Поиск по сайту
Проект публикации книги «Познай самого себя»
Узнать, насколько это интересно. Принять участие.

Короткий адрес страницы: fornit.ru/7174

Этот материал взят из источника: http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433180/Strakh_fiziki_Glava_iz_knigi
Список основных тематических статей >>
Этот документ использован в разделе: "Теории мироздания"Распечатать
Добавить в личную закладку.

Страх физики Лоуренс КРАУСС

О физике — простым языком. Книга написана для людей, мало или совсем не знакомых с этой наукой, но желающих разобраться в самых сложных хитросплетениях современных научных теорий. Главы из книги.

Полная версия книги в формате pdf, а здесь - несколько первых глав.

Глава 1. Ищите там, где светло

Если единственный инструмент, который у вас есть, это молоток,
то вы невольно начинаете рассматривать все окружающие предметы как гвозди.

Однажды некий миллиардер пригласил биолога, математика и физика и дал им задание за год разработать методику определения победителя на скачках, пообещав за успешное решение задачи миллион долларов.

Первым принес результаты своих изысканий биолог:

— Мне необходимо знать полную родословную лошади, успехи ее родителей, рацион питания, перенесенные заболевания, и тогда я смогу точно назвать максимальную скорость, которую она способна развить на ипподроме.

Следующим пришел математик:

— Имея точные статистические данные предыдущих забегов этих лошадей, я могу вычислить матожидание результата любого последующего.

Так и не дождавшись результатов физика, миллиардер решил позвонить ему сам.

— Задача пока далека от окончательного решения, — ответил физик, — мне необходимо еще десять лет, пятьдесят миллионов долларов, команда аспирантов и экспериментальная лаборатория. Но я уже построил модель движения сферического коня в вакууме...

Этот бородатый анекдот если и не смешной, то прекрасно иллюстрирующий, как большинство физиков представляют себе — метафорически — картину мира. Набор инструментов, при помощи которых физикам приходится описывать природу, ограничен.

Большинство современных теорий, о которых вы, вероятно, читали, начинали свою жизнь в виде простых моделей, придуманных учеными, размышлявшими, как еще можно решить стоящую перед ними задачу. Эти простые модели были основаны на еще более простых моделях, которые, в свою очередь, базировались на еще более простых, и так далее, поскольку количество классов уравнений, имеющих точное решение, можно сосчитать по пальцам одной, ну хорошо — двух рук. Большинство физиков следуют тому же правилу, которое позволяет голливудским продюсерам приумножать свои капиталы: эксплуатируйте это, пока оно работает, а потом сделайте ремейк и эксплуатируйте дальше.

Анекдот про сферического коня в вакууме мне нравится еще и тем, что он отражает один очень важный императив работы ученого, которому обычно редко уделяется внимание в научно-популярной литературе: прежде чем начинать заниматься какой-то проблемой, необходимо абстрагироваться от всех несущественных деталей!

В приведенном императиве — два оператива: абстрагирование и удаление несущественных деталей. Отделение существенных деталей от несущественных является первым шагом в построении любой модели, и каждый из нас подсознательно занимается этим в обычной жизни с момента рождения. Ученые отличаются от обычных людей тем, что делают это сознательно. Преодоление естественного желания не отбрасывать несущественную информацию, вероятно, наиболее важный и сложный аспект изучения физики. К тому же то, что является несущественным в одной ситуации, может оказаться очень даже существенным в другой — все зависит от того, что в данный момент интересует ученого. И это приводит нас ко второй составляющей императива: абстракции.

Из всех вариантов абстрактного мышления наиболее сложным в физике является выбор способа подступиться к проблеме. Даже для простого описания равномерного прямолинейного движения — первого крупного прорыва в физике — требуется настолько сильно абстрагироваться от повседневного житейского опыта, что многие великие мыслители прошлого не сумели прийти к этому, казалось бы, простому результату, впервые полученному только Галилеем. Но об этом я расскажу позже, а сейчас вернемся к нашим коням.

