Высокий и худой, одетый в голубую рабочую блузу с закатанными до локтей рукавами, брюки цвета хаки, сандалии и белые носки, профессор шагает туда-сюда в передней части лекционного зала, декламируя, жестикулируя и иногда ради усиления эффекта останавливаясь между длинными рядами классных досок и длинноногих лабораторных столов. Перед ним ряд за рядом возвышаются четыре сотни парт со студентами, которые время от времени ерзают на своих местах, однако глаза их словно прикованы к профессору; кажется, будто этот человек с огромным трудом сдерживает мощную энергию, пронизывающую все его тело. Высоким лбом, копной непослушных седых волос, очками и едва заметным европейским акцентом он довольно сильно напоминает дока Кристофера Ллойда Брауна из фильма «Назад в будущее» – такой же неугомонный, не от мира сего, слегка сумасшедший ученый-изобретатель.

Но это не гараж дока Брауна, а Массачусетский технологический институт (МТИ), самый известный технический университет США, возможно, даже мира, а лекцию сегодня читает профессор Уолтер Левин. Вот он останавливается и поворачивается к аудитории. «Итак, самое важное в любых измерениях – о чем, однако, не упоминается ни в одном учебнике физики для высшей школы, – профессор в негодовании широко разбрасывает руки с растопыренными пальцами, – это их неточность». Он делает паузу и пару шагов, давая студентам время, чтобы обдумать услышанное, затем останавливается и продолжает: «Любые измерения, которые вы делаете, без учета неточности попросту бессмысленны». Руки опять резко разлетаются в стороны, рассекая воздух для пущей выразительности. Очередная многозначительная пауза.

«Я буду повторять это вновь и вновь. Я хочу, чтобы вы услышали мои слова сегодня, проснувшись в три часа ночи». Он приставляет указательные пальцы к вискам и крутит ими, будто желая просверлить отверстия в своем мозге. «Любое измерение, которое вы сделаете, не помня о его неточности, абсолютно бессмысленно». Студенты смотрят на него в полном восторге.

Идет одиннадцатая минута первой лекции «Физика 8.01», видимо, самого знаменитого университетского вводного курса в физику во всем мире.

В декабре 2007 года New York Times поместила на первой полосе статью об Уолтере Левине, в которой назвала профессора «веб-звездой» МТИ, потому что его лекции по физике были доступны не только на сайте MITOpenCourseWare, но и на YouTube, iTunes U и Academic Earth. Лекции Левина МТИ разместил в интернете одними из первых, и, как показало время, это было очень мудрое решение. Девяносто четыре лекции – три полных курса плюс семь отдельных лекций – ежедневно прослушивают около трех тысяч человек, что значит миллионы просмотров в год. В числе их активных слушателей сам Билл Гейтс, который, по его собственному признанию – кстати, отправленному Уолтеру обычной почтой! – просмотрел весь курс 8.01, «Классическая механика», 8.02, «Электричество и магнетизм», и с нетерпением ждет 8.03, «Колебания и волны».

Слова «вы изменили мою жизнь» довольно часто встречаются в электронных письмах, которые профессор Левин получает каждый день от людей всех возрастов со всех уголков планеты. Стив, флорист из Сан-Диего, например, пишет: «В моей походке появилась новая пружина, и теперь я смотрю на жизнь глазами цвета физики». Мохаммед, студент из Туниса, сетует: «К сожалению, здесь, в моей стране, профессора, в отличие от вас, не видят в физике никакой красоты, и я от этого сильно страдаю. Они просто хотят научить нас решать типичные задачи, чтобы мы успешно сдали экзамен, и никогда не заглядывают дальше этого узкого горизонта». Иранец Сейед, уже получивший диплом магистра в двух американских университетах, признается: «Я никогда по-настоящему не радовался жизни, пока не узнал, как вы преподаете физику. Профессор Левин, вы действительно изменили мою жизнь. Ваше изложение предмета стоит в десятки раз больше, чем мы платим за обучение, и превращает НЕКОТОРЫХ, но не всех, преподавателей просто в кучку преступников. Потому что учить плохо – это преступление, за которое надо наказывать». Сиддхарт из Индии пишет: «Благодаря вам за всеми этими уравнениями я почувствовал физику. Ваши ученики, как и я, всегда будут помнить вас как очень-очень чуткого педагога, который сделал жизнь и учебу гораздо интереснее, чем они были в наших самых смелых мечтах».

Вышеупомянутый Мохаммед с энтузиазмом цитирует заключительную лекцию Левина по физике 8.01: «Надеюсь, вы всегда будете помнить из моих лекций то, что физика может быть невероятно интересной и красивой и что она повсюду, надо только научиться видеть и ценить ее красоту». Марджори, еще один фанат профессора, написала: «Я смотрю ваши лекции при любой возможности, иногда по пять раз в неделю. Я очарована вами, вашим чувством юмора, а больше всего – вашей способностью все доходчиво объяснять. В школе я ненавидела физику, но вы заставили меня полюбить ее».

Левин получает по несколько десятков таких писем каждую неделю, и на все он отвечает.

Знакомя слушателей с чудесами физики, Уолтер Левин творит волшебство. В чем же секрет профессора? «Я ввожу людей в их собственный мир, – говорит он, – мир, в котором они живут и который неплохо знают, хоть и не смотрят на него глазами физика… по крайней мере пока. Рассказывая, например, о волнах на воде, я прошу слушателей провести несколько экспериментов дома в ванной, чтобы они сами убедились, насколько тесно взаимодействуют с этим явлением. А еще с радугой. Именно за это я так сильно люблю физику: с ее помощью можно объяснить все что угодно. И это прекрасный, потрясающий опыт – и для моих слушателей, и для меня самого. Я прививаю своим студентам любовь к физике! Иногда, когда удается по-настоящему заинтересовать аудиторию, просто физически ее чувствуешь».

Во время лекции Левин может вскарабкаться на верхушку высоченной лестницы и потягивать клюквенный сок из стоящей на полу мензурки через длинную соломинку, составленную из лабораторных трубок. Порой он рискует получить серьезную травму, когда подставляет голову под довольно мощный удар небольшого, но весьма опасного груза, раскачивающегося в миллиметре от его подбородка. Он палит из винтовки по наполненным водой банкам из-под краски, пропускает через собственное тело электрический заряд в 300 тысяч вольт с помощью устройства под названием генератор Ван де Граафа, очень напоминающего прибор из лаборатории безумного ученого, героя научно-фантастического фильма, в результате его и без того растрепанные волосы просто встают дыбом. Профессориспользует собственное тело как элемент экспериментального оборудования, при этом он любит повторять: «В конце концов, наука требует жертв!» В ходе одной из таких демонстраций профессор забирается на крайне неудобный металлический шар, который привязан к концу веревки, подвешенной к потолку лекционного зала (он называет эту конструкцию матерью всех маятников), и качается взад-вперед, пока студенты хором ведут подсчет колебаний. И все это он делает ради того, чтобы наглядно показать им, что число колебаний любого маятника в любой заданный период времени не зависит от веса, привязанного к его концу.

Сын Уолтера Эммануил (Чак) Левин, посещавший лекции отца, вспоминает: «Однажды я видел, как он вдыхал гелий, чтобы изменить свой голос. Чтобы достичь нужного эффекта – ведь дьявол, как известно, кроется в деталях, – он чуть не довел себя до обморока». Опытный художник, истинный мастер мела и учебной доски, Левин с завидной легкостью рисует на ней геометрические фигуры, векторы, графики, астрономические явления и – животных. Его метод рисования пунктирных линий так сильно очаровал нескольких студентов, что они выложили на YouTube забавное видео под названием «Некоторые из лучших линий Уолтера Левина», состоящее из отрывков его лекций. В ролике профессор в разные моменты лекций курса 8.01 рисует на доске свои знаменитые пунктиры. (Вы можете посмотреть это видео по адресу www.youtube.com/watch?v=raurl4s0pjU.)

Впрочем, Уолтер Левин не только на удивление харизматичен и обладает даром всецело завладевать вниманием слушателей – он настоящий эксцентрик, буквально одержимый физикой. Например, профессор постоянно носит в бумажнике два поляризатора – устройства, позволяющие в любой момент увидеть, поляризован ли некий источник света, например голубое небо, радуга или отражение от окна, – и показать это любому человеку.

А как насчет синих рабочих блуз, в которых профессор приходит на лекции? Оказывается, они не такие уж простые. Один раз в несколько лет Левин заказывает десяток таких рубах у гонконгского портного, которые тот шьет из высококачественного хлопка по спецификации профессора. Нестандартного размера карман с левой стороны предназначен для календаря. И никаких карманных протекторов[1]: этот физик-актер-учитель явно имеет собственные постоянные предпочтения в моде. В связи с этим у многих, кто смотрит на Левина, возникает вполне резонный вопрос: интересно, а почему он носит брошь в виде пластиковой яичницы? Это странно для университетского профессора! Левин объясняет это очень просто: «Пусть уж лучше яичница будет у меня на рубашке, чем на лице»[2].

А что делает на левой руке профессора огромное кольцо с розовым плексигласом? А что это за серебристая штуковина прицеплена к его рубашке в районе пупка, на которую профессор украдкой поглядывает во время лекций?

Каждое утро, одеваясь, Левин выбирает что-нибудь из сорока колец, тридцати пяти брошей и десятков браслетов и ожерелий. Тут его вкусовые предпочтения колеблются от эклектики (кенийские браслеты из бисера, ожерелье из крупных кусков янтаря, пластиковые броши в виде разных фруктов) до античности (тяжелый серебряный туркменский браслет-манжета), от дорогих дизайнерских ювелирных изделий до простых и откровенно уморительных вещичек (например, ожерелье из лакричных конфет). «Я заметил, что студенты обращают на это внимание, – говорит он, – вот и решил надевать на каждую лекцию разные аксессуары. И конечно, я всегда делаю это, выступая перед детьми. Им очень нравится».

А что это за штуковина, похожая на зажим для галстука необычно большого размера, прикреплена к его рубашке? Оказывается, это специальные часы – подарок друга-художника – с перевернутым вверх тормашками циферблатом. Такое расположение позволяет профессору, глядя вниз, незаметно следить за временем.

Может показаться, что Левин – этакий классический рассеянный профессор. На самом деле он просто постоянно поглощен обдумыванием какого-то физического явления. Его жена Сьюзан Кауфман вспоминает: «Когда мы едем в Нью-Йорк, машину всегда веду я. Недавно вытаскиваю из бардачка карту – не помню уже, зачем, – и вижу на ее полях какие-то уравнения. Это Уолтер сделал во время нашей последней поездки – ему было скучно. Он думает о физике, о своих учениках и лекциях двадцать четыре часа в сутки».

