Маркус Чоун - Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной

• Название: Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
• Автор: Маркус Чоун
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Научпоп
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-91678-095-6

Маркус Чоун — британский ученый, журналист и писатель, один из лучших популяризаторов науки сегодняшнего дня. Мало кто умеет так, как он — просто, доходчиво, с легким юмором, — рассказать о сложнейших научных представлениях, будь то принципы квантовой механики или космологические концепции.

В своей новой книге «Чудеса обычных вещей» Маркус Чоун демонстрирует удивительный, обманчиво простой принцип знакомства с миром современной физики: он берет самые обычные вещи и явления и заставляет их рассказывать о тайнах мироздания, о загадках микро- и макромира.

Под пером Маркуса Чоуна обыкновенное оконное стекло повествует о вероятностях, управляющих Вселенной. Капелька крови на пальце, оставшаяся после укола, делится впечатлениями о процессах, происходящих в глубинах звезд. А заурядная электрическая лампочка и доски пола под ногами превращаются в парадоксальные, загадочные предметы, которые, оказывается, в принципе не должны существовать!

Маркус Чоун (р. 1959) — в прошлом радиоастроном, успешно работавший в Калифорнийском технологическом институте; ныне — постоянный автор журнала «Нью сайентист», теле- и радиоведущий, популяризатор науки.

---

28

Цит. по: Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского А. В. Ефремова, Г. И. Копылова, О. А. Хрусталева. — М.: Мир, 1965. — Вып. III. Гл. 38.

29

Здесь имеется в виду «масса покоя». Некоторые частицы, такие, как фотоны, не имеют массы покоя. Они рождены, чтобы двигаться со скоростью света, и не могут существовать в покое по отношению к чему-либо или кому-либо.(Прим. автора).

30

См. главу 2.(Прим. автора).

31

Конечно, ширина и долгота используются, чтобы точно определить местоположение на поверхности земного шара. Но это возможно только потому, что все точки на поверхности находятся на одном и том же расстоянии от центра Земли.

32

Этим подчеркивается лишь то, что квантовая теория — просто-напросто еще одна теория о том, что мы может узнать или измерить, — а это, собственно, и есть смысл любой научной теории. Если мы знаем только результат события — например, результат взаимодействия между двумя идентичными частицами, — мы не вправе спрашивать, откуда этот результат взялся. В сущности, такой вопрос «незаконен» с точки зрения науки. Он лишен смысла. Как сказал Нильс Бор: «Квантового мира не существует. Есть только абстрактное физическое описание. Ошибочно думать, что задача физики — выяснить, что там такое природа. Физику заботит, что мы можем сказать о природе». [Это высказывание Нильса Бора было впервые приведено его сотрудником Оге Петерсеном в статье «Философия Нильса Бора» («Бюллетень ученых-атомщиков». Т. 19. № 7. Сентябрь, 1963) Прим. перев.]. (Прим. автора).

33

«Стрела» и «стрелка» в русском языке — по сути, одно и то же слово, в отличие от английского языка, где стрела — это arrow, а стрелка часов — hand. Тем не менее образ удобный и внятный, искать ему замену было бы неправильно, просто нужно помнить, что, когда речь идет о вероятностях, употребляется слово «стрела», а в реальных часах фигурируют, конечно же, «стрелки».

34

На самом деле все частицы с полуцелым спином —1/2, 3/2, 5/2 и так далее — фермионы, а частицы с целым спином — 0,1,2 и так далее — бозоны.(Прим. автора).

35

Доказать, что частицы со спином 1/2 (или, в общем случае, частицы с полуцелым спином) подчиняются принципу запрета, было очень непросто. Только в 1940 году — спустя 16 лет после того, как он сформулировал принцип запрета, — Паули доказал так называемую теорему о связи спина со статистикой.(Прим. автора).

36

Первый намек на существование спина дало то наблюдение, что «вращение» электрона направлено по магнитному полю. Когда электрон в атоме перепрыгивает из одного состояния в другое — совершает так называемый квантовый скачок, — он испускает или поглощает свет с энергией, равной разнице между энергиями в этих состояниях. Однако в магнитном поле свет может иметь два немного различных значения энергии — чуть больше и чуть меньше положенного. Объясняется это тем, что спин электрона может быть направлен по полю или против поля и каждому из этих направлений соответствует свое значение энергии, немножко отличное от второго. Интересно, что Паули сформулировал свой принцип запрета до того, как американские физики голландского происхождения Сэмюэл Гаудсмит (1902–1978) и Джордж Уленбек (1900–1988) открыли собственно спин электрона в 1925–1926 годах. Хотя Паули ничего не ведал про спин, он тем не менее знал о двузначности (zweideutigkeit) энергетических состояний электрона в магнитном поле.(Прим. автора).

37

См. главу 2.(Прим. автора).

38

Отто Штерн (1888–1969) — немецкий физик, выдающийся экспериментатор. В числе его заслуг — открытие спина, измерение атомных магнитных моментов, демонстрация волновой природы атомов и молекул, открытие магнитного момента протона. Лауреат Нобелевской премии по физике в 1943 г.