Представьте себе, что это конь:

Сферический конь

Теперь представьте себе суперконя, во всем идентичного обычному коню, но имеющего вдвое больший диаметр:

Суперконь и обычный конь

Чем отличаются эти кони? Можем ли мы сказать, что суперконь вдвое больше обычного коня? Суперконь имеет вдвое больший диаметр, значит ли это, что он сам вдвое больше? Например, во сколько раз вес суперконя превосходит вес обычного коня? Если оба коня сделаны из одного и того же материала, то логично предположить, что их вес будет пропорционален количеству материала, пошедшему на их изготовление. А количество материала пропорционально объему коня. Для тел сложной формы определить объем зачастую затруднительно, но для сферы это простая школьная задача. Возможно, вы еще не забыли формулу объема шара: \(V = (4\pi/3) r^3\). Но мы не знаем точного значения объема каждого из коней, мы можем вычислить только их отношение. Объем обычно измеряется в кубических метрах, кубических сантиметрах, кубических километрах, даже в кубических футах или дюймах — для нас не так важны сами единицы измерения, как то, что они — кубические. Это означает, что объем пропорционален кубу линейного размера. Если диаметр шара увеличить в 2 раза, его объем увеличится в 2 ? 2 ? 2 = 8 раз. Значит, суперконь должен весить в 8 раз больше, чем обычный конь. А что, если мы захотим сшить для коня пальто? Насколько больше материала потребуется на пальто для суперконя, чем на пальто для обычного коня? Количество материала должно быть пропорционально площади поверхности коня. Если диаметр коня увеличивается в 2 раза, то площадь, измеряемая в квадратных метрах, километрах, сантиметрах, футах, дюймах, — увеличится пропорционально квадрату линейного размера, то есть в 2 ? 2 = 4 раза.

Итак, конь, размер которого в 2 раза больше, имеет в 8 раз больший вес и в 4 раза большую площадь шкуры, которая удерживает вместе все его внутренности. Получается, что шкура коня, который имеет вдвое больший размер, испытывает вдвое большее давление со стороны внутренних органов. Значит, если мы будем увеличивать размер нашего сферического коня, то в какой-то момент прочность шкуры окажется недостаточной, чтобы удерживать увеличивающийся вес внутренних органов, и коня разорвет. Мы только что получили очень важный результат: предел размера коня определяется не искусством селекционера и не биологическими законами, а законами физики.

Закон масштабирования, пример которого мы только что рассмотрели, не зависит от формы масштабируемого тела, поэтому мы ничего не потеряли, представив коня в виде сферы. Если бы я попытался вычислить объем настоящего коня и выяснить, как изменится его вес и площадь шкуры при увеличении линейных размеров, я получил бы точно такой же результат, только потратил бы на это неизмеримо больше времени и сил. Поэтому при исследовании данной задачи сферический конь — это совершенно оправданная абстракция.

Теперь рассмотрим более приближенную к реальности аппроксимацию коня. Изобразим его в виде двух сфер, соединенных штангой:

Конь в виде двух сфер, соединенных штангой

Конь в виде двух сфер, соединенных штангой

Все, что мы говорили о масштабировании, остается в силе не только для коня целиком, но и для его отдельных частей. Например, голова суперконя будет весить в 8 раз больше, чем голова обычного коня. Теперь посмотрим на шею, представленную штангой. Прочность этой штанги пропорциональна ее сечению — очевидно, что более толстая штанга будет более прочной, чем более тонкая. При увеличении диаметра штанги в 2 раза площадь ее сечения увеличивается в 4 раза. Но смотрите: вес головы суперконя в 8 раз больше веса головы обычного коня, а прочность шеи — только в 4 раза. Таким образом, если мы будем увеличивать размеры коня, то в какой-то момент его штанга, то есть шея, переломится под весом его головы. Этим объясняется, почему головы гигантских динозавров были так непропорционально малы по сравнению с их туловищами и почему животные с большими по сравнению с их туловищами головами, такие как дельфины и киты, живут в воде: сила Архимеда компенсирует вес их тел, и требования к прочности существенно смягчаются.

Теперь мы понимаем, почему физик из анекдота не посоветовал бизнесмену попросту вырастить суперконя, который бы и победил на скачках. Даже используя такую простую абстракцию, как сферический конь, физик смог вывести ряд важных следствий относительно возможных размеров наземных млекопитающих, потому что принципы масштабирования физических объектов не зависят от их формы.