По словам давнего друга Левина, историка архитектуры Нэнси Штибер, самая яркая черта его характера, пожалуй, «лазерно-точная направленность интереса. Он всегда так сильно поглощен тем, чем занимается в данный момент, что 90 процентов окружающего мира для него просто перестают существовать. Этот лазерный фокус исключает все малозначимые для Уолтера вещи. Он погружается в процесс так глубоко, что просто не видит ничего вокруг».

А еще профессор Левин – настоящий перфекционист: он фанатично одержим деталями. Он не только лучший в мире преподаватель физики, но и пионер в области рентгеновской астрономии. На протяжении двух десятилетий он создавал, тестировал и наблюдал за субатомными и астрономическими явлениями с помощью сверхчувствительного оборудования, предназначенного для сверхточных измерений рентгеновского излучения. Запуская в небо огромные сверхчувствительные аэростаты, плавно скользящие в верхних слоях атмосферы Земли, Левин одним из первых начал изучать экзотический зверинец астрономических явлений, например рентгеновские вспышки. Открытия, сделанные им и его коллегами в этой области, помогли снять завесу тайны с природы смерти звезд в результате взрывов массивных сверхновых и подтвердили, что черные дыры действительно существуют.

Опыт научил Уолтера Левина проверять и тестировать все по несколько раз, чем в значительной мере объясняется не только его впечатляющий успех в астрофизике, но и потрясающая четкость и ясность, с которыми он раскрывает величие законов Ньютона, а также объясняет, почему струны скрипки издают столь мелодичные звуки и почему человек, едущий в лифте, теряет и набирает вес, пусть и на очень короткое время.

Каждую новую лекцию Левин обязательно репетирует в пустой аудитории по меньшей мере трижды; последняя репетиция проходит в пять утра в день лекции. «Думаю, его лекции настолько результативны потому, что он тратит на их подготовку довольно много времени», – говорит астрофизик Дэвид Пули, бывший студент профессора и некогда его ассистент в аудитории.

Когда в 2002 году физический факультет МТИ номинировал Левина на престижную педагогическую премию, многие из его коллег отмечали именно эти качества профессора. Ярче всех опыт изучения физики у Левина описал Стивен Либ, в настоящем профессор электротехники и компьютерных наук лаборатории электромагнитных и электронных систем МТИ, который в 1984 году прослушал курс лекций профессора «Электричество и магнетизм». «Он ворвался на сцену, – вспоминает Либ, – схватил нас за мозги и прокатил на американских горках электромагнетизма. Я до сих пор помню те невероятные ощущения в затылке! В учебной аудитории он гений и непревзойденный изобретатель простых объяснений сложных идей».

Однажды Роберт Халсизер, коллега Левина по физфаку, попытался смонтировать отрывки из видеодемонстраций профессора в нечто вроде рекламного ролика для других университетов, но быстро понял невозможность этой затеи. «Его демонстрации настолько тесно вплетены в ткань повествования, включая кульминацию и развязку, что точно определить время их начала и конца просто нереально. Уолтер излагает учебный материал настолько богато и насыщенно, что его просто не удается разделить на составные части».

Больше всего в подходе Уолтера Левина к знакомству слушателей с чудесами физики потрясает тот безграничный восторг, с каким он рассказывает о магии окружающего мира. Его сын Чак с нежностью вспоминает, как отец всегда старался донести это ощущение душевного подъема до него и его братьев и сестер: «Он умел заставить нас восхищаться совершенно простыми вещами, постоянно помешивая эту смесь радости, удивления и ликования. Я имею в виду рассказы о невероятных событиях, центром которых он был, а мы чувствовали себя абсолютно счастливыми только оттого, что жили и находились рядом с ним сейчас. Однажды мы ездили на каникулы в штат Мэн. Погода, помнится, была не очень хорошая, и мы просто слонялись без дела, как поступают все дети, когда им скучно. И вдруг отец где-то нашел маленький мячик и совершенно спонтанно придумал любопытную игру. Через минуту к нам присоединились дети из соседних пляжных домиков. И вот нас было уже четверо, пятеро, шестеро… Мы бросали и ловили мяч и хохотали. Помню, я испытывал тогда абсолютный восторг и счастье. Если подумать, в жизни меня мотивировали именно такие моменты всеобъемлющей радости, четкое видение того, какой должна быть счастливая жизнь и что она может дать. И все это я знаю благодаря отцу».

Зимой Уолтер Левин придумывал для своих детей игры, основанные на проверке аэродинамических свойств бумажных самолетиков, запуская их в большой гостиной с открытым камином. «К ужасу мамы, – вспоминает Чак, – мы выхватывали их из огня, полные решимости в следующий раз выиграть соревнование».

Когда у Левиных бывали гости, Уолтер председательствовал в игре под названием «Путешествие на Луну». Чак рассказывает: «Мы приглушали в комнате свет и барабанили кулаками по столу, имитируя шум запуска ракетного двигателя. Некоторые дети даже залезали для этого под стол. Достигнув открытого космоса, мы переставали стучать, а как только прилунялись, начинали двигаться по гостиной огромными замедленными шагами, притворяясь, что на нас не действует сила земного притяжения. Кое-кто из гостей, должно быть, думал, что мы рехнулись. Но для нас, детей, это была настоящая фантастика! Путешествие на Луну!»

Вот уже более полувека Уолтер Левин отправляет своих студентов на Луну, начиная с того самого дня, как впервые вошел в учебную аудиторию. Навсегда очарованный тайной и красотой мироздания – от радуги и нейтронных звезд до бедренной кости мыши и волшебных звуков музыки, – вдохновленный стараниями ученых и художников, которые пытались и все еще пытаются объяснить и в самом выгодном свете представить людям окружающий мир, Уолтер Левин – один из самых страстных, преданных и искусных из ныне живущих научных гидов по этому миру. В следующих главах вы сами почувствуете, с какой страстью, преданностью и мастерством профессор делится с читателем любовью всей своей жизни – любовью к физике. В добрый путь!

Уоррен Гольдштейн

1. От ядра атома к открытому космосу

На самом деле это удивительно: отец моей матери был неграмотным сторожем, а я, всего два поколения спустя, стал штатным профессором Массачусетского технологического института. Я очень многим обязан голландской системе образования. Поступив в свое время в аспирантуру Технологического университета Делфта в Нидерландах, я одним выстрелом убил трех зайцев.

Для того чтобы заплатить за учебу, мне пришлось взять кредит у правительства Нидерландов на условиях ежегодного списания его пятой части в случае, если я буду преподавать полный рабочий день, то есть не менее двадцати часов в неделю. И я сразу же начал преподавать физику! Кроме того, преподавание освобождало меня от армии – еще одно преимущество! Военная служба, безусловно, стала бы для меня абсолютной катастрофой. Дело в том, что у меня «аллергия» на любые формы власти – таков уж я от природы! Я был уверен, что в этом случае все закончилось бы вечными пререканиями с командирами и, соответственно, постоянным мытьем полов. Я стал преподавать математику и физику полный рабочий день, по двадцать два часа в неделю, шестнадцати-семнадцатилетним ребятам в лицее Либанон в Роттердаме. И так я убивал своих трех зайцев: избегал армии, погашал кредит и получал ученую степень.

А еще я осваивал искусство преподавания. Возможность учить школьников казалась мне на редкость ценной: я всегда старался положительно влиять на их сознание, делать свои занятия интересными, даже забавными, хотя порядки в лицее, признаться, были довольно строгими. В верхней части двери каждого класса было сделано окошко, и время от времени кто-нибудь из школьного начальства подставлял стул и следил через него за учителями. Можете себе такое представить?

К счастью, мне удалось не погрязнуть в унылой школьной культуре. Энтузиазм бил из меня ключом, и я старался передать его ученикам, чтобы помочь им по-новому взглянуть на красоту окружающего мира. Иными словами, я хотел повлиять на их сознание таким образом, чтобы они оценили прекрасный мир физики и поняли, что физика повсюду, что она пронизывает всю нашу жизнь. И самое главное – я сам очень быстро понял, что важен не материал, который ты даешь, а тайны, которые им открываешь. Излагать перед классом учебную тему обычно довольно скучно, и ученики, конечно же, тоже чувствуют эту скуку. А вот если учитель при объяснении законов физики помогает им увидеть эти законы через формулы и уравнения, он демонстрирует им процесс научных открытий во всей его новизне и воодушевлении, и ребятам очень нравится быть частью этого.

Следует сказать, что я подходил к делу совершенно не так, как большинство учителей и как было принято в нашей школе. Каждый год школа спонсировала недельную поездку учителя с детьми в лагерь, расположенный на природе, далеко от города. Однажды мы с женой возили туда моих учеников, и нам там очень понравилось. Мы все вместе готовили еду и спали в палатках. А поскольку находились очень далеко от городских огней, то однажды мы разбудили детей посреди ночи, напоили горячим шоколадом и пошли смотреть на звезды. Мы показывали им планеты и созвездия, и ребята увидели Млечный Путь во всей его красе.

Я не изучал астрофизику в университете и не преподавал ее. Вообще-то я занимался разработкой научных экспериментов по выявлению некоторых самых мелких частиц во Вселенной, но астрономия всегда притягивала и очаровывала меня. По правде говоря, почти каждый физик хранит в душе любовь к астрономии. Многие мои нынешние коллеги во время учебы в школе создавали собственные телескопы. Например, мой давний друг и коллега по МТИ Джордж Кларкот, еще будучи школьником, отполировал с этой целью пятнадцатисантиметровое зеркало. Почему физики так любят астрономию, спросите вы. Во-первых, прогресс в физике – взять хоть теорию орбитального движения – часто достигается при изучении вопросов астрономии, в ходе наблюдений и разработки теорий. Кроме того, астрономия – это и есть физика, только в контексте увеличенного ночного неба. Все эти затмения, кометы, падающие звезды, шаровые скопления, нейтронные звезды, гамма-вспышки, струи, планетарные туманности, сверхновые звезды, скопления галактик, черные дыры.

Взгляните на небо и задайте себе самые простые вопросы: почему небо голубое, закаты красные, а облака белые? Физика ответит на них на все! Солнечный свет состоит из всех цветов радуги. Проделывая свой путь через земную атмосферу, он рассеивается во всех направлениях на молекулах воздуха и мельчайших частицах пыли, намного меньших по размеру, чем микрон, – длина, равная тысячной доле миллиметра. Это явление называется рассеянием Рэлея. Синяя часть спектра рассеивается сильнее других цветов, примерно в пять раз сильнее красной. Следовательно, когда вы смотрите на небо днем в любом направлении[3], преобладает голубой рассеянный цвет. Поэтому и небо голубое! А при взгляде на небо с Луны (возможно, вы видели фотографии) оно кажется не голубым, а черным, каким мы, земляне, видим его в ночное время. Почему? Да потому что на Луне нет атмосферы.

