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.

---

В космосе бесчисленное множество созвездий, планет и солнц; мы видим одни лишь солнца, поскольку они дают свет; планеты остаются невидимыми, поскольку они маленькие и темные. Кроме того, существует бесчисленное множество земель, и они вращаются вокруг своих солнц — не хуже и не меньше, чем наш земной шар. Ведь ни один здравый разум не может предположить, что небесные тела, которые, вероятно, много величественнее нашего, не несут на себе созданий, подобных жителям человеческой Земли или даже превосходящих их.

В том, что касается количества планет во вселенной, которое просто в голове не укладывается, Бруно был прав. Сейчас, когда я пишу эти строки, в нашей галактике насчитывается уже 800 известных нам планет и кандидатов в планеты, а если верить первым данным с космического телескопа «Кеплер», который специально предназначен для поиска экзопланет, похоже, что среди них очень много потенциально обитаемых. Однако, как показывает опыт, не всегда достаточно быть правым. В 1600 году инквизиция сожгла Бруно на костре за ересь.

Впоследствии были найдены неопровержимые доказательства гелиоцентрического строения вселенной. В 1609 году Иоганн Кеплер опубликовал свой труд «Astronomia nova», где, помимо всего прочего, сформулировал законы движения планет.

Кеплер был учеником Тихо Браге, одного из величайших астрономов-наблюдателей своего времени. Тихо (как его обычно называют)[42] владел целым островом, где производил самые точные наблюдения за движением планет. Его целью было обосновать своего рода гибрид моделей Птолемея и Коперника: по его представлениям, Солнце вращалось вокруг Земли, зато все остальные планеты — вокруг Солнца.

В сущности, Кеплер затем и пошел к Тихо Браге в ученики, чтобы получить доступ к его данным. После смерти Тихо Браге в 1601 году Кеплер засел за работу. Вот как он впоследствии писал об этом:

Признаюсь, что когда Тихо умер, я тут же воспользовался отсутствием либо недостатком предусмотрительности у его наследников и заполучил его наблюдения, а может быть, и узурпировал их.

И это был правильный, пусть и сомнительный с этической точки зрения поступок. Из этих наблюдений Кеплер заключил, что орбиты планет представляют собой не окружности, а эллипсы.

Кеплеровы орбиты

В большинстве случаев эти эллипсы очень близки к окружностям. Земля в среднем находится на расстоянии в 149 миллионов километров от Солнца, однако в перигелии (в первых числах января), когда она ближе всего к Солнцу, это расстояние сокращается примерно на 5 миллионов километров по сравнению с расстоянием в афелии, который она проходит полгода спустя. Особенно дотошные читатели, возможно, заметили, что мы, жители северного полушария, ближе к Солнцу зимой, чем летом. Скажу только, что расстояние до Солнца не имеет отношения к смене времен года[43].

Кеплер докопался до эллиптических орбит далеко не сразу. Во-первых, он предположил, что если планеты движутся по такой простой орбите, наверняка какой-нибудь астроном это уже обнаружил. Во-вторых, он много раз заходил в тупик. Один из самых интересных тупиков привел к созданию трактата под потрясающим названием «Mysterium cosmographicum», где Кеплер выдвинул гипотезу, что орбиты всех планет определяются вписанными друг в друга платоновыми телами, то есть правильными многогранниками — этакая астрономическая матрешка.

Орбиты шести известных тогда планет (до Сатурна) и правда примерно соответствуют соотношениям, которые получается, если куб вписать в тетраэдр, тетраэдр — в додекаэдр, додекаэдр — в икосаэдр, икосаэдр — в октаэдр и все это — в сферу. Это очередной пример того, как симметрия вдохновляла научные изыскания. Еще это пример того, как симметрия оказалась абсолютно ни при чем. Кеплеру просто повезло, что такая пропорция случайно совпала — очень приблизительно — с реальным положением дел.

Законы планетарного движения Кеплера объясняли все очень хорошо, однако гелиоцентрическая модель угналась за ними не сразу. К счастью, в 1609 году, когда Кеплер наконец опубликовал свой трактат «Astronomia nova», Галилей уже строил свой первый астрономический телескоп.

