 100 аттосекунд (10–18 секунды)[9].Второй лазер был менее мощный (с частотой в инфракрасном спектре), а длительность его импульса была несколько больше, чем у первого. Его задача – захват выбитых электронов, что позволило исследователям вычислить, сколько времени понадобилось для того, чтобы выбить эти электроны. Оказалось, что этот период еще короче и составил всего десятую долю первого импульса. Что интересно, выбитые электроны на самом деле слегка тормозили. Дело в том, что в каждом атоме гелия содержится два электрона, и те, что выбиваются из атома, ощущают воздействие своего оставшегося партнера, что пусть и ненамного, но все же тормозит процесс испускания. Поразительно, что длительность физического процесса, занимающего всего несколько аттосекунд, можно таким образом измерить в лаборатории.

В близкой мне области ядерной физики наблюдаются еще более скоростные процессы, хотя их скорость нельзя измерить непосредственно в лаборатории. Чтобы проанализировать различные структуры атомных ядер и процессов, происходящих при взаимодействии двух ядер, мы пользуемся компьютерными моделями. Например, первая стадия ядерного синтеза – когда, подобно двум каплям воды, сталкиваются два тяжелых ядра, образуя при этом еще более тяжелое ядро, – подразумевает стремительную перестройку протонов и нейтронов из обоих ядер в единое ядро. Этот квантовый процесс занимает менее цептосекунды (10–21