Почему закаты красного цвета? По той же причине, по которой небо голубое. Когда Солнце находится на уровне горизонта, его лучи проходят через более толстый слой атмосферы, в котором сильнее рассеиваются и отфильтровываются зеленая, синяя и фиолетовая части спектра. К тому времени, когда свет достигает наших глаз – и облаков над нашей головой, – он состоит в основном из желтого, оранжевого и особенно красного цветов. Вот почему иногда кажется, что небо на закате и восходе буквально пылает.

А почему облака белые? Дело в том, что капли воды в облаках намного крупнее крошечных частиц, делающих небо голубым, а когда свет рассеивается на этих гораздо более крупных частицах, все цвета в нем рассеиваются в равной степени и свет остается белым. Если же облако содержит большое количество влаги или находится в тени другого облака, то свет проходит плохо и облако кажется темным.

Одна из моих любимых демонстраций – создание в классе фрагмента голубого неба. Чтобы показать это, я выключаю свет в аудитории и направляю очень яркий прожектор белого света на потолок комнаты у доски. Прожектор тщательно отгорожен экранами. Затем я зажигаю несколько сигарет и держу их в световом пучке. Частицы дыма достаточно малы для получения эффекта рассеяния Рэлея, и, поскольку синяя часть спектра рассеивается сильнее, студенты видят синий дым. Далее начинается следующий этап демонстрации. Вдохнув дым сигареты, я удерживаю его в легких примерно минуту. Сделать это не всегда легко, но наука требует жертв. Затем я выдыхаю дым в световой луч, и студенты видят белый дым – я создал белое облако! Мельчайшие частицы дыма выросли в моих легких, потому что там много водяного пара. Теперь все цвета спектра рассеиваются одинаково, и рассеянный свет получается белым. Цвет дыма меняется, и это поистине удивительно!

С помощью этого примера я отвечаю сразу на два вопроса: почему небо голубое и почему облака белые? В сущности, есть еще и третий, весьма интересный вопрос о поляризации света, но к нему вернемся в главе 5.

В том лагере на природе я мог показать ученикам туманность Андромеды – единственную галактику, видную невооруженным глазом, потому что она находится на расстоянии всего 2,5 миллиона световых лет (около 24 миллионов триллионов километров) от Земли. По астрономическим меркам это сущие пустяки. Эта галактика состоит из почти 200 миллиардов звезд. Только представьте: 200 миллиардов звезд! А мы видим на небе нечто малюсенькое и нечеткое.

Тогда с ребятами мы наблюдали множество метеоритов, которые обычно называют падающими звездами. Если проявить терпение, то каждые четыре-пять минут можно увидеть один из них. В годы поездок в лагерь спутников у Земли еще не было, а теперь их множество. В настоящее время на орбите нашей планеты вращается более двух тысяч спутников. И если не отрывать взгляд от неба в течение хотя бы пяти минут, почти наверняка увидишь хоть один – особенно сразу после захода Солнца или перед восходом, когда светило еще не село или уже взошло для спутника и солнечный свет еще отражается от него и попадает в поле зрения. Чем более удален спутник и, соответственно, чем больше разница во времени между заходом Солнца на Земле и на спутнике, тем в более позднее ночное время его можно увидеть. Понять, что это спутник, можно по скорости его движения: он движется быстрее остальных небесных тел, за исключением метеоритов. Однако если он мигает, то, уж поверьте мне, это самолет.

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.

В работе с радиоактивными изотопами добиться нужной степени точности было очень сложно, но результаты, получаемые мной на протяжении трех-четырех лет, становились все лучше и лучше. После усовершенствования детекторов они начали выдавать очень точные данные. Я подтвердил теорию ядерного распада и опубликовал свои выводы, а итогом моей работы стала докторская диссертация. Особенно меня тешила мысль, что мои выводы были ясными, точными и убедительными, что, поверьте, бывает довольно редко. Зачастую в физике, как и в науке в целом, результаты неочевидны. Мне же посчастливилось прийти к твердому и однозначному выводу. Сложив этот пазл, я создал себя как физика, а также помог составить «карту» доселе неизведанной территории субатомного мира. Мне было всего двадцать девять, и я был счастлив оттого, что внес в науку весомый вклад. Конечно же, не каждому суждено стать автором фундаментальных научных открытий, таким как Ньютон или Эйнштейн, но в науке есть еще немало сфер, которые нуждаются в изучении.

Мне очень повезло: получение ученой степени совпало с новой эрой открытий в области природы Вселенной. Астрономы совершали новые открытия чуть ли не каждый год. Одни в поисках водяных паров изучали атмосферу Марса и Венеры. Другие обнаружили вокруг Земли кольца энергетически заряженных частиц, удерживаемые магнитным полем, – теперь мы зовем их поясами Ван Аллена. Третьи выявили огромные, мощнейшие источники радиоволн, известные сегодня как квазары – квазизвездные источники радиоизлучения. В 1965 году было открыто космическое микроволновое фоновое (реликтовое) излучение – следы энергии, высвободившейся после мощного взрыва, что служит убедительным доказательством теории Большого взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная. Прежде эта теория считалась неоднозначной и противоречивой. А вскоре после этого, в 1967 году, астрономы обнаружили еще и новую категорию звезд, названную пульсарами.

Конечно, я мог бы продолжать работать в области ядерной физики, ведь там в те времена происходили великие открытия. Работа исследователей в основном тяготела к охоте на стремительно растущий «зоопарк» субатомных частиц; самые главные из них сегодня называются кварками, и, как оказалось, они служат строительными блоками для протонов и нейтронов. Поведение кварков разнообразно и непредсказуемо, поэтому, чтобы классифицировать их, физики присвоили им определения, на научном жаргоне ароматы: верхний (up), нижний (down), странный (strange), очарованный (charm), самый верхний (top), самый нижний (bottom). Открытие кварков стало одним из тех прекрасных моментов в науке, когда чисто теоретическая идея подтверждается экспериментально. Сначала теоретики предсказали существование кварков, а затем экспериментаторам удалось их обнаружить. Эти частицы оказались весьма экзотическими и показали ученым, что материя в своих базовых основах неизмеримо сложнее, чем считалось раньше. Например, теперь нам известно, что протоны состоят из одного верхнего и одного нижнего кварка, удерживаемых вместе мощной ядерной силой в виде еще одних странных частиц – глюонов. Недавно теоретики подсчитали, что масса верхнего кварка составляет около 0,2 процента массы протона, а масса нижнего кварка – около 0,5 процента массы протона. Это вам не старое доброе ядро атома!

Я и сейчас уверен, что исследовать «зоопарк» субатомных частиц невероятно увлекательно, но, по счастливой случайности, приобретенные мной при измерении излучения ядра навыки чрезвычайно пригодились для исследования Вселенной. В 1965 году профессор Бруно Росси из МТИ пригласил меня работать в области рентгеновской астрономии, абсолютно новом в то время направлении, основанном им всего несколько лет назад, в 1959 году.

Приход в МТИ – лучшее, что могло со мной случиться в жизни. Работа Росси в области космических излучений уже тогда слыла легендой. Он возглавлял отдел в Лос-Аламосе во время войны и был первооткрывателем в сфере измерений солнечного ветра, или межпланетной плазмы. Поток заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем, заставляет хвосты комет держать направление, противоположное Солнцу, и позволяет нам видеть такое природное явление, как полярное сияние. Позже у профессора возникла идея заняться поиском рентгеновского излучения в космосе. Это были по-настоящему пионерские работы, ведь Росси понятия не имел, найдет он там что-то подобное или нет.

В те времена практически все самое интересное происходило в Массачусетском технологическом институте. Любая идея, если только вы могли убедить других в ее перспективности и выполнимости, получала в МТИ шанс на воплощение. Как же это отличалось от нидерландских университетов! В Университете Делфта, например, существовала строгая иерархия, к аспирантам здесь относились как к людям второго сорта. Так, у всех профессоров были ключи от входной двери лабораторного корпуса, а аспирантам выдавали только ключ от двери в подвал, где хранились велосипеды. Каждый поход через эти велосипедные хранилища неизменно напоминал нам о том, что мы здесь значим ноль без палочки.

Если же аспирант хотел остаться поработать после пяти часов вечера, ему нужно было заполнить форму – в тот же день и обязательно до четырех часов, – детально обосновав в ней причины задержки (а я оставался практически каждый день). Вся эта бюрократия была для молодых ученых настоящей мукой.

Вот вам история о нашем университете. Три профессора, руководившие нашей альма-матер, имели постоянные парковочные места у самого входа. Один из них, собственно мой начальник, в основном работал в Амстердаме и приезжал в Делфт только раз в неделю, по вторникам. Однажды я спросил его: «Можно мне воспользоваться вашим парковочным местом, когда вас нет в университете?» На что он ответил: «Конечно же нет!» А когда я все же припарковался на его месте, тут же по громкой университетской связи весьма убедительно мне приказали убрать машину. А вот другой случай. Поскольку за изотопами мне приходилось ездить в Амстердам, университет делал мне скидку в 25 центов за выпитую там чашку кофе и в 1,25 гульдена за съеденный там обед (по тем временам 1,25 гульдена – это примерно треть доллара США), но я был обязан представить чек на каждый расход. Как-то раз я спросил, нельзя ли прибавить 25 центов к сумме за обед и сдавать только один чек на 1,50 гульдена. В ответ на это заведующий кафедрой профессор Блэссе написал мне письмо, в котором говорилось, что если я хочу в командировках питаться в ресторанах для гурманов, то мне придется делать это за свой счет.

Так что можете себе представить, каким счастьем для меня стало приглашение в МТИ: я словно заново родился! Тут делалось все, чтобы поощрить сотрудника. Я сразу же получил ключ от главного входа и мог работать хоть круглые сутки. Для меня этот ключ фактически стал ключом ко всему. Глава факультета физики предложил мне штатную должность через полгода после прибытия в университет, в июне 1966 года. Я согласился и уже никуда оттуда не уходил.

Переход в МТИ так много значит для меня еще и потому, что я пережил ужасы Второй мировой войны. Нацисты убили половину моей семьи – с этой трагедией я до сих пор не свыкся. Очень-очень редко я говорю об этом, потому что это невыносимо тяжело, хотя прошло уже больше шестидесяти пяти лет. По сей день те события заставляют меня страдать. Когда мы с моей сестрой Беой вспоминаем об этом, то почти всегда плачем.

Я родился в 1936 году; когда 10 мая 1940 года немцы напали на Нидерланды, мне было всего четыре года. Одно из самых ранних моих воспоминаний о том, как все мы – родители моей матери, мама, папа, сестра и я – прятались в ванной комнате своего дома (Гаага, ул. Амандельстраат, 61); в страну входили гитлеровские войска. Мы прижимали к носам мокрые носовые платки, потому что жителей предупредили о вероятности газовой атаки.