Галилей увидел, что у Меркурия и Венеры — теперь мы знаем, что это внутренние планеты, которые находятся ближе всего к Солнцу — есть фазы, совсем как у Луны, соответствующие их движению вокруг Солнца. Увидел, что Млечный Путь –

не что иное, как масса бесчисленных звезд, собравшихся в скопления.

Однако сильнее всего его потрясло множество спутников у Юпитера.

В небе вокруг Юпитера движутся три звезды — совсем как Венера и Меркурий вокруг Солнца.

Если даже Юпитер — центр собственной маленькой системы, как может Земля быть центром мироздания?!

У Галилея все сложилось несколько лучше, чем у Бруно. Его всего-навсего заставили публично отречься от своих воззрений и пожизненно заключили под домашний арест. К концу XVII века вера в существование иных планет уже перестала быть крамолой. В 1698 году голландский физик Христиан Гюйгенс, одним из первых, в числе прочих своих достижений, заговоривший о свете как о волне, выразился следующим образом:

Почему же каждая из этих звезд не может иметь такую же пышную свиту, как наше Солнце — свиту из планет, которым прислуживают луны?

И с ним не приключилось ничего плохого — по крайней мере церковь с ним ничего не сделала.

Когда куда-нибудь идешь, то все равно куда-нибудь придешь

Коперник одним из первых осознал великую истину: наше место во вселенной ничем не примечательно. Этот урок человечеству надо усваивать раз за разом. Наша посредственность простирается далеко за пределы Солнечной системы. Галилео отметил, что во вселенной бесчисленное множество звезд, и у всех равное право претендовать на звание центра вселенной.

Система шаровых скоплений в проекции на плоскость галактики. Галактическая долгота отмечена через каждые тридцать градусов. «Локальная система» целиком лежит в пределах самого маленького кружка, обведенного сплошной линией, имеющего радиус в тысячу парсеков. Более крупные кружки, обведенные сплошной линией, также гелиоцентричны, но их радиусы возрастают с интервалом по 10 000 парсеков. Пунктиром отмечена предполагаемая большая ось системы, пунктирные круги концентричны относительно ее центра. Точки примерно в четыре раза больше настоящих диаметров скоплений в таком масштабе. Девять скоплений отстоят от плоскости галактики более чем на 15 000 парсеков и не включены в эту схему.

В 1918 году астроном Харлоу Шепли составил карту 69 шаровых скоплений на Млечном Пути. Это очень тесные кучки по сто тысяч звезд, а то и больше, и резонно было предположить, что шаровые скопления распределены симметрично относительно центра галактики. Шепли обнаружил, что наше место нельзя считать привилегированным даже в пределах собственной галактики. Мы всего лишь одна из примерно 10 миллиардов звездных систем из глухой провинции.

Об этом же пишет и Дуглас Адамс:

Где-то в закоулках одного нефешенебельного района западной спиральной ветви Галактики, которого даже нет на карте, находится маленькое неприметное желтое солнце. На расстоянии около девяноста двух[44] миллионов миль вокруг него вращается совершенно невзрачная зелено-голубая планета, произошедшие от обезьян жители которой настолько примитивны, что до сих пор считают электронные часы чем-то выдающимся.

(Пер. Ю. Ариновича)

Но это еще далеко не конец. В 1920 годы Эдвин Хаббл показал, что наша галактика — всего лишь одна из колоссального количества островных вселенных, летящих в пространстве. Как мы уже видели, обзор SDSS позволил нанести на карту свыше ста миллионов галактик, однако по самым скромным оценкам общее их число в наблюдаемой вселенной — несколько триллионов. В среднем эти триллионы галактик, судя по всему, распределены в пространстве с поразительной равномерностью. На языке симметрии это означает, что вселенная гомогенна. Подобным же образом северное полушарие вселенной, похоже, более или менее такое же, как южное. Опять же, если выражаться научно, вселенная, судя по всему, изотропна.

Эти наблюдения легли в основу так называемого космологического принципа. В сущности, он гласит, что вселенная везде и по всем направлениям более или менее одинакова. Наблюдения это подтверждают, однако на самом деле космологический принцип — это аксиома. Примерно как предположение, что неизменность физических законов позволяют нам интерпретировать прошлое и предсказывать будущее, космологический принцип дает нам возможность в разумных пределах интерпретировать данные, полученные из других частей вселенной.