Используя наш простой пример, можно сделать еще много интересных выводов, но вернемся к Галилею. Самым важным среди его достижений следует считать созданное 400 лет назад описание движения — прекрасный пример абстрагирования от несущественных деталей.

Одним из наиболее очевидных результатов наивного наблюдения за окружающим миром является, на первый взгляд, очевидный вывод, что общее описание движения невозможно, потому что все тела движутся по-разному. Перо нежно порхает по ветру, в то время как камень стремительно падает вниз. Шары для боулинга, практически не меняя своей скорости, прямолинейно катятся по настилу, а газонокосилка ни за что не поедет, пока не заведешь мотор. Галилей пришел к выводу, что это наиболее очевидное свойство движения в реальном мире является наименее существенным для понимания его сути.

Маршалл Маклюэн мог бы сказать, что среда есть сообщение, однако Галилей значительно раньше обнаружил, что среда только мешает получать точные экспериментальные данные. Философы до Галилея утверждали, что среда играет важную роль в движении, что движение без среды невозможно, но Галилей убедительно показал, что суть движения может быть понята лишь путем устранения влияния среды: «Каким образом не замечаете вы совершенно очевидных и часто встречающихся явлений, когда из двух тел, движущихся в воде, одно перемещается, например, во сто раз быстрее другого, тогда как при падении в воздухе скорость одного превышает скорость другого едва ли на одну сотую долю? Так, мраморное яйцо опускается в воде в сто раз быстрее куриного яйца; при падении же в воздухе с высоты двадцати локтей оно опережает куриное яйцо едва ли на четыре пальца»1.

Основываясь на этом рассуждении, Галилей пришел к правильному выводу о том, что если мы полностью удалим среду, то все тела будут падать совершенно одинаково. Кроме того, он приготовил ответ на критику тех, кто не был готов к его абстрагированию от несущественных деталей для обнажения существенных: «Я не хотел бы, чтобы вы поступали как многие другие, отклоняя беседу от главного вопроса, и придирались к выражению, в котором я допустил отклонение от действительности на один волосок, желая скрыть за этой небольшой погрешностью ошибку другого, грубую, как якорный канат»2.

Аристотель, по утверждению Галилея, сосредоточивал свое внимание не на сходстве в движении объектов, а на различиях, которые объясняются влиянием среды. С позиции Галилея, идеальный мир, в котором среда полностью отсутствует, и является тем самым «отклонением от действительности на один волосок».

После достижения указанного уровня абстракции все остальное оказывается очень простым: Галилей утверждал, что если убрать все внешние силы, действующие на тело, то предоставленное само себе, оно будет продолжать движение вдоль прямой линии c постоянной скоростью, независимо от того, как оно двигалось ранее.

В качестве примера ситуации, когда среда оказывает на движущееся тело очень слабое влияние, Галилей приводил скользящий по льду тяжелый камень: его движение остается прямолинейным, а скорость более-менее постоянной. Аристотель же считал, что естественным состоянием всех тел является состояние покоя, потому что он не сумел абстрагироваться от влияния среды.

Чем так важен вышеприведенный вывод Галилея? Он стирает различия между телом, которое движется равномерно, и телом, которое покоится. Движущиеся и покоящиеся тела идентичны в том, что они будут продолжать соответственно двигаться или покоиться до тех пор, пока на них не подействует внешняя сила. Единственное различие между движущимся и покоящимся телом — это величина скорости. Но постоянная скорость математически ничем не отличается от нулевой, ведь ноль — это точно такое же вещественное число, как и все остальные, не лучше и не хуже.

Это наблюдение позволило Галилею перенести свое внимание с положений объектов в пространстве на изменение их положений, то есть на скорость их перемещения. Если вы признаете, что в отсутствие каких-либо сил тело будет двигаться прямолинейно и с постоянной скоростью, то вам останется один маленький шаг (ну и, возможно, в придачу еще ум Ньютона), чтобы догадаться, что причиной изменения скорости тела является приложенная к нему внешняя сила. А если сила будет непостоянной во времени, то и скорость тела будет изменяться не монотонно. Об этом нам и говорит закон Ньютона. Вооружившись этим законом, можно понять законы движения всех окружающих тел и характер всех сил в природе — это те вещи, которые стоят за всеми изменениями во Вселенной, и они могут быть изучены: с этого момента натурфилософия превращается в современную физику. Но для того чтобы прийти к упомянутому закону, Ньютону понадобилось, подобно Галилею, отбросить несущественные детали и оставить только то, что действительно важно, а именно характер изменения скорости тела.

