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.

---

Так он прожил месяцев восемь, до окончания войны, в том числе и худший ее период, голодную зиму 1944 года – hongerwinter, как ее называют в Нидерландах. Люди массово умирали от голода, погибло почти двадцать тысяч человек. Чтобы согреться, мы спускались в подвал, а на дрова вытаскивали большие, поддерживающие пол балки второго этажа. В ту голодную зиму люди ели луковицы тюльпанов и даже кору деревьев. На отца могли донести, просто чтобы получить еду или деньги. Кажется, немцы платили за каждого сданного еврея пятьдесят гульденов, по тем временам приблизительно пятнадцать долларов.

Однажды нацисты все же пришли в наш дом. Оказалось, они собирают пишущие машинки. Они осмотрели наши, те, на которых родители учили людей печатать, и решили, что машинки слишком старые. Вообще-то нацисты были по-своему довольно глупы: им было приказано собирать пишущие машинки, они это и делали, начисто забыв о евреях. Я знаю, это звучит немного по-киношному, но так и было на самом деле.

Несмотря на все травмы, оставленные войной, в целом у меня все же было более-менее нормальное детство. Школа моих родителей, Haagsch Studiehuis, открытая еще до войны, продолжала работать и в военное время; они учили людей печатать и стенографировать, обучали языкам и навыкам ведения бизнеса. Я тоже там преподавал, когда учился в колледже.

Мои родители любили искусство, поэтому я рано начал его изучать. А еще я отлично провел время в колледже – как в плане учебы, так и общения. В 1959 году я женился, в январе 1960-го поступил в аспирантуру, а чуть позже в том же году родилась моя первая дочь Полин. Сын Эмануэль (мы теперь называем его Чаком) появился на свет спустя два года, а наша вторая дочь Эмма родилась в 1965-м. Второй сын, Якоб, родился уже в США в 1967 году.

По прибытии в МТИ удача была на моей стороне: я оказался в самом центре научных открытий того времени. Мой опыт идеально подходил для команды Бруно Росси, пионера в области рентгеновской астрономии, хоть я тогда ровно ничего не знал об исследованиях космоса.

Ракеты «Фау-2» пробили границы земной атмосферы, открыв принципиально новые перспективы для научных изысканий в этой области. Кстати, по иронии судьбы «Фау-2» разработал нацист Вернер фон Браун. Он создал их во время Второй мировой войны, чтобы убивать мирных жителей стран-союзников, и это было поистине разрушительное оружие. Ракеты строили узники концлагерей на полигоне ракетного центра Третьего рейха в Пенемюнде и на печально известном подземном заводе Миттельверке в Германии; за это время там умерло около двадцати тысяч человек. И сами ракеты убили более семи тысяч мирных жителей, в основном в Лондоне. Пусковая площадка находилась в полутора километрах от дома родителей моей матери, недалеко от Гааги. Я до сих пор помню шипение запущенного двигателя и рев взлетающей ракеты. Однажды союзники попытались разбомбить оборудование для производства «Фау-2», но промахнулись и вместо ракет уничтожили почти пять сотен мирных голландцев. После войны американцы пригласили фон Брауна в США и он стал героем. Мне этого никогда не понять. Он же настоящий военный преступник!

На протяжении пятнадцати лет фон Браун вместе с армией США работал над созданием «потомков» «Фау-2», ракет-носителей ядерных боеголовок «Редстоун» и «Юпитер». В 1960 году он пришел в НАСА, где возглавил Центр космических полетов имени Джорджа Маршалла в штате Алабама и разработал там ракету «Сатурн», которая перенесла американских астронавтов на Луну. Потомки его детищ со временем позволили основать рентгеновскую астрономию, так что хотя ракеты и создавались изначально как оружие, они нашли отличное применение и в большой науке. В конце 1950-х – начале 1960-х годов они поистине распахнули новые окна в мир – нет, во Вселенную! – предоставив нам бесценную возможность заглянуть за пределы земной атмосферы и найти там то, что иначе мы никогда не увидели бы.

Должен сказать, что в своих попытках выявить рентгеновское излучение в открытом космосе Росси действовал исключительно по наитию. В 1959 году он отправился к своему бывшему ученику Мартину Эннису – в те времена тот возглавлял в Кембридже исследовательскую компанию под названием American Science and Engineering, – и попросил: «Давай просто посмотрим, есть ли в космосе рентгеновское излучение». И команда American Science and Engineering во главе с будущим лауреатом Нобелевской премии Риккардо Джаккони установила три счетчика Гейгера – Мюллера на ракете, запуск которой состоялся 18 июня 1962 года. Потребовалось всего шесть минут, чтобы ракета преодолела более 80 километров и вышла за пределы земной атмосферы – условие, необходимое для подобных исследований, поскольку атмосфера отлично поглощает рентгеновские лучи.

