Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| Часть II
МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА ГЛАВА 5 ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ Известно, что 2500 лет назад древнегреческий философ Демо- крит объявил о существовании атомов и тем самым сделал шаг в правильном направлении, однако ни тогда, ни много позже никто не мог точно сказать, какими на самом деле окажутся эле- ментарные частицы вещества. Некоторые из физических теорий, описывающих сверхмалые расстояния, настолько парадоксаль- ны, что даже самые творческие и открытые всему новому люди не смогли бы их принять, если бы не данные экспериментов. С появлением технологий, позволяющих заглянуть на атомный уровень, ученые обнаружили, что внутренняя структура вещества то и дело обманывает ожидания. Детали головоломки складыва- лись поистине волшебным образом. Человек так устроен, что ему очень трудно представить себе наглядно все, что происходит на тех крошечных масштабах, кото- рые сегодня изучает физика элементарных частиц. «Кирпичики», из которых складывается то, что мы называем веществом, совер- шенно не похожи на то, что мы воспринимаем при помощи орга- нов чувств. Эти компоненты подчиняются совершенно иным фи- зическим законам. С уменьшением масштабов меняются свойства вещества — они как будто существуют в другой вселенной. Много путаницы при попытках понять странную внутреннюю структуру вещества возникает оттого, что набор компонентов, существующих в одном масштабе, совершенно не похож на то, 102 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА что обнаруживается в другом; кроме того, много проблем возни- кает с определением диапазона линейных размеров, в котором применима та или иная теория. Чтобы до конца понять физиче- ский мир, нам необходимо не только знать, что в нем существует, но и точно различать размеры и масштабы, описываемые разными теориями. Позже мы рассмотрим различные масштабы, действующие в космосе — на самой границе непознанного. Эту главу мы нач- нем с того, что заглянем внутрь вещества; начав с привычных масштабов, заберемся глубоко в недра материи. От повседневных размеров и масштабов до внутреннего пространства атома (цар- ства квантовой механики) и дальше до планковского масштаба; мы посмотрим, что нам известно на сегодняшний день и как все это согласуется. Отправимся же в путь и исследуем то, что удалось за долгие годы открыть ученым. МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ Наше путешествие начинается в привычном нам масштабе — том самом, в котором мы живем, пользуемся разными вещами, видим и трогаем их. Неслучайно именно один метр — не одна милли- онная его доля и не десять тысяч метров — лучше всего соответ- ствует размеру самого человека. Один метр — это примерно вдвое больше роста младенца и примерно вдвое меньше роста взрослого человека. Согласитесь, было бы странно, если бы базовая едини- ца длины, которой мы пользуемся ежедневно, равнялась длине муравьиной ножки. Тем не менее стандартная физическая единица, определенная через какого-то конкретного человека, оказалась бы не слишком полезна, потому что измерительная линейка должна иметь длину, известную и понятную каждому*. Поэтому в 1791 г. Французская академия наук установила так называемый стандарт. Метр мож- но было бы определять либо как длину маятника с полупериодом * К примеру, единица длины Древней Греции — стадия — не имела фиксирован- ной длины, поскольку в разные времена основывалась на длине различных частей тела человека в разных регионах страны. — Прим. авт. ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 103 в одну секунду, либо как одну десятимиллионную длины одной четверти земного меридиана (квадранта, то есть расстояния от эк- ватора до Северного полюса). Ни одно, ни второе определение не имело непосредственного отношения к человеку. Французы просто пытались найти меру, с которой все согласились бы и ко- торой было бы удобно пользоваться. Сошлись на втором опреде- лении, чтобы избежать неопределенностей, связанных с неболь- шими вариациями силы земного притяжения в разных местах. Это определение было достаточно произвольным. Оно было придумано, чтобы сделать меру длины — метр — стандартной еди- ницей. Но тот факт, что взята была именно одна десятимиллион- ная часть квадранта, совсем не случаен. Французское определение гарантировало, что метровую палку удобно будет держать в руках. Если говорить о размерах человека, то рост большинства людей ближе к двум метрам, а не к одному; тем не менее никто из нас не дорос до десяти и даже до трех метров. Метр вполне со- ответствует человеческому масштабу, и с объектом такого размера удобно иметь дело — если, конечно, это безопасно (к примеру, от метровых крокодилов лучше, наверное, держаться подальше). Мы знаем законы физики, применимые в этом масштабе, потому что каждый день наблюдаем их действие. Наша интуиция основа- на на постоянном наблюдении за предметами, людьми и живот- ными, размеры которых достаточно удобно выражать в метрах. Узость и ограниченность рамок, в которых мы чувствуем себя уверенно, иногда забавляют меня. Моя двоюродная сестра дружит с игроком Национальной баскетбольной лиги Джоакимом Ноа, и мы никогда не устаем подшучивать над его ростом. При взгляде на какую-нибудь фотографию или зарубки на дверном косяке, от- мечавшие в детстве его рост, нас разбирает смех; так же забавно смотреть, как на площадке он без труда блокирует мяч, брошенный другим, не столь высоким игроком. В общем, Джоаким заворажива- юще высок. Но если разобраться, то получится, что он всего лишь на 15% выше среднестатистического мужчины. У него немного иные пропорции тела, что в некоторых ситуациях дает механиче- ское преимущество, а в некоторых — мешает. Но кости и мышцы устроены у него, в сущности, на тех же принципах, что и ваши. 104 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА Законы движения Ньютона и сегодня безошибочно указывают нам, что произойдет, если приложить определенную силу к опре- деленной массе. Эти законы действуют и в отношении нашего тела, и в отношении мяча, который бросает Джоаким. При помо- щи этих законов мы можем рассчитать траекторию мяча на ба- скетбольной площадке на Земле и предсказать орбиту, по которой Меркурий обращается вокруг Солнца. Законы Ньютона говорят нам, что, если на тело не действует какая-нибудь сила, его движе- ние будет продолжаться в том же направлении с той же скоростью, что и изначально. Далее сила, действующая на тело, придаст ему ускорение в соответствии с его массой. Наконец, любое действие вызовет равное по силе и противоположное по направлению про- тиводействие. Законы Ньютона абсолютно справедливы в привычном че- ловеку диапазоне линейных размеров, скоростей и плотностей. Несоответствия выявляются только на очень малых расстояниях, где меняет правила игры квантовая механика, на очень высоких скоростях, где действует специальная теория относительности, и при громадных плотностях (таких, к примеру, как в черной дыре), где правит бал общая теория относительности. При обычных расстояниях, скоростях и плотностях действие любой из новых теорий, опровергающих законы Ньютона, слиш- ком слабо, чтобы его можно было обнаружить. Однако с помощью современных технологий можно смоделировать условия, в кото- рых ограничения теории Ньютона проявятся вполне наглядно. ПУТЕШЕСТВИЕ В ГЛУБЬ Нам придется копнуть достаточно глубоко, прежде чем мы смо- жем обнаружить новые физические компоненты и законы. Но сле- дует отметить, что в диапазоне от метра до размера атома тоже происходит немало интересного. Многие объекты, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, обладают важными свой- ствами, заметить которые можно только при исследовании более мелких систем (некоторые масштабные ориентиры, упоминаемые в данной главе, вы можете увидеть на рис. 13). |