К сожалению, в попытках максимально подробно изучить какой-нибудь предмет или проблему мы часто упускаем что-нибудь важное и зацикливаемся на второстепенном. Если примеры Галилея и Аристотеля кажутся вам слишком далекими, рассмотрим более близкую к нам ситуацию. Один мой родственник вместе с несколькими своими знакомыми — все они имели высшее образование, а один из них даже был учителем физики — вложили более миллиона долларов в проект по разработке нового двигателя, единственным источником энергии которого должно было быть гравитационное поле Земли. Движимые мечтами о преодолении мирового энергетического кризиса, уходе от зависимости от иностранной нефти и возможности сказочно разбогатеть, они убеждали себя в том, что машина обязательно заработает, нужно только приложить еще немного усилий и потратить еще немного денег.

Эти люди, разумеется, не были настолько наивными, чтобы считать, что можно получить что-то из ничего. Они не подозревали, что вкладывают деньги в очередной вечный двигатель. Они предполагали, что этот двигатель каким-то образом будет извлекать энергию из гравитационного поля. Устройство имело такое огромное количество шестерней, шкивов и рычагов, что инвесторы были не в состоянии ни прояснить себе принцип действия машины, ни понять особенностей ее конструкции. Во время демонстрации после освобождения тормоза главный маховик машины начинал вращаться, постепенно набирая обороты, и продолжал свое вращение в течение всего времени демонстрации. Это казалось инвесторам очень убедительным.

Несмотря на чрезвычайную сложность деталей машины, если абстрагироваться от всего несущественного и второстепенного, можно понять, почему такая машина не должна работать. Рассмотрим принципиальную схему прототипа описанной машины, приведенную на рисунке. Я изобразил начальное и конечное положение механизма, ведь как бы ни была сложна машина, рано или поздно все вращающиеся и движущиеся части должны оказаться в том же самом положении, в котором они были в момент запуска, и вечно работающая машина должна проходить через это состояние бесконечное количество раз.

Итак, рано или поздно механизм должен пройти через такое положение, когда каждый рычаг, каждый шкив, каждая гайка, каждый болт окажутся в точности на том же месте и в том же положении, что и в начальный момент. То есть ничто не сдвинулось, ничего не упало, ничего не испарилось.

Попытка разобрать принцип работы этой машины с инженерной точки зрения упирается в необходимость учета движения огромного количества деталей и действующих на них сил. Рассмотрение же с физической точки зрения предлагает вместо этого сосредоточиться на главном. Заключим всю конструкцию в черный ящик, или, если хотите, в черную сферу и оставим только одно простое требование: если что-то производит работу, то энергия, необходимая для этой работы, должна быть извлечена изнутри этого чего-то или получена извне. Но если за полный цикл внутри ничего не изменилось, то и энергии взяться неоткуда!

Но откуда мы узнаем, что важно, а что нет, приступая к решению задачи? Как правило, ниоткуда. Все, что нам остается, это идти вперед и надеяться на то, что выбранный нами путь — верный, а полученные в конце его результаты будут иметь смысл. Как любил повторять Ричард Фейнман, «К черту торпеды, полный вперед!»3

