Сумасшедший мир физики

Ульрих Вальтер

Перевод с немецкого выполнил Сергей Борич по изданию: Ulrich Walter. Die verrückte Welt der Physik: Astronaut Ulrich Walter erklärt fast alles. – Komplett-Media.

Die Verrückte Welt der Physik – Astronaut Ulrich Walter erklärt fast alles by Prof.

Dr. Ulrich Walter. All Rights Reserved.

First published in German Language by Verlag Komplett-Media GmbH, 1st edition 2022.

www.komplett-media.de

Translated into the Russian Language by arrangements with Maria Pinto-Peuckmann, Literary Agency, World Copyright Promotion, Kaufering, Germany.

E-Mail: maria@pinto-peuckmann.de

© Сover design by Favoritbuero, Munich and Komplett-Media, Munich, Germany

© Перевод, и издание на русском языке. ООО «Попурри», 2023

От нашего мира можно сойти с ума!

«Наша страсть к познанию вечна».

Эти слова Альберта Эйнштейна (1879–1955) знакомы всем нам. И мы уверены, что если человечество будет достаточно долго что-то исследовать, то когда-нибудь все поймет. Но этому не суждено случиться, и на то есть ряд причин.

В 1931 году австрийский математик Курт Гёдель (1906–1978) доказал свою теорему о неполноте, в соответствии с которой мир никогда не будет полностью познан. Все дело в том, что существуют научные положения, которые не могут быть ни доказаны, ни опровергнуты. Таким образом, на некоторые вопросы относительно мироздания (и простые, и заковыристые) мы никогда не получим однозначного ответа. Одному из таких вопросов я посвящаю последнюю главу ^{«Границы науки»}.

Наша способность к пониманию определяется опытом познания окружающего мира. Мы можем интуитивно понять, почему ударом молотка можно разбить стекло (молоток твердый и тяжелый, а стекло хрупкое), и достаточно часто наблюдали нечто подобное. Но почему резиновый мяч, который весит столько же, сколько и молоток, не разбивает оконное стекло, хотя брошен в него с той же скоростью? Ответ на этот вопрос очевиден: потому что мяч мягкий.

Но почему между мягким и твердым предметами такая существенная разница? Наука говорит на этот счет следующее: потому что F = m · ∆v/∆t.

Это второй закон Ньютона. И здесь заканчивается понимание у тех, кто не занимается наукой. Моя задача состоит в том, чтобы читатели осмысливали происходящее хотя бы на этом уровне. Объяснение таково: если предмет, наткнувшись на оконное стекло, притормаживает, то его скорость v снижается слишком быстро. Столкновение приводит к тому, что движение вперед чересчур быстро сменяется отскоком назад. Математически изменение скорости выражается символом ∆v. Если предмет «твердый», то изменение скорости происходит в течение нескольких микросекунд, таким образом, ∆t ≈ 1/100 000 с. А вот мягкий мяч при столкновении сжимается, и этот процесс длится несколько дольше, мяч отскакивает от стекла через несколько миллисекунд. Следовательно, для него ∆t ≈ 1/100 с. Второй закон Ньютона говорит, что возникающая сила F при прочих равных условиях столкновения будет тем больше, чем меньше времени требуется на отскок.

Из этого следует, что твердые предметы при столкновении производят бо́льшую силу, чем мягкие. И если эта сила при воздействии на стекло превышает силу, связывающую атомы между собой, то стекло разбивается. По этой же причине стакан, падая на кафельный пол, разлетается на осколки, а при падении на подушку остается целым.

Переходим на следующий уровень понимания: почему существует второй закон Ньютона? Причина в том, что все тела в нашем мире обладают инерцией. Что такое инерция и откуда она берется? Она возникает благодаря полю Хиггса (см. главу ^{«“Божественная” частица Хиггса»}). А что такое поле Хиггса? На данный момент этого не знает ни один человек. Очевидно, с каждым новым уровнем понимания объяснения становятся все сложнее, поэтому в конце концов наступает момент, когда уже ни у кого нет объяснений. И тогда помогают лишь математические формулы, которые, конечно, подтверждаются экспериментами, но уже недоступны человеческому пониманию.