Голландская полиция схватила моих бабушку и дедушку, Эмму Левин-Готтфельд и Густава Левина, в 1942 году. Примерно в это же время сестру моего отца Джулию, ее мужа Джейкоба (все звали его Дженно) и троих их детей, Отто, Руди и Эмми, погрузили на грузовики с чемоданами и отправили в Вестерборк, перевалочный лагерь в Голландии. Через это место по пути в другие лагеря прошли более ста тысяч евреев. Вскоре нацисты отправили моих бабушку и дедушку в Освенцим, на следующий же день после прибытия, 19 ноября 1942 года, они погибли в газовой камере. Им обоим было по семьдесят пять лет, и они не годились для работы в трудовых лагерях.

Вестерборк, как ни странно, казался курортом для евреев. Там даже показывали балет и работали магазины. Мама часто пекла картофельные оладьи, которые потом по почте отправляла нашим родственникам в Вестерборк.

Дядя Дженно был statenloos, или, как говорят голландцы, человек без гражданства, поэтому ему удавалось тянуть время и оставаться в Вестерборке с семьей целых пятнадцать месяцев, после чего нацисты все-таки разделили их и отправили в разные лагеря. Тетя Джулия и мои кузены Эмми и Руди сначала попали в женский концлагерь Равенсбрюк в Германии, а затем в Берген-Бельзен тоже в Германии, где и находились до самого конца войны. Тетя Джулия умерла через десять дней после освобождения лагеря союзниками, но Эмми и Руди выжили. Самого старшего двоюродного брата Отто тоже отправили в Равенсбрюк, в мужской лагерь, а ближе к концу войны, в апреле 1945 года, оказавшись в концлагере в Заксенхаузене, он пережил там ужасающий «марш смерти». Дядя Дженно попал в Бухенвальд, где был убит вместе с более чем пятьюдесятью пятью тысячами других узников.

Каждый раз во время просмотра фильма о холокосте – чего я довольно долго не мог делать – я проецирую происходящее на экране на свою семью. Вот почему мне ужасно тяжело смотреть фильм «Жизнь прекрасна»[4]. Трудно представить, как можно шутить о столь страшной вещи, как война. Мне до сих пор снятся кошмары: за мной гонятся нацисты, и иногда я просыпаюсь в холодном поту. А однажды мне даже приснилось, как нацисты меня казнят.

Мне бы очень хотелось однажды пройти от железнодорожного вокзала до газовых камер в Освенциме – последний путь моих бабушки и дедушки. Не знаю, решусь ли когда-нибудь на это, но, по-моему, это один из способов увековечить память о них. Возможно, такие вот маленькие жесты – все, что мы можем сделать в борьбе против столь уродливого явления, как нацизм. Это, да еще отказ забыть: я, например, никогда не говорю, что мои родные умерли в концентрационных лагерях, а всегда использую слово «были убиты», потому что нельзя позволять себе забывать правду.

Мой отец был евреем, но не мать, и как еврей, женившийся на нееврейке, он не сразу стал мишенью для нацистов, хотя это произошло достаточно быстро, уже в 1943 году. Помню, что он должен был носить на одежде желтую звезду. Ни мама, ни сестра, ни я ее не носили, а он носил. Мы не слишком обращали на это внимание, по крайней мере поначалу. Отец часто прикрывал ее одеждой, хотя это было запрещено. Во всем этом по-настоящему страшно было то, что постепенно он смирялся с нацистскими запретами и ограничениями, которые становились все жестче. Сначала евреям запретили пользоваться общественным транспортом. Потом бывать в общественных парках. Затем ходить в рестораны. Отец стал персоной нон грата в местах, которые посещал много лет! Какая же это невероятная вещь – способность человека приспосабливаться к любым обстоятельствам!

После того как евреям запретили пользоваться общественным транспортом, отец стал говорить: «Ну и ладно, часто ли я на нем езжу?» После запрета на посещение общественных парков, он сказал: «Ну и пусть, не так часто я туда и хожу». И когда он впервые не смог пойти в ресторан, мы услышали то же самое. Отец пытался сделать так, чтобы эти ужасные вещи казались обыденными, всего лишь незначительным неудобством – возможно, он делал это ради нас, детей, а может, и ради собственного спокойствия. Я не знаю.

Мне и сегодня чрезвычайно трудно об этом говорить. Откуда у людей эта способность видеть, как вода медленно поднимается, но не признавать, что со временем она может поглотить? Как можно было это видеть и в то же время не видеть? Для меня это непостижимо. Впрочем, в каком-то смысле это вполне понятно; не исключено, что в некоторых жизненных ситуациях самообман – единственный способ выжить.

Хотя нацисты сделали общественные парки недоступными для евреев, посещать кладбища отцу разрешалось. Я хорошо помню, как часто ходил с ним на близлежащее кладбище. Мы фантазировали о том, как и почему умерли похороненные там люди; бывало, например, четверо членов семьи умерли в один день. Я и сейчас иногда делаю это, гуляя в Кембридже по знаменитому кладбищу Маунт-Оберн.

Самым драматическим событием моего детства было внезапное исчезновение отца. Я очень хорошо помню тот день. Я пришел домой из школы и каким-то образом почувствовал, что он ушел. Мамы не было дома, и я спросил нашу няню Лени: «А где папа?» – и услышал в ответ слова, которые, очевидно, должны были меня обнадежить, но почему-то я сразу понял, что отец не вернется.

Моя сестра Беа видела, как он уходил, но рассказала мне об этом только много лет спустя. Мы все четверо в целях безопасности спали тогда в одной спальне, и в четыре часа утра она видела, как отец встал, сложил в сумку кое-какую одежду, поцеловал маму и ушел. Мама не знала, куда он идет, да и знать это было очень опасно, ведь если бы немцы пытали ее, она могла бы проговориться. Потом выяснилось, что его спрятали бойцы движения сопротивления. Со временем мы даже стали получать через них от него весточки, однако поначалу не знали, где он и жив ли. И это было ужасно.

В силу возраста я тогда еще не понимал, насколько глубоко повлияло отсутствие отца на маму. Мои родители еще до войны открыли у нас дома школу – что, без сомнения, сказалось на моей любви к преподаванию, – и мама изо всех сил старалась продолжать дело одна. У нее всегда была склонность к депрессии, и после того, как муж ушел, она страшно боялась, чтобы нас, детей, не отправили в концлагерь. Наверное, ей было по-настоящему страшно, потому что, как она призналась мне пятьдесят пять лет спустя, однажды вечером она приказала нам с Беа лечь спать на кухне, а сама заткнула шторами, одеялами и полотенцами щели в окнах и под дверями, чтобы не поступал воздух снаружи. Она собиралась включить газ, чтобы мы все тихо умерли во сне, но так и не решилась на это. Разве кто-то вправе винить ее за такие мысли? Во всяком случае, не мы с Беа.

Мне тоже было очень страшно. Наверное, это звучит смешно, но тогда я был единственным мужчиной в доме, хотя и семи лет от роду. В Гааге, где мы жили, на побережье было много наполовину разрушенных немцами домов, и я ходил туда воровать древесину (я хотел сказать «собирать», но это было самое настоящее воровство), чтобы топить печь и готовить еду.

Одежда из грубой, колючей, низкокачественной шерсти помогала нам согреться холодными зимами. С тех пор я не могу носить шерстяные вещи. Моя кожа настолько чувствительна, что приходится спать только на дорогущих хлопковых простынях. По этой же причине я заказываю очень тонкие хлопчатобумажные рубашки, которые не раздражают кожу. Моя дочь Полин утверждает, что я и сегодня, увидев на ней шерстяной свитер, стараюсь на нее не смотреть, так повлияла на меня война.

Отец вернулся домой еще до конца войны, осенью 1944-го. Члены нашей семьи рассказывают об этом разные истории. По известной мне версии дело было так: моя замечательная тетя Лаук, мамина сестра, однажды поехала в Амстердам, что примерно в 50 километрах от Гааги, и встретила там моего отца с другой женщиной! Проследив за ними, она увидела, как они вошли в дом. Чуть позже ей удалось выяснить, что отец живет там с этой женщиной.

Тетя сообщила об этом маме, и та, невзирая на пережитый шок от услышанного, взяла себя в руки, села на корабль и отправилась в Амстердам (поезда тогда не ходили). Там она прямиком направилась к дому отца, позвонила и заявила открывшей дверь женщине: «Я хочу поговорить со своим мужем». Женщина возразила: «Это я жена господина Левина». Но мама настаивала: «Позовите моего мужа». В итоге отец вышел, и она сказала ему: «Даю тебе пять минут, чтобы собраться и вернуться со мной домой, иначе ты получишь развод и больше никогда не увидишь своих детей». Через три минуты он спустился по лестнице с вещами, и они вместе вернулись в Гаагу.

В некотором смысле его возвращение усугубило положение, потому что все вокруг знали, что отец был евреем. Сопротивление сделало ему фальшивые документы на имя Яапа Хорзмана, и нам с сестрой приказали называть его дядей Яапом. Просто чудо – нам с Беа до сих пор это кажется непостижимым, – что никто из соседей не донес на отца. Знакомый плотник сделал на первом этаже нашего дома люк. В случае опасности мы его поднимали, и отец спускался вниз и прятался в подвальном помещении. Как ни удивительно, но отцу удалось избежать ареста.

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.

Мой друг и коллега Виктор Вайскопф, который к моему прибытию в МТИ уже по праву считался его старейшиной, написал книгу под замечательным названием The Privilege of Being a Physicist («Привилегия быть физиком»), весьма точно отражающим чувства, испытанные мной в тот момент, когда я оказался в центре одного из самых захватывающих периодов астрономических и астрофизических открытий с тех времен, как земляне впервые начали пристально всматриваться в ночное небо. Люди, с которыми я работал бок о бок в МТИ, изобретали потрясающе творческие и сложные методы, позволяющие им отвечать на самые фундаментальные научные вопросы. И это была моя безусловная привилегия – помогать расширять коллективные знания человечества о звездах и Вселенной и при этом вносить посильный вклад в то, чтобы несколько поколений молодых людей поняли и полюбили эту великолепную область науки.

С того дня, как изотопы впервые распались буквально в моих руках, я не перестаю восторгаться открытиями в физике, и старыми, и новыми; ее богатой историей и постоянно расширяющимися границами; тем, как она раз за разом открывает мне глаза на неожиданные чудеса окружающего мира. Для меня физика – эффективный способ увидеть мир, великое и будничное, огромное и сиюминутное и то, как красиво и тесно все в нем переплетено.

