Вселенная! Курс выживания среди черных дыр, временных парадоксов, квантовой неопределенности

Дэйв Голдберг, 2010

Эта книга – идеальный путеводитель по самым важным и, конечно, самым увлекательным вопросам современной физики: «Возможны ли путешествия во времени?», «Существуют ли параллельные вселенные?», «Если вселенная расширяется, то куда она расширяется?», «Что будет, если, разогнавшись до скорости света, посмотреть на себя в зеркало?», «Зачем нужны коллайдеры частиц, и почему они должны работать постоянно? Разве в них не повторяют без конца одни и те же эксперименты?» Юмор, парадоксальность, увлекательность и доступность изложения ставят эту книгу на одну полку с бестселлерами Я. Перельмана, С. Хокинга, Б. Брайсона и Б. Грина. Настоящий подарок для всех, кого интересует современная наука, – от любознательного старшеклассника до его любимого учителя, от студента-филолога до доктора физико-математических наук.

Введение

И чем же вы занимаетесь?

Занятия физикой обрекают на одиночество. Только представьте себе: вы летите на самолете, и сосед спрашивает, кто вы по профессии. Вы отвечаете, что физик. С этой минуты беседа может пойти по двум направлениям. В девяти случаях из десяти с уст собеседника срывается нечто вроде: «Боже мой, как же я ненавидел физику в школе!»^[1] После чего остаток перелета (вечеринки, поездки в лифте, романтического свидания) вы будете извиняться за эмоциональную травму, которую физика, по всей видимости, нанесла вашему, так сказать, давнему знакомому.

Подобные случайные беседы зачастую выявляют, что к областям точных и естественных наук принято относиться с этаким веселым презрением. Фраза: «Ах, я ничего не смыслю в алгебре!» произносится прямо-таки хвастливым тоном, каким никогда не скажут: «Да я и читать-то толком не умею». Но почему?!

Физика совершенно незаслуженно считается наукой трудной, непрактичной и занудной. Трудная? Возможно. Непрактичная? Разумеется, нет. Более того, если пытаться «продать» физику широкой публике, почти всегда речь заходит о том, как с ее помощью строить мосты или запускать ракеты, то есть о том, каким образом физика служит фундаментом для техники и химии.

А как насчет занудства? Тут-то и возникает главный вопрос. Как нам представляется, проблема в том, что практическая сторона физики выпячивается в ущерб интересной. Даже люди технического склада вроде инженеров или программистов обычно не идут дальше механики и электромагнетизма, а ведь там-то и начинается самое веселье. И очень жаль, ведь, откровенно говоря, в последние годы сделано удручающе мало сенсационных открытий в области физики блоков и рычагов.

Враждебное отношение к физике, похоже, крепко укоренилось в обществе, поэтому стало трудно вести дискуссии, не изнуряя слушателей. Затевая беседу о науке со «штатским», мы, проповедники и пропагандисты физики, часто чувствуем, что пытаемся заставить человека есть полезные овощи и подводим под это какую-то рациональную базу. Мы никогда не начинаем разговор о физике со слов «Это же так весело и интересно!», а почти всегда говорим: «Это же так нужно и полезно», отчего, конечно, все веселье тут же и улетучивается.

В эпоху, когда постоянно появляются новые технологии, необходима всеобщая фундаментальная научная грамотность. С другой стороны, чтобы понимать науку, не нужно дополнительно получать пятилетнее высшее образование. Чтобы понимать, в чем состоит суть революционных открытий в квантовых вычислениях или космологии, совсем не требуется подробно знать, как устроена физика. Однако важно понимать, почему эти открытия так важны и как они способны воздействовать на технологию и на нашу жизнь.

И дело не в том, что людям просто надо понимать конкретную теорию. Физика — главная индуктивная наука на свете, и если человек научится понимать, как эта наука развивается, он сможет принимать куда более разумные решения по самым разным вопросам — от глобального потепления до «теории разумного замысла». Нам представляется, что мы лучше других умеем возражать тем, кто с нами не согласен, не просто настойчивым «нет», а доказанными фактами.

В частности, в США положение с обучением математике и точным наукам просто катастрофическое — школьники показывают результаты гораздо ниже среднего по сравнению с другими развитыми странами. Но в этом нельзя винить только подростков, их учителей или, если уж на то пошло, программу всеобщего среднего образования.