Так, например, мы сегодня знаем, что две частицы света могут отдалиться друг от друга на любое расстояние, даже на межзвездное, но при этом оставаться взаимосвязанными (это так называемая квантовая запутанность). Как следствие, любое изменение в одной частице моментально (без всякой задержки!) вызовет соответствующее изменение в другой. Это противоречит нашему интуитивному опыту, и потому мы этого не понимаем – и никогда не поймем по-настоящему. Но квантовая механика снабжает нас математическими инструментами, чтобы объяснить эту странную запутанность, которая подтверждена экспериментально. Даже Эйнштейн говорил о колдовской природе этого феномена и так и не осознал его в течение всей своей жизни. Но нам теперь известно, что именно так устроен наш мир. С ума сойти можно!

Таким образом, наука напоминает строительство Вавилонской башни. С каждым камнем, заложенным в ее стены, мы приближаемся к вечным истинам мироздания, но никогда не доберемся до них окончательно.

При строительстве башни надо полагаться на специалистов, иначе она в какой-то момент рухнет. Но всегда найдутся умники, которые считают, что любую сложную вещь можно объяснить простыми словами. Иногда такое возможно, особенно если удается найти какую-то удачную аналогию. Правда, аналогии часто оказываются ложными.

Поэтому в нашем сложном мире даже непонятное, но логически выстроенное объяснение, скорее всего, окажется ближе к истине, чем любая простая и наивная аналогия. И наоборот, любое простое объяснение с большой долей вероятности будет неправильным. Относительно того, каким образом наш мир был создан за семь дней, существует общеизвестное и простое объяснение. Но чрезвычайно сложная научная теория Большого взрыва со всеми ее еще менее понятными инфляционными моделями Вселенной, видимо, все-таки ближе к истине. Эту мысль хорошо выразил американский публицист Генри Луис Менкен (1880–1956): «У каждой сложной проблемы есть решение, которое подкупает своей простотой, но является неправильным».

Как бы я ни пытался растолковать вам в своей книге эту сумасшедшую физику, все имеет границы. За одними из них заканчивается ваше понимание, а потом приходит очередь других, где бессильны и ученые. Оба типа границ индивидуальны, но они тем не менее существуют. И все мы должны научиться жить с этим непониманием.

Работая над этой книгой, редактор в издательстве не раз говорила мне, что читателям будет трудно понять некоторые места. Она, разумеется, права. Книга представляет собой попытку настолько упростить такой крайне сложный предмет, как физика, чтобы создать у читателей хотя бы подобие понимания, которое позволило бы им (как, впрочем, и физикам, которые тоже далеко не во всем разбираются) склонить голову перед величием Вселенной.

Эта книга предполагает наличие у читателя знаний в пределах школьной программы по физике. Там, где содержание выходит за эти рамки, вам помогут статьи, на которые даются ссылки. Объяснения всех научных терминов, отсутствующих в данном издании, вы всегда сможете найти в «Википедии».

Очарование науки

Мы живем в поистине фантастической Вселенной, едва ли задумываясь о том, имеет ли наше существование хоть какой-то реальный смысл.

Фред Хойл (1915–2001), британский астроном

Мы перестали мечтать

«У меня есть мечта…»

Так в 1963 году начал свою знаменитую речь в Вашингтоне Мартин Лютер Кинг (1929–1968), борец за гражданские права афроамериканцев.

У каждого из нас есть мечта. Мечты и любознательность – главные мотивы всех наших начинаний. Когда мистера Спока^[1] спросили, почему люди, невзирая на очевидные опасности, летают в космос, он ответил: «Любопытство, обычное любопытство».

Миновавшие 1960-е и 1970-е годы были наполнены мечтами и любознательностью. Наше общество тогда встало с ног на голову. Мы делали немыслимые вещи. Стали такими, какими нас вовсе не хотели видеть собственные родители. Рок-музыка, длинные волосы, жизнь в коммунах… Мы грезили, пребывая в полной уверенности, что будущее у нас в руках. И речь идет не только о молодежи. Постепенно и все общество прониклось мечтой о том, что можно добиться большего, если делать все не так, как раньше.

Покорение космоса и полет на Луну стали событиями для всех жителей планеты. Пересадки сердца, автомобили как признак хорошей жизни, телефоны, спутниковые телетрансляции, видео- и телеконференции и т. п. Помимо всего прочего, мир сильно сократился в размерах. Всеми овладела тяга к путешествиям и мечта о лучшем будущем благодаря техническому прогрессу. Такие мысли определяли настроения людей вплоть до середины 1980-х годов.