Именно в таком ключе я и стараюсь представить физику своим ученикам. По-моему, гораздо важнее помнить о красоте открытий, чем сосредоточиваться на сложных расчетах и формулах – в конце концов, большинство из них не собираются становиться физиками. Я делал и делаю все возможное, чтобы помочь им взглянуть на мир по-другому; начать задавать вопросы, которые они никогда и не думали задавать; увидеть радугу так, как они никогда не видели ее раньше; сфокусироваться на изысканной красоте физики, а не на скучных математических деталях. Цель этой книги – открыть вам глаза на замечательные способы, которыми физика открывает мир, показать ее удивительную элегантность и красоту.

2. Измерения, погрешности и звезды

Моя бабушка и Галилео Галилей

Физика по своей сути экспериментальная наука, и измерения и их погрешности лежат в основе каждого исследования и открытия. Даже величайшие теоретические прорывы в физике обычно имеют форму прогнозов относительно величин, которые поддаются измерению. Возьмем, например, второй закон Ньютона F = ma (сила равна массе, умноженной на ускорение), пожалуй, самое важное уравнение в физике; или, скажем, знаменитое Эйнштейновское E = mc (энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости свеа), самое известное уравнение в физике. А как еще физикам выражать взаимосвязи, если не через математические уравнения с участием разных измеримых величин, таких как плотность, вес, длина, заряд, гравитационное притяжение, температура или скорость?

Я признаю, что в данном случае могу быть несколько предвзятым, ведь мои исследования при написании докторской диссертации в основном сводились к различного типа высокоточным измерениям частиц ядерного распада, а мой вклад в развитие рентгеновской астрономии базировался на измерениях жесткого рентгеновского излучения из источников, расположенных в десятках тысяч световых лет от Земли. Однако я со всей ответственностью утверждаю: физика без измерений попросту бессмысленна. И что не менее важно, любые значимые измерения без учета их погрешности бессмысленны тоже.

Должен сказать, что мы постоянно живем с некоторой оглядкой на погрешность в разумных пределах. Когда банк сообщает вам, сколько денег на вашем счету, вы ожидаете погрешности не больше полкопейки. Приобретая одежду онлайн, покупатель рассчитывает, что ее размер будет отличаться от нужного весьма незначительно. Если пара штанов 34-го размера окажется меньше или больше всего на 3 процента, их размер в области талии изменится более чем на два сантиметра; в результате вы получите либо штаны 35-го размера, висящие у вас на бедрах, либо 33-го, что заставит вас недоумевать, как это вы умудрились так быстро и основательно поправиться.

Не менее важно, чтобы измерения выражались в правильных единицах. Возьмем, к примеру, неудачную одиннадцатилетнюю миссию НАСА Mars Climate Orbiter по исследованию марсианского климата, которая обошлась в 125 миллионов долларов и закончилась катастрофой из-за банальной путаницы в единицах измерений. Одна команда инженеров использовала метрические единицы, а другая английские, в итоге в сентябре 1999 года космический аппарат вместо того, чтобы выйти на стабильную орбиту, вошел в атмосферу Марса.

Мое безоговорочное признание решающей роли измерений в физике послужило одной из причин скептического отношения к теориям, которые нельзя проверить с помощью измерений. Возьмем теорию струн или ее, так сказать, усовершенствованную версию, теорию суперструн, то есть последнюю на сегодняшний день попытку теоретиков предложить «теорию всего». Физикам-теоретикам – а теорию струн выдвинули поистине блестящие ученые – еще предстоит разработать хотя бы один эксперимент, один прогноз, позволяющий проверить любое из положений теории струн. Увы, по крайней мере на текущий момент ничто в данной теории не может быть подтверждено либо опровергнуто экспериментально. Это означает, что пока что она не имеет предсказательной силы, в связи с чем некоторые физики, в том числе Шелдон Глэшоу из Гарварда, сомневаются, стоит ли вообще считать ее физической теорией.

Однако у теории струн немало поистине блестящих и весьма красноречивых сторонников. Один из них – Брайан Грин; его книга и одноименная программа PBS[8] The Elegant Universe («Элегантная Вселенная») (в них, кстати, входит краткое интервью с вашим покорным слугой) очаровательны и красивы. М-теория Эдварда Уиттена, объединившая пять различных теорий струн и настаивающая на наличии одиннадцати измерений пространства, из которых мы, существа низшего порядка, видим только три, также довольно непривычна и наталкивает на серьезные размышления.

Когда какая-то теория не подтверждается фактами, я вспоминаю свою бабушку, мамину маму, поистине великую женщину, которая имела в запасе множество замечательных поговорок и привычек, делавших ее, по сути, на редкость интуитивным ученым. Например, она часто говорила, что стоящий человек короче, чем лежащий. Я обожаю рассказывать об этом своим студентам. В первый же день занятий я объявляю им, что в память о своей бабушке намерен сейчас же проверить эту диковинную идею. Они, конечно же, полностью сбиты с толку. Я буквально читаю их мысли: «Стоя короче, чем лежа? Но это невозможно!»

Их недоверие вполне понятно. Конечно, даже если какая-то разница и существует, то она, несомненно, ничтожно мала. В конце концов, если бы она составляла, скажем, пару десятков сантиметров, мы бы это точно знали, не так ли? Просыпаетесь вы утром, встаете с постели и – бац – становитесь заметно ниже, на целых двадцать сантиметров. Но если разница составляет всего один миллиметр, вы ее, скорее всего, не заметите. Вот почему я исхожу из того, что если бабушка права, то разница, вероятно, не больше пары сантиметров.

Для проведения эксперимента мне в первую очередь необходимо убедить аудиторию в точности моих измерений. Поэтому я начинаю с измерения вертикально установленного алюминиевого стержня – его длина составляет 150,0 сантиметров – и прошу слушателей подтвердить, что я определенно способен измерить его с точностью до миллиметра. Итак, длина стержня в вертикальном положении 150,0 ± 0,1 см. Затем я измеряю его в горизонтальном положении и получаю 149,9 ± 0,1 см, что вполне согласуется – с учетом погрешности измерений – с результатом замера в вертикальном положении.

Чего же я добиваюсь, проделывая эти манипуляции? Многого! Во-первых, два измерения наглядно демонстрируют, что я в состоянии измерить длину объекта с точностью до 1 миллиметра. Не менее важно и то, что этим я хочу студентам доказать, что не мошенничаю и не пытаюсь их обмануть. Предположим, что я бы заранее приготовил специальную рулетку для горизонтальных замеров – это был бы очень нечестный, непорядочный поступок. Наглядно продемонстрировав аудитории, что длина алюминиевого стержня практически одинакова при обоих замерах, я тем самым подтверждаю свою репутацию и научную честность.

Затем я приглашаю добровольца из зала, измеряю его в стоячем положении и записываю число на доске – скажем, 185,2 см, конечно же, плюс-минус миллиметр с учетом погрешности. Потом помогаю парню улечься на мой стол, оснащенный специальным измерительным прибором, похожим на гигантскую деревянную мерку, которой пользуются обувщики; только я измеряю не ступню, а все тело. Попутно я отпускаю разные шуточки по поводу того, удобно ли добровольцу, шумно благодарю его за то, что он пошел на такую жертву ради науки, и так далее, в результате чего ему становится немного не по себе. Его мучает вопрос, что же я задумал? Я плотно прижимаю треугольный деревянный брусок к макушке парня, лежащего на столе, и пишу на доске второе число. Таким образом, у нас теперь есть два результата измерения, каждое с погрешностью в 1 мм. Итак, что же мы имеем?

Вы наверняка немало удивитесь, услышав, что полученные значения отличаются друг от друга примерно на 2,5 сантиметра, конечно, плюс-минус еще 2 миллиметра. Мне приходится сделать вывод, что мой подопечный действительно как минимум на 2,3 сантиметра выше в лежачем положении, чем в стоячем. Я возвращаюсь к лежащему на столе студенту, объявляю ему, что лежа он примерно на два с половиной сантиметра выше, чем стоя, и – это моя любимая часть – громко провозглашаю: «Моя бабушка была права! Она всегда оказывалась права!»

Вы по-прежнему настроены скептически? Что ж, получается, моя бабушка была проницательнее вас? Когда мы стоим, сила земного тяготения сдавливает мягкие ткани между позвонками нашего позвоночника, а когда ложимся, позвоночник расправляется. Если об этом знаешь, ситуация кажется очевидной, но многие ли об этом задумываются? На самом деле этот эффект не учли даже ученые из НАСА при подготовке первых полетов человека в космос. Астронавты жаловались, что их скафандры в космосе становились слишком тесными. Специальные исследования, проведенные позже, уже во время миссии Скайлэб, показали, что из шести измеренных астронавтов все шестеро в состоянии невесомости оказались примерно на 3 процента выше – при росте 182 сантиметра на 5,8 сантиметра. Теперь скафандры делают немного больше, с учетом этой особенности.

Ну что, убедились, насколько важны точные измерения? На той же лекции, на которой я доказываю правоту своей бабушки, я еще измеряю весьма странные объекты, чтобы проверить предположение великого Галилео Галилея, отца современной естественной науки и астрономии, который когда-то задался вопросом: «Почему самые крупные млекопитающие именно такого размера, а не намного больше?», от чего получаю море удовольствия. Сам Галилей полагал, что чересчур крупное млекопитающее было бы слишком тяжелым и его кости не выдержали бы веса и сломались. Когда я об этом прочитал, меня чрезвычайно заинтересовало, прав ли великий ученый. На интуитивном уровне его ответ казался верным, но я все же захотел проверить.

Я знал, что у млекопитающих львиная доля веса приходится на бедренные кости, и решил провести сравнительные замеры бедренных костей разных животных. Если Галилей прав, то бедренные кости супертяжелых млекопитающих будут недостаточно крепкими для поддержания их огромного веса. Конечно, я понимал, что крепость бедренной кости животного зависит от ее толщины. Более толстые кости могут поддерживать больший вес – это понятно на интуитивном уровне. Чем крупнее животное, тем толще должны быть кости.

Кроме того, очевидно, что чем больше размеры животного, тем длиннее его бедренная кость. Я понял, что смогу проверить идею Галилея, сравнивая длину и толщину бедренных костей млекопитающих разного размера и, соответственно, разного веса. На основании произведенных мной расчетов, которые слишком сложны, чтобы детально их здесь описывать (описание представлено в Приложении I), я пришел к выводу, что если Галилей прав, то толщина бедренных костей млекопитающих по мере увеличения их размеров должна расти быстрее, чем их длина. Я, например, подсчитал, что если одно животное в пять раз больше другого – и, соответственно, его бедренная кость в пять раз длиннее, – то эта кость должна быть примерно в одиннадцать раз толще.

А это означало бы, что в какой-то момент толщина бедренных костей сравнялась бы с их длиной, а то и превысила бы ее, что закономерно сделало бы тело млекопитающего непропорциональным и слишком неуклюжим. Такое животное, конечно же, не имело бы шансов на выживание, чем, скорее всего, и объясняется ограничение максимального размера существующих млекопитающих.

