Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

• Название: Глазами физика. От края радуги к границе времени
• Автор: Уолтер Левин
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2017
• ISBN: 978-5-00100-387-8

В книге не менее яркой, чем его знаменитые лекции, профессор Левин рассказывает о самых необычных и интересных гранях физики, о чудесах, которые творятся каждый день вокруг нас, – например, о том, почему ударяет молния. О чем бы ни решил рассказать автор, ему всегда удается совместить обучение с развлечением.

Книга предназначена для студентов и преподавателей, а также для всех, кто хочет изучать физику с удовольствием и интересом.

На русском языке публикуется впервые.

---

Мне всегда очень нравилось показывать Меркурий: эта планета расположена ближе всех к Солнцу, и ее крайне трудно увидеть невооруженным глазом. Лучше всего планета видна лишь пару десятков вечеров и утр в году. Меркурий оборачивается вокруг Солнца за 88 дней, поэтому и назван в честь быстроногого римского бога-гонца. Увидеть эту планету трудно, потому что ее орбита проходит очень близко к Солнцу. С точки зрения земного наблюдателя, она никогда не отклоняется от Солнца более чем на 25 градусов, этот угол меньше, чем расстояние между часовыми стрелками в одиннадцать часов. Вы можете увидеть Меркурий только вскоре после захода Солнца или прямо перед его восходом, когда планета больше всего удалена от Солнца, если смотреть с Земли. При наблюдении с поверхности Земли Меркурий всегда находится близко к горизонту, поэтому увидеть его, скорее всего, можно в сельской местности, где нет высоких домов. Но как же прекрасен Меркурий, когда все же удается его обнаружить на небе!

Наблюдение за звездами соединяет человека с бесконечностью Вселенной. Если долго вглядываться в ночное небо, до тех пор, пока не привыкнут глаза, можно неплохо рассмотреть структуру дальних уголков нашей Галактики Млечный Путь – 100–200 миллиардов звезд, объединенных в единый кластер, словно вплетенных в восхитительно нежную прозрачную ткань. Размер Вселенной непостижим для человеческого разума, но мы можем хоть немного осознать ее величие, попытавшись понять грандиозность Млечного Пути.

Сегодня в науке принято считать, что во Вселенной может быть столько галактик, сколько звезд в нашей Галактике. В сущности, всякий раз, направляя телескоп в открытый космос, человек видит в основном галактики – с таких огромных расстояний звезды попросту неразличимы, – и каждая из них действительно состоит из миллиардов звезд. Вспомните о недавнем открытии на небосводе огромной структуры, названной Великой стеной Слоуна; ее нанесли на карту благодаря реализации крупного проекта Sloan Digital Sky Survey («Слоуновский цифровой обзор неба»), ради которого объединили усилия более трехсот астрономов и инженеров и двадцать пять университетов и научно-исследовательских институтов. Гигантский телескоп этого проекта, пущенный в работу в 2000 году, наблюдает за небом каждую ночь. Длина Великой стены Слоуна равна более миллиарда световых лет. Ну что, голова закружилась? Если нет, учтите, что наблюдаемая Вселенная, то есть та ее часть, которую мы можем видеть, составляет около 90 миллиардов световых лет.

Вот она, мощь физики! Только эта наука способна открыть нам, что наблюдаемая Вселенная состоит примерно из 100 миллиардов галактик или что из всей материи в видимой Вселенной лишь около четырех процентов – это обычная материя, из которой состоят звезды и галактики, а также вы и я. Еще около 23 процентов составляет темная материя, невидимая для человека. Нам известно, что она существует, но что это такое – мы не знаем. Оставшиеся 73 процента, или основная часть энергии в нашей Вселенной, – это темная энергия, тоже невидимая. Никто в мире не имеет ни малейшего представления о том, что она такое. Получается, что мы практически ничего не знаем о почти 96 процентах массы/энергии во Вселенной. Физика объяснила человечеству многие вещи, но в мире осталось еще так много неразгаданных тайн. Лично меня это очень вдохновляет!

Физика исследует невообразимо необъятный мир Вселенной, причем она способна проникнуть в суть мельчайших частиц материи вроде нейтрино, составляющих ничтожно малую часть протона. Как раз этой теме я как физик посвящал большую часть своего времени: я изучал сверхмалые частицы, измеряя и регистрируя выбросы частиц и излучение радиоактивных ядер. Этот вопрос изучает ядерная физика, вернее, тот ее отдел, который не имеет никакого отношения к атомной бомбе. Попросту говоря, предмет моего научного интереса составляло изучение на самом фундаментальном уровне того, что заставляет материю функционировать и развиваться.

