Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

• Название: Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
• Автор: Дэйв Голдберг
• Жанр: Физика
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-17-090528-7

Не любите физику? Вы просто не читали книги Дэйва Голдберга! Эта книга познакомит вас с одной из самых интригующих тем современной физики — фундаментальными симметриями. Ведь в нашей прекрасной Вселенной практически все — от антивещества и бозона Хиггса до массивных скоплений галактик — формируется на основе скрытых симметрий! Именно благодаря им современные ученые делают свои самые сенсационные открытия.

Можно ли создать устройство для мгновенной передачи информации? Что будет, если Землю засосет в черную дыру? Что не рассказывают на школьных уроках о времени и пространстве? Читайте, и вы узнаете ответы на эти вопросы. Это понятно, увлекательно, это может быть смешно — именно так вы теперь будете думать о физике.

---

Выходит, перемещаться в пространстве и во времени — это в некотором смысле одно и то же, однако я хочу подчеркнуть различия. Во-первых, во времени вы двигаетесь гораздо быстрее, чем в пространстве. За одну секунду вы покрываете одну секунду времени (естественно). Но даже самые быстрые искусственные спутники покрывают лишь 0,2 световые миллисекунды пространства в 1 секунду времени. Это все равно что на месте стоять.

Мы путешествуем во времени гораздо быстрее, чем в пространстве, поскольку это прямо следует из безумной скорости света. Свет перемещается так быстро, что еще несколько столетий назад мы не были уверены, что его скорость вообще конечна. Чтобы понять, что такое время, нам нужно сначала понять, что такое пространство — и это не метафора.

Например, первые расчеты расстояния до Солнца — сейчас мы знаем, что оно равно 149 597 870 километрам и называется (несколько неизобретательно) астрономической единицей — были сделаны на основании одной лишь геометрии, и оно исчислялось в радиусах Земли.

Древние — те, которым хватило ума понять, что не Солнце вращается вокруг Земли, а наоборот — применили для вычисления этой важной ступени в лестнице расстояний самые разные и относительно неудачные подходы. Насколько именно они были неудачными, мы судить не можем, поскольку точно не знаем, как переводить древние единицы расстояния в современные. Аристарх Самосский, работавший в III веке до н. э., сделал одну из лучших оценок для своего времени (то есть почти до наших дней) и ошибся примерно в 15 раз.

Лишь около двух тысяч лет спустя, в конце XVIII века, французский астроном Жером Лаланд воспользовался редким и долгожданным астрономическим событием, чтобы точно вычислить расстояние до Солнца: астрономическим транзитом (прохождением) Венеры.

Примерно раз в сто лет планеты выстраиваются так, что Венера проходит точно между Солнцем и Землей. Астрономические транзиты очень познавательны, поскольку из разных точек земного шара они выглядят несколько по-разному. Два наблюдателя, расположившись в двух точках одной параллели (то есть линии восток-запад), увидят начало транзита с очень небольшой временной разницей.

Точно так же видят ваши глаза[24]. Левый и правый глаз видят чуть-чуть разные картинки, а мозг на основе этого рассчитывает расстояние и глубину. Поморгайте то одним, то другим глазом — и вы заметите, как картинка слегка сдвигается, причем чем ближе предмет, тем заметнее. Если выражаться языком математики, мозг определяет все расстояния как отношения к расстоянию между зрачками.

Поскольку орбиты Земли и Венеры наклонены относительно друг друга, сначала тебе дается одна попытка наблюдения, потом ждешь 8 лет второй попытки, а потом тебе уже ничего не светит примерно 120 лет. Последний транзит Венеры был 5–6 июня 2012 года. Если вы его пропустили, то, скорее всего, больше никогда не увидите.

Лаланду очень повезло: он был в расцвете сил как раз между транзитами Венеры 1761 и 1769 годов. Сам он данные не собирал, однако у него была возможность изучить чужие наблюдения, на основании которых он сделал очень хорошую оценку расстояния до Солнца — с точностью до нескольких процентов.

Итак, измерить расстояние до Солнца в метрах мы сумели лишь в конце XVIII века, однако, как выяснилось, приблизительное расстояние в световых минутах было нам известно уже за сто лет до этого. Еще в 1670 годы датский астроном Оле Ремер отметил странности в поведении спутников Юпитера, открытых незадолго до того.

Наверное, вы и сами задумывались о том, что вращающиеся по орбитам небесные тела — это очень удобные часы[25]. Например, ближайшая к Юпитеру луна из четырех ярких Галилеевых спутников называется Ио[26], и период обращения у нее 42 часа, 27 минут и 33 секунды. Ремер сумел отметить фазы лун относительно Юпитера, когда планета была в противостоянии (то есть ближе всего). Затем, примерно через полгода, Ремер снова наблюдал Юпитер.