Предположим, к примеру, что мы хотим понять внутреннее устройство Солнца. Для того чтобы обеспечить наблюдаемую светимость солнечной поверхности, в его горячих и плотных недрах должна выделяться энергия, эквивалентная ежесекундному взрыву сотни миллиардов водородных бомб! Невозможно даже представить себе, как подступиться к задаче точного расчета всех чудовищных турбулентных процессов, происходящих внутри Солнца. Однако, к счастью для нас, солнечная печь бесперебойно и спокойно функционирует на протяжении миллиардов лет, из чего мы можем предположить, что происходящие внутри Солнца процессы хорошо сбалансированы. Простейшее альтернативное и, что более важно, поддающееся аналитическому исследованию решение базируется на предположении, что недра Солнца находятся в состоянии гидростатического равновесия. Это означает, что ядерные реакции, протекающие внутри Солнца, выделяют такое количество энергии, которое достаточно для разогрева солнечного вещества до температуры, приводящей к такому давлению, которое способно уравновесить вес вышележащих слоев солнечного вещества, не давая им рухнуть вниз под действием силы тяжести. Если Солнце немного сжимается, температура и давление в его недрах растут, что приводит к ускорению ядерных реакций, выделению дополнительного количества энергии, еще больше разогревающей солнечные недра, что приводит к еще дальнейшему росту температуры, увеличению давления и расширению Солнца. Аналогично, если Солнце немного расширится, его ядро охладится, ядерные реакции замедлятся, температура ядра упадет еще больше, и это приведет к сжатию Солнца до прежнего размера. Таким способом Солнце автоматически поддерживает скорость ядерных реакций на определенном уровне в течение длительного промежутка времени. В каком-то смысле Солнце работает подобно поршню в двигателе вашего автомобиля, когда вы едете по шоссе с постоянной скоростью.

Однако одного этого предположения еще недостаточно, чтобы построить численную модель внутреннего устройства Солнца. Следует сделать дополнительные упрощающие предположения. Во-первых, будем считать Солнце шаром. В частности, это означает, что Солнце обладает сферической симметрией, то есть в каком бы направлении из центра Солнца мы ни двинулись, мы всегда будем наблюдать одни и те же изменения состояния солнечного вещества. Его свойства — химический состав, плотность, давление и температура — будут зависеть только от расстояния от центра, но не от направления. Во-вторых, мы пренебрежем влиянием множества других факторов, которые могут сильно усложнить расчет, например исключим из рассмотрения магнитные поля.

В отличие от предположения о гидростатическом равновесии, перечисленные в предыдущем абзаце предположения не следуют из основных физических законов. Более того, мы знаем из наблюдений, что Солнце вращается вокруг своей оси, что на его поверхности имеются темные образования, называемые солнечными пятнами, что разные части солнечной поверхности обращаются с разной скоростью и что количество солнечных пятен меняется циклически с периодом около одиннадцати лет. Но мы игнорируем все эти сложности, потому что, с одной стороны, они, прошу прощения за тавтологию, сильно осложняют расчеты, а с другой стороны — выглядит вполне правдоподобным предположение, что кинетическая энергия вращения Солнца и процессы, происходящие на солнечной поверхности, играют очень незначительную роль в общем энерговыделении Солнца, и их можно без зазрения совести отбросить в свете нашей задачи.

Но насколько хорошо работает эта модель? Лучше, чем мы могли бы ожидать. Она предсказывает размеры Солнца, температуру его поверхности, светимость и возраст с очень хорошей точностью. Более того, подобно хрустальному бокалу, вибрирующему, когда вы водите мокрым пальцем по его краю, или Земле, колеблющейся, когда где-то в ее коре происходит землетрясение, Солнце тоже испытывает колебания, возбуждаемые происходящими в его недрах процессами. Эти колебания приводят к периодическим движениям поверхности Солнца, которые можно наблюдать с Земли, и их частота и амплитуда могут многое рассказать нам о строении солнечных недр, подобно тому как сейсмические колебания в земной коре позволяют нам обнаруживать залежи полезных ископаемых или нефтяные месторождения. Стандартная солнечная модель — модель, основанная на перечисленных выше предположениях, — более-менее точно предсказывает частотный спектр наблюдаемых колебаний солнечной поверхности.

Таким образом, представление Солнца в виде сферического газового шара в вакууме дает нам модель, которая оказывается весьма близкой к реально наблюдаемой картине. Но существует одна проблема. Помимо света и тепла, идущие внутри Солнца ядерные реакции производят и множество других вещей, наиболее интересными из которых являются элементарные частицы, называемые нейтрино. Эти частицы имеют важное отличие от частиц, из которых состоит обычное вещество: они настолько слабо взаимодействуют с ним, что большинство нейтрино пролетают сквозь всю толщу Солнца и сквозь всю толщу Земли, даже не замечая ее.

