Карл Саббаг - Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

• Название: Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки
• Автор: Карл Саббаг
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Научпоп
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-91678-144-1

Есть детские вопросы, на которые не каждый взрослый ответит: почему ночью небо темное? почему мы не проваливаемся сквозь пол? кто изобрел колесо? почему зеркало меняет местами только лево и право, а не верх и низ? Карл Саббаг подробно разбирает эти и многие другие загадки (да-да, загадки, причем Большой Науки!), и не просто разбирает, а легко, доходчиво, с хорошим юмором рассказывает об окружающих нас чудесах физики, химии, биологии, психологии и даже космологии. Вот еще вопросы: как работает Гугл? можно ли увидеть нейтрино? что такое пятый вкус, о котором никто не знает, кроме японцев? обижаются ли на нас собаки? кто был автором первого в истории мультфильма? Интересно? При чтении этой книги будет еще интереснее! Потому что именно с такой целью она и писалась: напомнить нам, что мир вокруг таинствен и удивителен.

Карл Саббаг (р. 1942) — британец палестинского происхождения, писатель, журналист, телевизионный продюсер. Автор многих научно-популярных книг, документальных фильмов и научно-популярных телесериалов.

---

Археологи, датируя свои находки, используют изотоп углерод-14, хотя этот метод работает без погрешностей, только если найденным предметам не более нескольких сотен лет. Но двоим венским физикам-дозиметристам пришла в голову другая идея. Уровень углерода-14 в атмосфере из года в год меняется. В период между 1950 годом и концом 1960-х из-за испытаний ядерного оружия этот показатель достиг пика, а потом стал потихоньку снижаться. Впрочем, он до сих пор выше, чем был до 1950 года.

Атмосферный углерод-14 попадает в клетки человеческого организма, и его количество отражает содержание углерода-14 в атмосфере в те времена, когда клетки только формировались. Некоторые клетки тела остаются неизменными на протяжении всей жизни, так что по содержанию в них углерода-14 можно вычислить дату рождения. А другие клетки делятся и делятся, так что количество искомого изотопа в них должно соответствовать году, когда эти клетки образовались.

В случае с венскими старушками дозиметристы исследовали жировые клетки, найденные в костях и сформировавшиеся незадолго до смерти сестер. Так ученые смогли установить, что одна сестра умерла в 1988 году, а вторая — в 1989-м, и тем самым разобраться, кто кому наследовал.

Что ж, любопытная история без каких бы то ни было сногсшибательных последствий. Но теперь, спустя два десятилетия, техника датировки по содержанию в телах углерода-14, сохранившегося в атмосфере после ядерных испытаний, живет и процветает. Одна группа ученых открыла, что, когда молекула ДНК делится, она как бы запечатлевает в себе мгновенный снимок уровня углерода-14 на момент деления. С помощью этого свежеобретенного знания удалось доказать, что в некоторых участках мозга с момента рождения не появляется ни одной новой клетки. Многие ученые и раньше исповедовали эту идею, но никому не удавалось ее доказать. Дату рождения человека можно определить по содержанию углерода-14 в зубах — это еще одна часть человеческого тела, не воспроизводящая новых клеток.

А ученые-энологи из университета австралийского города Аделаида (энология — это наука о вине) используют ту же технологию как надежный способ установить возраст вина. Стоит лишь проверить напиток на содержание углерода-14, который попадает в вино вместе с виноградным сахаром, а в виноград — из атмосферы. По количеству изотопа можно узнать год, когда был собран виноград.

Туманное будущее

Наверняка многие слышали о принципе неопределенности Гейзенберга. Он гласит, что, наблюдая за элементарными частицами, невозможно определить одновременно и положение частицы, и ее скорость. Для того чтобы наблюдать вообще что бы то ни было, нужно соблюдать определенные правила, а их соблюдение влияет на то, за чем вы наблюдаете. Представьте себе мир, в котором можно воспринимать объекты лишь с помощью осязания: если ткнуть в объект пальцем, чтобы определить его местонахождение, он сместится от тычка. А если объект при этом двигался, тычок также изменит его скорость или направление движения.

Вот и с атомными частицами примерно то же самое. Если мы попытаемся направить на частицу луч света или иной энергии, чтобы «разглядеть» ее, то в тот самый миг, когда луч достигнет частицы, она изменит свои характеристики — положение или скорость, — и они станут совсем иными, чем в том случае, если бы мы не старались эту частицу рассмотреть.

Конечно, я подал идею в чрезмерно упрощенном виде. Из моего объяснения может показаться, что во всем виноваты измерительные приборы, на деле же, согласно Гейзенбергу, принцип неопределенности отражает основное свойство атомных частиц, которые просто физически не могут существовать в определенной точке и с определенной кинетической энергией. Как только вы измеряете один показатель, второй становится неизвестен.

Это наблюдение считается чрезвычайно важным для физики частиц, однако же, когда речь заходит о мире больших объектов (например, столов, теннисных мячей, собак и так далее), дело обычно преподносят так, что принцип неопределенности имеет ко всему этому весьма малое отношение. Большие объекты сделаны из такого немыслимого количества миллиардов атомов, а измерение неопределенности каждого из них дает такую ничтожную величину, что при тех скоростях и расстояниях, которые интересуют нас в макромире, всякое проявление принципа неопределенности будет практически неразличимо.