На самом деле эта проблема куда шире, она затрагивает все стороны жизни. Просто у школьников она проявляется ярче всего — ведь не станешь же задавать пятидесятилетним дядям и тетям наукообразные вопросы вроде «У тебя десять кур, пять ты съел, на сколько у тебя подскочит холестерин?». Если посмотреть с точки зрения так называемой проблемы практического применения, вся прикладная математика кажется полным абсурдом. В каждом классе находится множество детей, которые поднимают руки и спрашивают: «Скажите, а в жизни мне алгебра когда-нибудь понадобится?» — и делают вывод, что единственная цель изучения этого предмета заключается в хороших оценках.

Джон Аллен Паулос в своей великолепной серии книг пишет об эпидемии «арифметической неграмотности», а в ряде интереснейших эссе, которые обычно не попадаются школьникам и студентам, пытается развить у читателей способность критически воспринимать численные концепции и показать (по нашему мнению, успешно), что математика интересна отнюдь не только своими практическими приложениями вроде подведения баланса ежемесячных расходов или проверки сдачи в магазине.

Возможно, вы уже успели убедиться на опыте, что в физике существует такой же разрыв между практикой и сенсацией. Сухие курсы механики вполне способны отвратить от физики, но научная фантастика, газетные статьи о крупных открытиях или последние снимки с космического телескопа «Хаббл» привлекают к ней снова.

Однако в научной фантастике и газетных статьях редко идет речь о сенсационных прорывах в области физики наклонной плоскости.

Нет — если уж публику что-то волнует, это, скорее всего, открытия, касающиеся эволюции Вселенной, или масштабные эксперименты вроде Большого адронного коллайдера, или сведения о жизни на других планетах. Мы уже говорили, что в девяти случаях из десяти попытки обсудить физику в аэропорту или за коктейлями приводят к тому, что нам таки не дают телефончик и приходится ехать домой в гордом одиночестве, но в оставшемся одном случае происходит настоящее чудо. Бывает и так, что у нас получается не поединок, а диалог. Иногда, очень редко, нам везет и нас усаживают рядом с человеком, у которого или в школе был феноменальный учитель физики, или дядюшка работает в НАСА, или он сам инженер и считает, что наши ученые занятия — никакая не чушь, а просто милое интеллигентное чудачество.

В таких случаях беседа течет по совершенно иному руслу. Случается, что мы наталкиваемся на человека, которого давно интересовало, как устроена Вселенная, просто он никак не мог сообразить, какие ключевые слова искать в «Википедии». А может быть, в последнем выпуске научно-популярного журнала им попалась интересная заметка и хотелось бы узнать обо всем поподробнее. Вот какие вопросы задавали нам недавно:

✓ Говорят, Большой адронный коллайдер создаст такие маленькие черные дыры, которые уничтожат Вселенную. Это правда? (Вот вам лишнее доказательство — как будто их мало, — что физики в коллективном сознании чокнутые профессора, которые спят и видят, как бы уничтожить Землю.)

✓ Возможно ли путешествие во времени?

✓ Существуют ли параллельные вселенные?

✓ Если Вселенная расширяется, то куда и во что?

✓ Что будет, если посмотреть на себя в зеркало, когда путешествуешь со скоростью света?

Именно такие вопросы в первую очередь и заставили нас в свое время полюбить физику всей душой. Более того, последний вопрос в этом списке задавал даже сам Эйнштейн — и именно этот вопрос стал одним из главных стимулов, побудивших разработать специальную теорию относительности. Иначе говоря, когда мы рассказываем, что мы делаем, то обнаруживаем, что некоторых людей — пусть даже эти люди встречаются крайне редко — интересуют в точности те же аспекты физики, что и нас.

Самый очевидный способ решить эту задачу — сделать ответы на вышеприведенные вопросы более доступными, осветить их в учебных материалах по физике и математике. Большинство авторов учебников полагают, что сделают физику более увлекательной, если поместят на обложки своих творений изображения вулканов, локомотивов и молний^[2]. 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^[3] и вообще ничего такого, из-за чего издание книги могло бы стать дороже. 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 аналогия, 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:

E = mc ^.2

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

Примечания

1

Когда миссис Голдберг прочитала рукопись, она наконец призналась, что на нашем первом свидании прикусила язык и титаническим усилием воли заставила себя не говорить ничего подобного.

2

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.

3

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