Словом, мое предположение, что толщина кости должна увеличиваться быстрее ее длины. Тут-то и началось самое интересное.

Я отправился в Гарвардский университет, где хранится прекрасная коллекция костей животных, и попросил показать мне бедренную кость енота и лошади. Оказывается, лошадь примерно в четыре раза больше енота, и, соответственно, ее бедренная кость (42,0 ± 0,5 см) почти в три с половиной раза больше кости енота (12,4 ± 0,3 см). Пока все шло как надо. Подставив эти числа в свою формулу, я рассчитал, что бедренная кость лошади должна быть примерно в шесть раз толще кости енота. Я измерил толщину костей (с погрешностью около 0,5 сантиметра для енота и 2 сантиметра для лошади) и выяснил, что лошадиная кость в пять раз толще, плюс-минус около 10 процентов. Пока все говорило в пользу теории Галилео Галилея. Однако я решил расширить тест, включив в него более мелких и более крупных млекопитающих.

Я опять отправился в Гарвард, где мне показали еще три кости: антилопы, опоссума и мыши. Вот как они выглядели (плюс кость лошади):

Ну разве это не прекрасно? Форма костей изменяется на удивление пропорционально; вы только поглядите, какая тоненькая и крошечная бедренная кость мыши! Малюсенькая и тонюсенькая бедренная косточка для малюсенькой мышки. Разве это не замечательно? Никогда не перестану поражаться красоте каждой детали матушки-природы.

Но как насчет результатов измерений, как они вписываются в мое уравнение? Произведенные расчеты повергли меня в шок, настоящий шок. Бедренная кость лошади оказалась примерно в 40 раз длиннее кости мыши и, согласно моим расчетам, в этом случае должна была быть более чем в 250 раз толще. А она была толще всего примерно в 70 раз.

И тут меня осенило: «А почему бы не попросить у них бедренную кость слона? Это помогло бы окончательно решить вопрос». Думаю, ребята в Гарварде были несколько раздражены, когда я явился к ним снова, но все же любезно выдали мне бедренную кость слона. К тому времени, я уверен, они просто хотели поскорее от меня избавиться! Поверьте, кость слона было очень трудно нести; она была длиннющая и, похоже, весила целую тонну. Я не мог дождаться момента, когда ее измерю, и не спал всю ночь.

И знаете, что я обнаружил? Бедренная кость мыши была 1,1 ± 0,05 см в длину и всего 0,7 ± 0,1 мм толщиной – действительно очень тонкая. Длина бедренной кости слона составляла 101 ± 1 см, то есть приблизительно в 100 раз длиннее кости мыши. А как насчет толщины? Измерив кость слона, я получил толщину 86 ± 4 мм, то есть примерно в 120 раз больше диаметра бедренной кости мыши. Однако, по моим расчетам, если Галилей прав, то бедренная кость слона должна была быть где-то в тысячу раз толще, чем у мыши. Иными словами, ее толщина должна составлять около 70 сантиметров. А на самом деле ее диаметр был где-то 9 сантиметров. В итоге мне пришлось признать, хоть и с крайней неохотой, что великий Галилео Галилей ошибался!

Измерение межзвездного пространства

Одной из областей физики, для которой измерения стали истинным проклятием, является астрономия. Измерения и их погрешность – огромная проблема для астрономов, в частности потому, что дело приходится иметь с мегарасстояниями. Как далеко находятся звезды от Земли? Ну, например, наша прекрасная соседка Андромеда? А как насчет галактик, которые мы можем видеть только в самые мощные телескопы? Насколько далеки от нас наиболее удаленные объекты в космосе, которые мы видим? Насколько вообще велика наша Вселенная?

Это лишь некоторые из самых фундаментальных и глубоких вопросов всего естествознания. И разные ответы на них буквально перевернули наше представление о Вселенной с ног на голову. В сущности, у такого дела, как оценка астрономических расстояний, вообще замечательная история. Через изменения в методиках расчета расстояний до звезд можно проследить эволюцию самой астрономии. И на каждом этапе полученные данные зависят от степени точности измерений, то есть используемого оборудования и изобретательности астрономов. Например, вплоть до конца XIX века единственными данными, с помощью которых астрономы могли производить расчеты, был так называемый параллакс.

Вы все сталкивались с этим явлением, хотя чаще всего и не знали об этом. Где бы вы сейчас ни сидели, оглянитесь вокруг и найдите участок стены с каким-то элементом: дверным проемом или висящей картиной. А если вы находитесь на улице, то какой-нибудь заметный элемент ландшафта, например большое дерево. Теперь вытяните прямо перед собой руку и поднимите один из пальцев так, чтобы он оказался с той или другой стороны от выбранного вами объекта. Теперь зажмурьте сначала правый глаз, а затем левый. Вы увидите, как ваш палец перепрыгнет слева направо по отношению к дверному проему или дереву. Теперь переместите палец ближе к глазам и проделайте все снова. Ваш палец сместится еще сильнее. Эффект огромен! Это и есть параллакс.

Все происходит из-за смены ракурса при наблюдении за объектом, в данном случае из-за перехода с линии зрения левого глаза на линию зрения правого (глаза человека расположены примерно в 6,5 сантиметра друг от друга).

Это и есть ключевая идея, лежащая в основе определения расстояний до звезд, только вместо 6,5 сантиметра, разделяющих наши глаза, в качестве базовой линии используется диаметр орбиты Земли (около 300 миллионов километров). По мере того как Земля обращается вокруг Солнца (по орбите с диаметром около 300 миллионов километров) в течение года, близлежащая звезда будет смещаться в небе относительно более удаленных звезд. Мы же раз в полгода измеряем угол в небе (угол параллакса) между двумя положениями этой звезды. Если произвести многократные измерения с полугодовым интервалом, получатся разные углы параллакса. На приведенном ниже рисунке я ради простоты примера выбрал звезду в плоскости орбиты Земли (так называемой орбитальной плоскости, или плоскости эклиптики), но описанный здесь принцип параллакса применим для любой звезды, а не только для звезд в плоскости эклиптики.

Предположим, вы наблюдаете звезду А в момент, когда Земля, двигаясь по орбите вокруг Солнца (С), находится в положении 1. В этом случае вы видите звезду проецируемой на фон (очень удаленный) в направлении A1. Если же вы наблюдаете ту же звезду шесть месяцев спустя (с позиции 7), то увидите ее в направлении A7. Угол, обозначенный как , наибольший из всех возможных углов параллакса. Если произвести аналогичные замеры с позиций 2 и 8, 3 и 9, 4 и 10, углы параллакса всегда будут меньше, чем . В гипотетическом варианте наблюдений из пунктов 4 и 10 (гипотетическом, потому что с позиции 10 звезду наблюдать невозможно, ибо мешает Солнце) угол параллакса вообще был бы равен нулю. А теперь посмотрите на треугольник, образуемый точками 1А7. Мы знаем, что расстояние 1–7 составляет 300 миллионов километров; нам также известно, что угол равен . Следовательно, теперь можно без труда рассчитать расстояние CA (математика уровня средней школы).

Несмотря на то что углы параллакса, измеренные в разные полугодовые периоды, отличаются друг от друга, астрономы говорят о конкретном параллаксе звезды, под которым подразумевают величину, равную половине самого большого угла параллакса. Так, если максимальный угол параллакса составляет 2,00 угловые секунды, то параллакс звезды будет равен 1,00 угловой секунде, а расстояние до нее в этом случае составит 3,26 световых года (хотя на самом деле звезд, столь близких к Земле, не существует). Чем меньше параллакс, тем больше расстояние. Если параллакс равен 0,10 угловой секунды, расстояние до нее будет 32,6 световых года. Самая близкая к Солнцу звезда – Проксима Центавра. Ее параллакс – 0,76 угловой секунды; таким образом, от Земли ее отделяет около 4,3 световых года.

Чтобы лучше понять, насколько малые изменения в положениях звезд приходится измерять астрономам, для начала следует разобраться, что же представляет собой угловая секунда. Представьте себе огромный круг, нарисованный в ночном небе через зенит (направление, указывающее непосредственно вверх) вокруг Земли. Поскольку это круг, то в нем, естественно, 360 градусов. Так вот, каждый градус делится на 60 угловых минут, а каждая угловая минута, в свою очередь, – на 60 угловых секунд. Таким образом, в полном круге 1 296 000 угловых секунд. Как видите, угловая секунда – величина крайне маленькая.

Вот еще один способ наглядно представить себе, насколько она мала. Если взять монету в десять центов и поместить ее примерно на расстоянии 3,5 километра от вас, то ее диаметр будет составлять одну угловую секунду. Или еще. Каждый астроном знает, что диаметр Луны равен около половины градуса, или 30 угловых минут. Это называется угловым размером Луны. Так вот, если бы вы умудрились нарезать Луну на 1800 одинаково тонких ломтиков, ширина каждого из них равнялась бы одной угловой секунде.

Учитывая, насколько малы размеры углов параллакса, которые должны измерять астрономы для определения расстояний до звезд, отлично понимаешь, как важна для них степень точности данных измерений.

По мере появления специального оборудования, позволяющего астрономам производить все более точные измерения, их оценки расстояний до звезд порой весьма существенно менялись. В начале XIX века Томас Хендерсон измерил параллакс самой яркой звезды на небе, Сириуса, и определил, что он равен 0,23 угловой секунды с погрешностью около четверти угловой секунды. Иными словами, по оценке Хендерсона, верхний предел параллакса Сириуса составляет около половины угловой секунды, а это означало, что данная звезда находится от нас не ближе чем на расстоянии 6,5 световых года. Для 1839 года это был очень важный вывод. Но спустя полвека Дэвид Гилл определил, что параллакс Сириуса равен 0,370 угловой секунды с погрешностью плюс-минус 0,010 угловой секунды. Измерения Гилла не противоречили данным Хендерсона, но были намного точнее, потому что их погрешность была в двадцать пять раз меньше. При параллаксе 0,370 ± 0,010 угловой секунды расстояние до Сириуса становится равным 8,81 ± 0,23 световых года, что существенно больше шести с половиной световых лет!

В 1990-е годы спутник для высокоточных определений параллаксов с названием (подозреваю, создатели долго с ним экспериментировали, пока не подогнали под имя древнегреческого астронома Гиппарха) Hipparcos (акроним от High Precision Parallax Collecting Satellite) измерил параллаксы более ста тысяч звезд (и, следовательно, расстояния до них) с относительной погрешностью всего около одной тысячной угловой секунды. Разве это не невероятно? Помните, как далеко должна находиться монетка, чтобы ее диаметр составлял одну угловую секунду? А чтобы он был равен тысячной доле угловой секунды, монетка должна находиться за 3,5 тысячи километров от наблюдателя.