Еще в начале девятнадцатого века, когда о физике атомов ничего не было известно, французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас предположил, что, если бы какое-нибудь гипотетическое разумное существо, так называемый «демон», смогло узнать положения и скорости всех частиц в мире в некий момент, ему удалось бы, при соответствующем объеме расчетов и с использованием законов Ньютона, совершенно точно предсказать все мировые события. И поныне, даже после открытия Гейзенберга, некоторые продолжают верить, что, рассматривая простую физическую систему, такую, как бильярдный стол и шары, можно высчитать будущие перемещения шаров на сколько угодно ходов вперед, достаточно только точно знать их исходные позиции и скорость и применить ньютоновские законы движения.

На самом деле это не так. Американский физик Дэвид Рэймонд еще сорок пять лет назад подсчитал, что правильно предсказать траектории и скорости перемещения шаров на бильярдном столе можно только до одиннадцатого столкновения. И как бы точно вы ни считали и ни измеряли, совокупная неопределенность в сочетании с тем, что каждое столкновение влияет на любое другое, приводит к решительной невозможности рассчитать заранее то, что произойдет на столе после одиннадцатого столкновения.

Приведу пример его аргументации: как бы аккуратно мы ни целились шаром-битком в первый шар, который хотим отправить в лузу, мы не можем определить положение этого шара с абсолютной точностью, так что в наших прикидках, куда шар покатится после удара, уже заложена крошечная ошибка. Эта очень маленькая погрешность породит непропорционально большую неточность в оценке движения следующего шара и так далее. С каждым новым столкновением эта неопределенность, начавшаяся с крошечной цифры, станет разрастаться до неимоверных размеров. Рэймонд учел массу и радиус каждого шара, сделал поправки на расстояния между отдельными столкновениями, принял во внимание прочие факторы, а затем рассчитал, сколько столкновений должно произойти, прежде чем ошибки достигнут критической массы и станет невозможно хоть с какой-то долей уверенности сказать, где окажется хотя бы один из шаров. Вот так он и пришел к заключению, что после одиннадцати столкновений предсказать дальнейшее перемещение шаров и не попасть пальцем в небо станет уже невозможно.

Конечно, в реальном мире источников погрешностей намного больше, чем те, которые рассмотрел Рэймонд: тут вам и неровности стола и отдельных шаров, и дрогнувшая рука игрока, и даже эффект незначительных изменений температуры, — так что реалистичное предсказание затрещит по швам еще задолго до одиннадцатого столкновения. А Лаплас, наверное, пришел бы в крайнее изумление, обнаружив, что его хваленый «демон» не только не сможет точно предсказать все мировые события, исходя из глубокого познаний о нынешнем положении вещей, — у него не получится даже предугадать поведение кучки бильярдных шаров в следующие десять секунд!

А почему это мы должны провалиться сквозь пол?

Ученые имеют привычку задаваться вопросами, которые людям, далеким от науки, кажутся глупыми. Один из таких вопросов: «Почему мы не проваливаемся сквозь пол?» Есть даже книга с подобным названием. Но ведь житейский опыт говорит нам: пол — это твердая поверхность, чья единственная задача — не дать нам провалиться сквозь нее. Это то минимальное требование, которое мы предъявляем к любому полу. Однако за дурацким, казалось бы, вопросом кроются наши знания о полах и о том, как они устроены, а эти знания, вообще говоря, противоречат здравому смыслу.

Поскольку полы состоят из атомов, именно знание природы атомов заставляет нас задавать этот вопрос.

Идея об атомах как о простейших составляющих материи насчитывает уже около двух с половиной тысяч лет, но большую часть этого времени человечество скорее воображало, чем реально понимало, что такое атомы. Они представлялись людям твердыми, плотными шариками. И только в XX столетии сформировалась более точная картина устройства атомов, которая, впрочем, пока полна загадок и наглядно демонстрирует, чем плохи попытки представить себе физические или математические понятия в виде картинок.

Нынешняя «картина» атома, возникшая после целого столетия исследований и опытов, представляет собой следующее: в центре твердое ядро шириной в одну единицу (о том, что я понимаю под единицей, мы поговорим чуть позже), а вокруг — облако куда более легких частиц, электронов. Радиус этого облака — до 30 000 единиц и больше. Более 99,9 % массы атома приходится на ядро, так что между ядром и наружной «поверхностью» атома почти ничего нет. Даже об электронах нельзя сказать, что они на самом деле находятся в этом пространстве. Хотя они порой могут вести себя как крошечные твердые шарики, в реальности электроны, как понимают это ученые, являют собой облако неравномерной плотности: где облако поплотнее — там, вероятнее всего, и пребывает электрон. Он «существует» лишь в тот кратчайший момент, когда ученому, использующему какое-нибудь точнейшее устройство, удается добиться того, чтобы от этого электрона «отскочил» какой-нибудь другой или чтобы от него отразилась волна некоего излучения: тогда и только тогда наш электрон не только объявит о своем местонахождении — он словно бы материализуется в результате наблюдения, прежде чем снова исчезнуть в облаке вероятностей.