Конечно же, ученые обнаружили рентгеновское излучение, и самое важное – им удалось установить, что его испускает источник, находящийся за пределами Солнечной системы. Это открытие поразило всех как гром среди ясного неба и в корне изменило астрономию. Никто не ожидал ничего подобного, и никто не мог дать более-менее вразумительных объяснений, почему в космосе оказались рентгеновские лучи. Да что там, никто толком не понимал, что это вообще значит! Росси просто высказал идею и предложил проверить ее резонность. Такие догадки и делают ученых великими.

Я отлично помню точную дату своего прибытия в МТИ, 11 января 1966 года, потому что один из наших детей заболел свинкой. Пришлось нам задержаться с переездом в Бостон; KLM[5] не позволила бы нам лететь, так как свинка заразна. В свой первый рабочий день я познакомился с Бруно Росси и Джорджем Кларком, который в 1964 году первым в мире поднял аэростат на огромную высоту – около 43 тысяч метров (140 тысяч футов), чтобы обнаружить источники высокоэнергетического (жесткого) рентгеновского излучения того типа, которое могло проникать на эту высоту из космоса. Джордж тогда мне сказал: «Если вы хотите присоединиться к моей группе, это здорово». Вот уж действительно, я оказался в нужном месте в нужное время!

Если вы делаете что-то первым, вас обязательно ждет успех – а наша команда делала одно открытие за другим. Джордж оказался на редкость щедрым человеком, и уже через два года он полностью передал мне бразды правления группой. Это было просто замечательно – находиться на переднем крае новейшего направления в астрофизике.

Мне невероятно повезло оказаться в гуще самых захватывающих исследований в области астрофизики, впрочем, по правде говоря, все сферы физики удивительны и полны интригующего восторга изысканий и возможностей сделать поистине потрясающие научные открытия. Например, пока мы искали новые источники рентгеновского излучения, физики, занимающиеся элементарными частицами, открывали все более фундаментальные строительные блоки ядра атома, раскрывая тайну того, что удерживает ядро вместе. В частности, они открыли W– и Z-бозоны, переносчики слабого ядерного взаимодействия, и кварки и глюоны, переносчики сильного взаимодействия.

Именно физика позволила человечеству заглянуть в ретроспективе в самые удаленные уголки Вселенной и составить из данных, полученных благодаря космическому телескопу Хаббл, потрясающее изображение, известное теперь как Hubble Ultra Deep Field[6], показав миру то, что представляется бесконечностью галактик. Непременно посмотрите в интернете, как выглядит это изображение. У меня есть друзья, которые сделали его заставкой на экране своих компьютеров.

Нашей Вселенной около 13,7 миллиарда лет[7]. Однако из-за того, что космос сам по себе сильно расширился в результате Большого взрыва, мы в настоящее время наблюдаем галактики, которые образовались через 400–800 миллионов лет после него и теперь находятся от нас значительно дальше, чем 13,7 миллиарда световых лет. Астрономы подсчитали, что сегодня от крайней границы наблюдаемой Вселенной нас в любом направлении отделяют около 47 миллиардов световых лет. Из-за расширения космоса многие далекие галактики сейчас удаляются от нас со скоростью, превышающей скорость света. Это может показаться шокирующим, и даже невозможным, любому, кто воспитывался на идее, которую постулировал Эйнштейн в своей специальной теории относительности, о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Однако, согласно общей теории относительности Эйнштейна, при расширении космического пространства никаких ограничений скорости между двумя галактиками не существует. И сегодня, безусловно, имеются веские причины, дающие ученым основание полагать, что мы живем в золотой век космологии – науки, изучающей вопросы происхождения и эволюции Вселенной в целом.

Физика уже объяснила нам очень многое: красоту и хрупкость радуг, существование черных дыр, особенности движения планет, последствия взрыва звезд, причину увеличения скорости вращения фигуристки при опускании рук, причину невесомости астронавтов в космосе, формирование химических элементов во Вселенной, время рождения Вселенной, а также ответила на вопросы о том, как флейта создает музыку, как генерируется электричество, которое движет нашими телами и экономикой, каким был звук Большого взрыва. Физика позволила нам заглянуть и в наименьшие зоны субатомного мира, и в самые дальние уголки Вселенной.