39

Восторженная реплика Джеймса Франка по данному поводу заслуживает того, чтобы ее здесь привести: «Сам радиус действия этого эффекта заставляет признать Паули величайшим теоретиком всех времен!»

40

Джон Фредерик Вильям Гершель (1792–1871) — английский астроном и физик, сын Уильяма Гершеля. Был известен также как замечательный оратор и популяризатор науки. Его «Очерки по астрономии», выдержавшие с 1849 по 1893 г. двенадцать изданий, долгое время служили образцом популярной книги по астрономии.

41

Если кому-то хочется знать точнее — пожалуйста: масса Солнца составляет 1,99 •1030кг.

42

Единственное, в чем проявляется состав сгораемого тела, так это в том, насколько быстро оно теряет тепло, а последнее зависит от количества свободных электронов, поскольку именно свободные электроны, как выяснилось, прекрасно умеют «рассеивать», или перенаправлять, излучаемое тепло, тормозя его выход из центра тела во внешнее пространство. Объект, состоящий преимущественно из водорода, располагает всего одним свободным электроном на каждое атомное ядро, чтобы удерживать внутреннее тепло, тогда как у объектов, состоящих из более тяжелых атомов, свободных электронов больше.(Прим. автора).

43

Анаксагор из Клазомен (ок. 500 до н. э. — 428 до н. э.) — древнегреческий философ, математик и астроном, основоположник Афинской философской школы.

44

Анаксагор мог позволить себе быть точным — ведь он первым понял, что Луна непрозрачна, а потому, проходя перед Солнцем, отбрасывает на Землю тень. Он смог оценить размер тени со слов очевидцев — главным образом моряков — во время кольцеобразного солнечного затмения 478 года до нашей эры. Тень накрыла Пелопоннесский полуостров, из чего Анаксагор сделал вывод: Луна «столь же велика, сколь и Пелопоннес», а Солнце, следовательно, «во много раз больше Пелопоннеса».(Прим. автора).

45

См. главу 3.(Прим. автора).

46

Первоначально Гершель окрестил Уран «Звездой Георга» (Georgium Sidus) в честь короля Великобритании Георга III. Не так уж много людей знают это.(Прим. автора).

47

Эта оценка была сделана в 1658 году ирландским архиепископом Джеймсом Ашшером. (Прим. автора).

48

Надо сказать, что в 1862 г. Уильям Томсон еще не был лордом Кельвином. Королева Виктория пожаловала ученому пэрство с титулом «барон Кельвин» в 1892 г. Однако в литературе чаще встречается именно лорд Кельвин, а не Уильям Томсон — вне зависимости от того, о каком периоде жизни ученого идет речь. Автор данной книги повсюду именует Уильяма Томсона просто Кельвином. Это, разумеется, неточность (если не сказать фамильярность). «Кельвин» — не имя и не фамилия, а титул, который полностью звучит так: «1-й барон Кельвин из Ларгса» (при этом Ларгс — город, а Кельвин — река, близ которой располагалась лаборатория Уильяма Томсона, работавшего и преподававшего в Университете Глазго). Тем не менее авторское «Кельвин» повсюду сохранено.

49

Более сложное объяснение этого явления требует использования закона сохранения энергии. В процессе откачивания энергия движения поршня превращается в тепловую энергию воздуха позади поршня — другими словами, вызывает хаотичное, бешеное движение молекул воздуха.(Прим. автора).

50

См. главу 2.(Прим. автора).

51

Если распад атома непредсказуем, это предполагает следующее: допустим, вы наблюдаете за ним, скажем, десять минут, затем следующие десять минут, еще десять минут, и так далее, — сколько бы вы ни наблюдали, у атома одни и те же шансы на то, что он распадется в любой из этих десятиминутных интервалов. Если же шансы не равны и, положим, более вероятен распад между 30-й и 40-й минутами, а не в любой другой интервал, тогда очевидно, что его поведение уже не непредсказуемо — вы знаете, что он, скорее всего, распадется между 30-й и 40-й минутами. Теперь предположим, что у нас есть образец, содержащий большое количество радиоактивных атомов. И вероятность того, что они распадутся в первые десять минут, — допустим, 1/2. Следовательно, по прошествии десяти минут половина атомов не распадется, а половина — распадется. Спустя двадцать минут распадется половина из тех, что остались, то есть четверть, и так далее. Этот простенький пример показывает, как равные шансы распада в каждый десятиминутный интервал приводят к закону радиоактивного распада с периодом полураспада в 10 минут. А вот что не столь уж просто для понимания, так это следующее: даже если вероятность распада атома в любой конкретный период времени будет составлять 1/10,1/63 или 0,000 023, из этого в любом случае воспоследует все тот же закон радиоактивного распада, характеризующийся специфическим периодом полураспада для каждого радиоактивного элемента.(Прим. автора).