Вы, должно быть, знаете, что почти вся видимая и осязаемая материя состоит из химических элементов, таких как водород, кислород и углерод, соединенных в молекулы. Наверняка вам также известно, что атом, наименьшая частица химического элемента, состоит из ядра и электронов, а ядро, в свою очередь, из протонов и нейтронов. Самый легкий и наиболее часто встречающийся элемент во Вселенной, водород, имеет один протон и один электрон. Но существует такая форма водорода, в ядре которой есть и нейтрон, и протон. Это изотоп водорода – другая форма этого химического элемента, называемая дейтерием. А есть еще и третья форма изотопа водорода, с двумя нейтронами, присоединившимися к протону в ядре; она называется тритием. Все изотопы конкретного химического элемента состоят из одинакового числа протонов, но разного числа нейтронов, а элементы – из различного количества изотопов. Например, существует тринадцать изотопов кислорода и тридцать шесть изотопов золота.

Многие изотопы стабильны: они могут оставаться в одном виде более-менее вечно. Но большинство не стабильны, или радиоактивны. Радиоактивные изотопы имеют обыкновение распадаться: рано или поздно они превращаются в другие химические элементы. При этом некоторые из радиоактивных изотопов стабильны: в них распад со временем прекращается. А другие нестабильны, и в них распад продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто стабильное состояние. Из трех изотопов водорода радиоактивен только один – тритий, – он превращается в стабильный изотоп гелия. Из тринадцати изотопов кислорода стабильны три; из тридцати шести изотопов золота – только один.

Вероятно, вы помните, что скорость радиоактивного распада изотопов измеряется периодом полураспада, который варьируется от микросекунды (одной миллионной доли секунды) до миллиардов лет. Говоря, что период полураспада трития составляет около двенадцати лет, мы имеем в виду, что в данном образце трития половина изотопов через двенадцать лет распадутся, следовательно, через двадцать четыре года их останется всего четверть от имеющегося числа. Ядерный распад – один из важнейших процессов, в ходе которого создаются и преобразуются химические элементы. И это никакая не алхимия! Во время работы над докторской диссертацией мне часто доводилось своими глазами видеть, как радиоактивные изотопы золота превращались в ртуть, а не наоборот, как хотелось бы средневековым алхимикам. Впрочем, многие изотопы ртути, как и платины, действительно превращаются в золото. Но только один изотоп платины и только один изотоп ртути превращаются в стабильное золото того типа, которое можно носить на пальце в виде кольца.

Моя работа была чрезвычайно захватывающей: радиоактивные изотопы распадались буквально у меня в руках. Кроме того, она была очень интенсивной. Период полураспада изотопов, с которыми я работал, обычно составлял всего один, максимум несколько дней. Скажем, период полураспада золота-198 – чуть больше двух с половиной дней, так что работать приходилось очень быстро. Я мчался из Делфта в Амстердам, где находился циклотрон, производящий эти изотопы, а затем несся обратно в лабораторию в Делфте. Там я растворял изотопы в кислоте, чтобы получить их в жидком виде, жидкость наливал на тончайшую пленку и помещал в детекторы.

Мне необходимо было проверить теорию ядерного распада, которая говорит о взаимосвязи между гамма-излучением и испусканием электронов из ядер, а эта работа требовала очень точных измерений. Она уже была проделана в отношении целого ряда радиоактивных изотопов, но некоторые недавние измерения несколько отличались от положений вышеупомянутой теории. Тогда-то мой научный руководитель профессор Аалдерт Уапстра и предложил мне найти виновного – либо теория, либо измерения. Это показалось мне чрезвычайно интересным – все равно что собирать фантастически сложный пазл. Трудность задачи, однако, заключалась в том, что мои измерения должны были быть гораздо точнее сделанных до меня другими исследователями.

Из-за крайне малого размера электронов некоторые ученые считают, что в действительности их нельзя измерить: вообще-то они меньше одной триллионной сантиметра в сечении, да и длина волн гамма-излучения меньше миллиардной доли сантиметра. И все-таки физика дала мне в руки инструменты, чтобы обнаружить и измерить их. Это еще одно качество, за которое я люблю экспериментальную физику: она позволяет прикоснуться к невидимому.

Для получения нужных данных я должен был проводить измерения как можно дольше, ведь чем больше замеров я делал, тем точнее были результаты. Случалось, я работал по шестьдесят часов подряд, иногда без сна, и даже стал немного одержим работой.

Для физика-экспериментатора точность – это все. Точность – единственное, что имеет значение. Измерение без указания степени точности просто бессмысленно. Эта простая, мощная и абсолютно фундаментальная идея игнорируется практически во всех вузовских учебниках физики. Точность измерений критически важна в очень многих областях человеческой жизни.