Теоретически он должен был предсказать точные фазы лун в любой момент. Они же крутятся, как шестеренки в часах. Однако Ремер обнаружил, что когда Юпитер подходит по своей орбите ближе всего к Земле, его спутники опережают время примерно на 22 минуты по сравнению с тем, что бывает, когда Юпитер находится дальше всего. Когда расстояние от Земли до Юпитера было максимальным, Ремер ожидал, что ближайший к Юпитеру спутник — Ио — пройдет перед Юпитером в 9.00 (на основании данных, полученных, когда Земля и Юпитер были ближе всего друг к другу), а ему пришлось ждать до 9.22.

Ремер сделал вывод (кстати, совершенно верный), что свету нужно какое-то время, чтобы дойти от Юпитера до нас, и когда Юпитер дальше, времени требуется больше, чем когда он ближе. Поскольку ближайшая точка орбиты Юпитера находится на 2 астрономические единицы ближе к нам, чем самая дальняя, Ромер подсчитал, что свету требуется около 11 минут на то, чтобы пройти одну астрономическую единицу.

Астрономические измерения — дело нелегкое, тем более в XVII веке, когда телескопы были еще в зачаточном состоянии. Как выяснилось впоследствии, расстояние до Солнца свет покрывает скорее за 8 минут 19 секунд. Однако Ремер мыслил верно и ошибся не так уж сильно.

Опять история! Сколько можно?!

Как я уже говорил, свет показывает, как много у пространства и времени общего, однако у них, разумеется, много и различий. В пространстве нет предпочитаемых направлений, а во времени, очевидно, есть одно — из прошлого в будущее. Прошлое и будущее — это разные вещи. А главное — самое значительное событие во вселенной, ее зарождение, а следовательно, и зарождение самого времени, произошло в прошлом. Если, конечно, у вселенной был момент зарождения.

О Большом взрыве слышали все. Однако не сразу очевидно, зачем он был нужен, этот Большой взрыв.

Когда Эйнштейн в 1915 году выдвинул общую теорию относительности, то исходил из предположения, что вселенная вечна, и даже подправил свои формулы исходя из этого. Без этой поправки — а Эйнштейн добавил в уравнения поля определенную величину под названием «космологическая постоянная» — вселенная или вечно расширяется, или сначала расширяется, а потом схлопывается[27]. Космологическую постоянную Эйнштейн ввел именно для того, чтобы уравновесить гравитационное притяжение вещества во вселенной и добиться, чтобы все было статично. Как указывал биограф Эйнштейна Уолтер Айзексон, ученый почти сразу же пожалел о своем решении. Вот как говорил об этом сам Эйнштейн:

Честно говоря, мы вынуждены были ввести дополнительный член в уравнения поля, который не оправдан накопленными на данный момент знаниями о гравитации.

Этот член назвали подгоночным параметром. Прежде чем обвинять Эйнштейна в интеллектуальной ловкости рук, задумайтесь над вопросом вечного времени вот с какой точки зрения: почему так странно жить во вселенной, где произошел Большой взрыв? Как только признаешь, что у вселенной было определенное начало, сразу же придется задаться вопросами, почему мы живем именно сейчас, а не миллиард лет назад и не через триллион лет.

Мы не могли бы жить ни в какой другой момент в истории вселенной, ни в прошлом, ни в будущем. Например, период в истории Земли, когда условия на ней подходят для нашего существования, на удивление краток. Если мы прежде не найдем другого способа самоубийства, примерно через 4 миллиарда лет Солнце превратится в красный гигант и выжжет на Земле все, что умудрится дожить до той поры. Однако по космическим масштабам это всего лишь миг. Хотя вселенная просуществовала всего 14 миллиардов лет — по нашим нынешним оценкам — она продолжит расширяться буквально вечно. Однако существование сложных форм жизни требует определенных благоприятных условий. Для поддержания любой деятельности, с участием жизни и без него, нужно определенное количество энергии, для сложных химических реакций необходимы тяжелые элементы и т. д. Это называется «антропный принцип»[28].

Вселенная разная в разных местах и меняется со временем. Вольные трактовки антропного принципа предполагают всего лишь, что люди скорее всего очутятся в тех регионах пространства и времени, которые лучше всего подходят для их эволюции и существования. Иными словами, мы здесь потому, что если бы нас не было, мы не задавались бы вопросом, как так получилось, что нам повезло жить в одном из немногих мест, приспособленных для жизни.

Видите? Аргументация замкнута сама на себя.

Во вселенной, скорее всего, пройдут еще квадрильоны лет, однако звезды вроде нашего Солнца способны существовать лишь в микроскопически крошечный период на этой оси времени. В глобальном смысле слова мы живем в сумерках мироздания, поскольку дальше будет в основном темно, холодно и крайне неуютно. Мы живем примерно через 10 миллиардов лет после Большого взрыва, поскольку, по нашим сведениям, это более или менее единственный период, в которой мы вообще можем существовать.