Одной из звезд, параллакс которых измерили с помощью Hipparcos, был, конечно же, Сириус; аппарат получил результат 0,37921 ± 0,00158 угловой секунды, что дает нам расстояние до Сириуса, равное 8,601 ± 0,036 световых года.

До этого самые точные измерения параллакса из всех когда-либо сделанных были получены радиоастрономами в период с 1995-го по 1998 год для очень специфической звезды по имени SCO X-1. Я подробнее расскажу о ней в главе 10. Ученые получили результат 0,00036 ± 0,00004 угловые секунды, что означает расстояние 9,1 ± 0,9 тысячи световых лет.

Кроме погрешности, вызванной ограниченной точностью оборудования и лимитами доступного для наблюдений времени, следует упомянуть о еще одном кошмаре астрономии – «неизвестных/скрытых» погрешностях. Что, если вы делаете ошибку, даже не осознавая этого, потому что упускаете что-то важное или потому, что ваши инструменты неправильно выверены? Предположим, ваши весы в ванной комнате неверно откалиброваны и показывают значительно меньший, чем на самом деле, вес, причем вы их такими и купили. Вы обнаруживаете ошибку, только придя на прием к врачу – и с вами чуть не случается сердечный приступ. Мы называем такое явление систематической ошибкой, и она пугает нас до смерти. Я отнюдь не поклонник бывшего министра обороны Дональда Рамсфелда, но почувствовал к нему некоторое сочувствие, когда он на брифинге в 2002 году сказал: «Мы знаем, что есть вещи, которых мы не знаем. Но есть еще и неизвестное неизвестное – то, чего мы не знаем, оставаясь в неведении о том, что именно мы не знаем».

Проблемы, связанные с ограничениями астрономического оборудования, делают еще более удивительными достижения блестящего, но по большей части недооцененного женщины-астронома Генриетты Суон Ливитт. Ливитт занимала в Гарвардской обсерватории очень скромную должность, но в 1908 году начала работу, которая позволила совершить гигантский скачок в деле измерения расстояний до звезд.

Увы, такого рода вещи случаются в истории науки так часто, что данную ситуацию тоже следовало бы рассматривать как систематическую ошибку: когда научный мир недооценивает талант, интеллект и вклад женщин-ученых[9].

Занимаясь анализом тысяч фотографических пластин Малого Магелланова облака, Ливитт заметила, что в определенном классе больших пульсирующих звезд (ныне их называют переменными цефеидами) четко выражена зависимость между яркостью звезды в оптическом диапазоне и временем, которое ей требуется для одной полной пульсации, известным как период звезды. Ливитт обнаружила, что чем больше этот период, тем ярче звезда. Как мы с вами убедимся, это открытие распахнуло астрономам двери к точным измерениям расстояний до звездных скоплений и галактик.

Чтобы оценить это открытие по достоинству, сначала необходимо понять разницу между яркостью звезды в оптическом диапазоне и ее светимостью. Яркость – это количество энергии на квадратный метр на секунду света, достигающего Земли. Она измеряется с помощью оптических телескопов. А светимость – это количество энергии в секунду, излучаемой астрономическим объектом.

Возьмем, например, Венеру – обычно самый яркий объект на всем ночном небе, даже ярче Сириуса, который считается самой яркой звездой нашего небосвода. Венера находится достаточно близко к Земле и именно поэтому такая яркая, но у нее пракически отсутствует внутренняя светимость. Она излучает довольно мало энергии по сравнению с Сириусом – мощным горнилом, вдвое массивнее Солнца с примерно в двадцать пять раз большей светимостью. Светимость объекта многое говорит о нем астрономам, но проблема в том, что у нас не было надежного способа ее измерения. Яркость можно измерить, потому что она видима; светимость измерить невозможно. Для этого необходимо знать как яркость звезды, так и расстояние до нее.

Используя методику под названием статистический параллакс, Эйнар Герцшпрунг в 1913 году и Харлоу Шепли в 1918-м сумели преобразовать значения яркости, полученные Ливитт, в светимость. А предположив, что светимость цефеиды с заданным периодом в Малом Магеллановом облаке такая же, как и у цефеиды с тем же периодом в другом месте, они получили способ вычислить соотношение светимости всех цефеид (даже не входящих в Малое Магелланово облако). Я не буду подробно останавливаться на данном методе, поскольку это потребует довольно глубокого погружения в технические детали, но отмечу, что выявление взаимосвязи между светимостью и периодом звезды стало важнейшей вехой в деле измерения расстояний до звезд. Зная светимость звезды и ее яркость, вы можете вычислить, на каком расстоянии от Земли она находится.

Кстати, диапазон светимости цефеид довольно велик. У цефеиды с периодом в три дня светимость приблизительно в тысячу раз больше светимости Солнца, а при периоде в тридцать дней превышает данный показатель Солнца почти в тринадцать тысяч раз.

В 1923 году великий астроном Эдвин Хаббл обнаружил цефеиды в галактике Андромеды (также известной как M31), благодаря чему вычислил, что расстояние до нее составляет около 1 миллиона световых лет – результат, повергший в шок немало астрономов. Многие, в том числе Шепли, утверждали, что вся Вселенная, включая M31, входит в наш собственный Млечный Путь. Хаббл же показал, что на самом деле она практически невообразимо от нас далека. Но это еще не все – если выполнить поиск в интернете, то можно обнаружить, что галактика Андромеды находится от нас на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.

Это и есть яркий пример неизвестного неизвестного. При всей своей гениальности Хаббл допустил систематическую ошибку. Он основывал свои расчеты на известной светимости звезд, которые впоследствии стали называть цефеиды типа II, хотя на самом деле наблюдал разновидность цефеид с примерно в четыре раза большей светимостью, нежели думал (позже их назвали цефеиды типа I). Астрономы обнаружили разницу только в 1950-х годах и поняли, что измерения расстояний в предыдущие тридцать лет давали искаженный результат – имела место серьезная систематическая ошибка, из-за которой размер известной Вселенной был преувеличен в два раза.

В 2004 году, по-прежнему используя метод цефеид, астрономы измерили расстояние до галактики Андромеды, получив 2,51 ± 0,13 миллиона световых лет. В 2005-м другая группа ученых измерила это же расстояние с помощью метода двойных затменных звезд, получив результат 2,52 ± 0,14 миллиона световых лет, то есть около 24 квинтиллионов километров. Эти два измерения отлично согласуются друг с другом. Тем не менее погрешность составляет примерно 140 тысяч световых лет (около 1,3 10¹⁸ км). А ведь эта галактика по астрономическим стандартам – наш ближайший сосед. Представьте себе, какова тогда погрешность при измерении расстояний до других, более удаленных галактик.

Теперь вы понимаете, почему астрономы вечно охотятся за так называемыми стандартными свечами – объектами с известной светимостью. Они позволяют оценивать расстояния, применяя разные остроумные способы наподобие мерной рулетки для космоса. И они играли жизненно важную роль в создании того, что мы сегодня знаем как астрономическую лестницу расстояний.

Для измерения расстояний на первой ступеньке этой лестницы используется параллакс. Благодаря фантастически точным измерениям параллакса спутником Hipparcos мы можем с большой точностью измерять расстояния до объектов, удаленных от Земли на несколько тысяч световых лет. Далее идет следующая ступень – измерения с помощью цефеид, которые позволяют получить надежные оценки расстояний до объектов, удаленных от Земли до ста миллионов световых лет. На следующих ступеньках астрономы применяют ряд экзотических методов, слишком сложных с технической точки зрения, чтобы подробно их здесь описывать, многие из которых базируются на использовании стандартных свечей.

Задача измерения расстояний до небесных тел все больше и больше усложняется, ведь мы хотим измерять их все дальше и дальше от Земли. Это отчасти объясняется замечательным открытием, сделанным Эдвином Хабблом в 1925 году, согласно которому все галактики во Вселенной удаляются друг от друга. Данное открытие Хаббла – одно из самых шокирующих и значимых в астрономии и, возможно, во всей науке прошлого века; с ним может соперничать разве что теория естественного отбора Дарвина.

Хаббл заметил, что свет, излучаемый галактиками, указывает на явный сдвиг к менее энергетической, «красной» стороне спектра, где длина волн больше. В астрономии данное явление называется красным смещением. Чем оно больше, тем быстрее удаляется от нас галактика. На Земле этот эффект связан со звуком и известен как эффект Доплера; им объясняется, почему мы можем по звуку сирены без труда определить, например, приближается к нам машина скорой помощи или удаляется от нас (мы обсудим этот эффект более подробно в главе 13).

Хаббл обнаружил в отношении абсолютно всех галактик, красное смещение и расстояние до которых смог измерить, что чем дальше они находились, тем быстрее удалялись. Следовательно, Вселенная расширяется. Поистине величайшее открытие! Каждая галактика во Вселенной удаляется от любой другой галактики.

Это может привести к большой смысловой путанице в связи с расстояниями до галактик, удаленных на миллиарды световых лет. Что именно мы имеем в виду: расстояние в момент излучения света (скажем, 13 миллиардов лет назад) или расстояние в настоящий момент, когда объект за эти 13 миллиардов лет существенно отдалился от Земли? Один астроном скажет, что расстояние составляет около 13 миллиардов световых лет (это называется временем прохождения света), тогда как другой сообщит о расстоянии в 29 миллиардов световых лет до того же объекта (это называется сопутствующим расстоянием).

Выводы Хаббла с тех пор известны как закон Хаббла: скорость, с которой галактики удаляются от нас, прямо пропорциональна их расстоянию от нас. Чем дальше галактика, тем быстрее она мчится прочь.

Измерить скорость галактик было относительно легко – она непосредственно связана с величиной красного смещения. Но вот получить точные расстояния – совсем другое дело; это оказалось самой трудной частью задачи. Вы же помните, что при оценке расстояния до туманности Андромеды Хаббл ошибся в 2,5 раза. Он составил довольно простое уравнение v = H₀D, где v – скорость данной галактики, D – расстояние до нее от нас и Н₀ – константа, которую теперь принято называть постоянной Хаббла. По Хабблу она равна приблизительно 500 километров в секунду на мегапарсек (1 мегапарсек – 3,26 миллиона световых лет). Погрешность этой постоянной – около 10 процентов. Стало быть, по Хабблу, если галактика находится в 5 мегапарсеках от Земли, то ее скорость по отношению к нам составляет около 2500 километров в секунду.