За то время, в течение которого вы читали предыдущее предложение, сквозь ваше тело пролетело порядка триллиона нейтрино, рожденных в раскаленных солнечных недрах. Причем неважно, днем или ночью вы читаете эти строки, поскольку толща Земли, как я уже сказал, не является для нейтрино сколько-нибудь заметным препятствием. Предсказанные в 1930-х годах нейтрино сегодня играют очень важную роль в нашем понимании природы. Но солнечные нейтрино поставили ученых в тупик.

Стандартная солнечная модель, так замечательно предсказывающая все основные наблюдательные характеристики Солнца, позволяет нам вычислить, какое количество нейтрино, рождаемых в недрах Солнца, должно достигать земной поверхности. И хотя вы, возможно, подумали, что этих неуловимых тварей невозможно обнаружить, ученые все-таки научились их регистрировать. Для этого были построены огромные подземные лаборатории, в которых экспериментаторы сутками напролет терпеливо ждут, когда одно из множества нейтрино будет обнаружено детектором. Такие детекторы называются нейтринными телескопами. Первый из них был построен в глубокой шахте в штате Южная Дакота. Приемником нейтринного излучения в нем служил горизонтальный цилиндрический бак длиной около 14 метров, содержащий примерно 400 000 литров перхлорэтилена. В редких случаях один из атомов хлора в этом объеме под действием нейтрино превращался в атом аргона, что давало возможность оценить число летящих к нам от Солнца нейтрино. После двадцати пяти лет исследований было обнаружено, что количество регистрируемых нейтрино в 3–4 раза меньше, чем предсказывает Стандартная солнечная модель.

Вашей первой реакцией на это сообщение может быть пожимание плечами — зачем так много шума из ничего. Предсказание результатов, которые по порядку величины согласуются с экспериментами, уже можно рассматривать как большой успех, поскольку эти предсказания опираются на довольно грубые предположения об устройстве солнечной печи.

И действительно, многие физики восприняли это всего лишь как свидетельство того, что по крайней мере одно из принятых приближений является слишком грубым. Другие, прежде всего те, кто участвовал в разработке Стандартной солнечной модели, утверждали, что это крайне мало вероятно, поскольку во всех остальных предсказаниях модель демонстрировала прекрасное согласие с наблюдениями.

В 1990-х годах, однако, ученые провели серию героических экспериментов, которые наконец раскрыли эту тайну. Первая серия экспериментов проводилась на гигантском подземном детекторе, содержавшем 50 000 тонн воды. Этот детектор позволял обнаруживать достаточно много нейтрино, чтобы с очень высокой точностью подтвердить, что поток нейтрино, идущий от Солнца, действительно меньше, чем ожидалось.

Затем в Садбери в Канаде был построен подземный детектор нового поколения, в котором вместо обычной воды использовалась тяжелая. Я не упомянул, что все предыдущие нейтринные детекторы были способны регистрировать только один тип нейтрино — электронный. А в природе существует три типа этих элементарных частиц: электронные, мюонные и тау-лептонные. Но поскольку в ходе ядерных реакций внутри Солнца генерируются только электронные нейтрино, считалось логичным именно их и ловить в первую очередь.

Одним из возможных путей решения проблемы солнечных нейтрино могло бы стать предположение, что электронные нейтрино, рождаемые в недрах Солнца, за время своего пути к Земле каким-то образом превращаются в нейтрино других типов. Это потребовало бы привлечения для объяснения новых физических процессов, не описываемых теорией, известной как Стандартная модель физики элементарных частиц, в частности это потребовало бы, чтобы нейтрино, считавшиеся до этого безмассовыми, имели очень небольшую массу. В этом случае часть электронных нейтрино должна превращаться в нейтрино других типов, и количество регистрируемых на Земле электронных нейтрино окажется меньше, чем их исходное количество, рожденное в центре Солнца.