Сегодня утверждение, что Вселенная быстро расширяется, не подлежит сомнению. Но открытие Хаббла этим не ограничивалось. Зная значение постоянной Хаббла, можно было отвести часы назад и определить время, прошедшее с момента Большого взрыва, и таким образом вычислить возраст Вселенной. Сам Хаббл оценивал его приблизительно в 2 миллиарда лет, что явно конфликтовало с данными о возрасте Земли, который, по подсчетам геологов – современников астронома, составлял никак не менее 3 миллиардов лет. Этот факт чрезвычайно беспокоил Хаббла, и небезосновательно. Конечно, он не знал о целом ряде совершенных им систематических ошибок. Мало того что он иногда путал разные типы переменных цефеид, он также ошбочно принимал облака газа, в которых формировались звезды, за яркие звезды из удаленных галактик.

Чтобы по достоинству оценить результаты восьмидесятилетнего прогресса в деле измерения расстояний до звезд, достаточно вспомнить историю самой постоянной Хаббла. Астрономы пытаются уточнить ее значение на протяжении вот уже почти столетия. Это привело не только к семикратному уменьшению данной константы, что резко увеличило размеры Вселенной, но и к изменению возраста Вселенной с исходных 2 миллиардов лет по Хабблу до почти 14 миллиардов лет по текущей оценке, точнее говоря, 13,75 ± 0,11 миллиарда лет. В конце концов, основываясь на дальнейших наблюдениях (частично с помощью потрясающего орбитального телескопа, носящего имя Хаббла), мы смогли прийти к согласию, что постоянная Хаббла составляет 70,4 ± 1,4 километра в секунду на мегапарсек. Погрешность – всего 2 процента, что действительно невероятно!

Просто подумайте об этом. Измерения по принципу параллакса, применяемые с 1838 года, послужили фундаментом для разработки новых инструментов и математических методов, позволяющих преодолеть миллиарды световых лет и достичь самого края наблюдаемой Вселенной.

Впрочем, несмотря на поистине потрясающий прогресс в решении подобных астрономических загадок, еще предстоит разгадать очень много тайн. Мы научились измерять долю темной материи и темной энергии во Вселенной, но понятия не имеем, что это такое. Мы знаем возраст Вселенной, но все еще задаемся вопросом, конечна ли она. Мы весьма точно измеряем гравитационное притяжение, электромагнетизм и ядерные силы, но понятия не имеем, будут ли они когда-либо объединены в единую теорию. У нас также нет ни малейшего представления о том, каковы шансы на существование какой-либо разумной жизни в нашей собственной или какой-либо другой галактике. Таким образом, нам еще предстоит долгий путь. Тем не менее просто удивительно, сколько ответов нам уже дали инструменты физики, как сильно они помогли астрономам достичь столь высокой степени точности измерений межзвездного пространства.

3. Движущиеся тела

Попробуйте провести один любопытный эксперимент. Встаньте на весы в ванной комнате – но не на те новомодные, которые установлены в кабинете врача, и не на те, что со стеклянным цифровым табло, на которое надо нажать пальцем ноги для включения, а на старые добрые обычные весы для ванной. Не имеет значения, будете вы в обуви или босиком (вам ни на кого не нужно производить впечатления), какие цифры покажут весы и насколько эти цифры вам понравятся. Встали? Теперь быстро поднимитесь на цыпочки и задержитесь в этом положении. Вы увидите, что весы, похоже, немного сошли с ума. Возможно, чтобы четко понять, что происходит, вам придется проделать это несколько раз, потому что все происходит довольно стремительно.

Сначала стрелка прыгает вверх, верно? Затем движется вниз и устанавливается на показателе вашего веса, где и была до этого, хотя на некоторых весах она (или цифра на цифровой панели) может немного колебаться, прежде чем стабилизируется. Когда вы опуститесь на пятки, особенно если сделаете это резко, стрелка сперва пойдет вниз, потом проскочит вверх мимо вашего веса и в итоге опять замрет на показателе, который вам, возможно, приятно видеть (а может, вы предпочли бы оставаться в неведении). Что все это значит? В конце концов, вы же весите одинаково независимо от того, встаете на цыпочки или опускаетесь на пятки, не так ли? Или нет?

Чтобы это выяснить, нам (хотите верьте, хотите нет) потребуется помощь самого сэра Исаака Ньютона, моего кандидата на звание величайшего физика всех времен и народов. Некоторые из моих коллег с этим не согласны, да и вы, вероятно, отдаете предпочтение Альберту Эйнштейну, тем не менее никто не сомневается в том, что Эйнштейн и Ньютон возглавляют этот рейтинг. Почему я голосую за Ньютона? Потому что его открытия одновременно и фундаментальны, и чрезвычайно разнообразны. Он исследовал природу света и разработал теорию цвета. Для изучения движения планет он построил первый рефлекторный телескоп, ставший настоящим прорывом по сравнению с используемым до этого рефракторным телескопом, и даже сегодня почти все крупные телескопы строятся на базовых принципах конструкции Ньютона. Изучая свойства движения жидкостей, он основал новую большую область физики, и ему удалось вычислить скорость звука (он ошибся примерно на 15 процентов). Ньютон даже изобрел новую отрасль математики: математический анализ. Но, на наше счастье, нам вовсе не обязательно прибегать к сложным вычислениям, чтобы оценить величайшие открытия ученого, известные всему миру как законы Ньютона. Надеюсь, что в этой главе я покажу вам всю их масштабность и значимость.

Три закона движения Ньютона

Первый закон Ньютона гласит: если на тело не действуют другие тела (либо действие этих тел компенсируется), то оно, будучи в состоянии покоя, так и остается в этом состоянии, а тело, пребывающее в движении, продолжает движение в том же направлении и с той же скоростью. Сам Ньютон формулировал это так: «Тело в состоянии покоя сохраняет это состояние, а тело в равномерном движении по прямой линии движется с той же скоростью в прежнем направлении, если только его не вынуждают изменить данное состояние прилагаемые к нему силы». Это закон инерции.

Концепция инерции нам всем отлично знакома, но если задуматься, понимаешь, что, по сути, она противоречит здравому смыслу. Сегодня мы принимаем этот закон как нечто само собой разумеющееся, даже несмотря на то, что часто он идет вразрез с нашим повседневным опытом. В конце концов, в реальном мире тела крайне редко движутся по прямой линии и обычно не продолжают двигаться до бесконечности. Мы ожидаем, что в какой-то момент они непременно остановятся. Ни один игрок в гольф никогда не сформулировал бы закона инерции, потому что только после крайне редких ударов мячик движется строго по прямой и очень часто останавливается, так и не докатившись до вожделенной лунки. Интуитивной была и остается совершенно противоположная идея, что тела от природы стремятся к состоянию покоя, доминировавшая в западном мышлении на протяжении тысячелетий, вплоть до появления революционного закона Ньютона.

Ньютон перевернул наше понимание движения объектов с ног на голову, объяснив, что мячик для гольфа часто останавливается, не докатившись до лунки, из-за того, что его движение замедляет сила трения; а Луна не уносится в космос, продолжая кружить вокруг Земли, потому что ее удерживает на орбите сила земного притяжения.

Чтобы оценить реальность инерции на более интуитивном уровне, вспомните, как трудно, катаясь на коньках, сделать поворот в конце катка – ваше тело упрямо стремится вперед, и вам надо точно рассчитать, какую силу применить к конькам и при каком угле наклона, чтобы успешно развернуться и поехать в другую сторону, а не свалиться на лед или не врезаться в ограждение. Если вы лыжник, подумайте о том, насколько проблематично быстро изменить курс, чтобы избежать столкновения с другим лыжником, вдруг оказавшимся на вашем пути. Причина, по которой мы гораздо чаще замечаем инерцию в подобных случаях, нежели в обычной повседневной жизни, заключается в том, что в обеих ситуациях сила трения, которая в нормальных условиях эффективно замедляет наши движения и помогает без труда изменить направление, очень мала. Только представьте, что бы произошло, если бы поле для гольфа было ледяным, – вы бы сразу увидели, что мяч без трения может двигаться вперед очень-очень далеко, намного дальше, чем на обычном покрытии.

А теперь обсудим, насколько революционной была эта идея Ньютона. Мало того что она перевернула прежние представления о движущихся телах, она еще указала путь к открытию множества постоянно действующих на нас невидимых сил, таких как силы трения, силы тяжести, магнитные и электрические силы. Вклад Ньютона настолько важен, что единица силы в физике названа его именем. Но великий ученый не только позволил нам «увидеть» эти скрытые силы, но и показал, как их измерить.

Своим вторым законом Ньютон обеспечил нас удивительно простым, но очень полезным инструментом для расчета сил. По мнению некоторых людей, знаменитое F = ma – самое важное уравнение всей физики. Формулирую словами: результирующая сила, действующая на тело (F), равна его массе (m), умноженной на его ускорение (а).

Чтобы наглядно увидеть всего один из многочисленных примеров, объясняющих, почему эта формула очень полезна в повседневной жизни, рассмотрим рентгеновский аппарат. Согласитесь, определить точный диапазон энергий рентгеновских лучей при использовании этого оборудования чрезвычайно, жизненно важно. Вот как нам помогает в этом уравнение Ньютона.

Один из главных выводов в физике (мы подробнее обсудим его чуть позже) заключается в том, что на заряженную частицу (скажем, электрон, протон или ион), помещенную в электрическое поле, действует определенная сила. Если нам известен заряд частицы и напряженность электрического поля, можно вычислить действующую на нее электрическую силу. А зная ее, мы с помощью второго закона Ньютона можем вычислить ускорение частицы[10].

Электроны в рентгеновском аппарате, прежде чем ударить по намеченной цели, ускоряются внутри рентгеновской трубки. Скорость, с которой они ударяют в цель, определяет диапазон производимых при этом энергий рентгеновского излучения. Изменение напряженности электрического поля позволяет изменить ускорение электронов. Таким образом, скоростью, с которой электроны ударяют в цель, можно управлять, выбирая нужный диапазон энергий рентгеновского излучения.

Страницы:

Читать бесплатно другие книги:

Королевство шипов и роз

Маас Сара

Могла ли знать девятнадцатилетняя Фейра, что огромный волк, убитый девушкой на охоте, – на самом дел...

Некоторые вопросы теории катастроф

Пессл Мариша

Дебютный роман от автора «Ночного кино» – пожалуй, одного из самых удивительных бестселлеров последн...

Страна мечты

Савин Владислав

«Страна мечты» – одиннадцатая книга цикла «Морской волк», продолжение истории с попаданием в 1942 го...

Один момент, одно утро

Райнер Сара

Семь утра, поезд из Брайтона в Лондон. Все как обычно, люди украдкой наблюдают друг за другом, впере...

Капитализм. Незнакомый идеал

Рэнд Айн

Айн Рэнд (1905–982) – наша бывшая соотечественница, крупнейшая американская писательница, чьи книги ...

Дарэт Ветродув. Том 1. Орден ликвидаторов

Смолин Александр

Легендарный герой древности Азар однажды уже запечатал адские полчища глубоко под землей в Преисподн...