Детектор на тяжелой воде был в состоянии одновременно обнаруживать электронные, мюонные и тау-лептонные нейтрино. И вот, когда пыль улеглась и были подсчитаны все пойманные типы нейтрино, оказалось, что общее количество нейтрино, прилетающих от Солнца, в точности соответствует предсказаниям Стандартной солнечной модели! Так были открыты нейтринные осцилляции, массы нейтрино, а несколько счастливых физиков получили Нобелевскую премию. В очередной раз модель сферического коня в вакууме, только на этот раз — коня Гелиоса, оказалась мощным инструментом изучения природы.

Мы можем попытаться распространить представление о Солнце как о сферическом газовом шаре в вакууме и на другие звезды, более крупные, более мелкие, более старые, более молодые. В частности, простая модель гидростатического равновесия дает нам грубое представление об изменениях, которые происходят в звездах на протяжении их жизни. Например, в какой-то момент рождения звезды, когда она формируется из сжимающегося облака межзвездного газа, в ней «включаются» термоядерные реакции, и она начинает светить за счет собственного источника энергии. Если звезда слишком мала, гравитационной энергии сжимающегося газового облака может оказаться недостаточно для достижения температуры, при которой включаются реакции синтеза. В этом случае звезда никогда не загорится. Примером такой «недозвезды» является Юпитер. Однако для массивных газовых облаков процесс сжатия продолжается до включения ядерных реакций, и выделяемое ими тепло повышает температуру звездных недр, что создает дополнительное давление, останавливающее сжатие и стабилизирующее звезду. В конце жизни звезды водород, служащий топливом для ядерных реакций, начинает истощаться, равновесие нарушается, и звезда снова сжимается, пока температура в ее ядре не достигнет значений, при которых становится возможным новый набор реакций, топливом для которых служит образовавшийся на предыдущем этапе гелий.

Для многих звезд этот процесс повторяется несколько раз: каждый раз, когда истощается очередной элемент, служивший топливом для ядерных реакций, ядро звезды опять сжимается, поднимая температуру и запуская новый набор реакций синтеза. В то время как внешние слои звезды раздуваются до невероятных размеров, превращая звезду в красный гигант, ядро становится все горячее и плотнее, пока почти все его вещество не превратится в железо. На этом все заканчивается, потому что железо не может служить топливом для ядерных реакций, идущих с высвобождением энергии. Протоны и нейтроны ядер железа так сильно связаны друг с другом, что преобразовать его в ядро другого элемента можно, лишь затратив энергию. Что происходит после этого? Одно из двух: либо звезда медленно умирает, освобождаясь от распухшей внешней оболочки и превращаясь в белый карлик, либо происходит одно из самых грандиозных событий во Вселенной — звезда взрывается!

Взрывающаяся звезда, или сверхновая, выделяет в короткий промежуток такое количество энергии, что светит как вся галактика, ярче ста миллиардов обычных звезд. За секунды до начала взрыва звезда, спокойно «дожигающая» остатки ядерного горючего, внезапно выходит из состояния гидростатического равновесия. В какой-то момент генерация энергии оказывается недостаточной, чтобы поддерживать температуру, необходимую для создания давления, сдерживающего вес вышележащих слоев, и они начинают падать на ядро звезды, которое к этому времени имеет массу, сравнимую с массой Солнца, а размер — порядка размера Земли. Это ядро, в свою очередь, менее чем за секунду сжимается до размера порядка 10 километров. Его плотность достигает гигантских значений — одна чайная ложка такого вещества весит тысячи тонн. Еще более важно, что при таких плотностях атомы железа переходят в совершенно новое, нейтронное, состояние. Ядро как будто бы внезапно застывает, «схватывается», подобно затвердевшему клею. Падающее на ядро вещество отскакивает от него и порождает мощную ударную волну, распространяющуюся наружу и раздувающую оболочку звезды, которая и видна нам как сверхновая.

Эта модель коллапса ядра и последующего взрыва звезды была построена в течение десятилетий кропотливой работы физиков и математиков, после того как Чандрасекар в 1939 году впервые предположил возможность подобного катастрофического сценария. И все это не более чем развитие простой идеи гидростатического равновесия, которое, как мы считаем, определяет структуру Солнца. Еще без малого пятьдесят лет после работ Чандрасекара описания процессов, приводящих к взрыву сверхновой, оставались чистой воды теоретическими спекуляциями. Даже когда астрономы научились наблюдать вспышки сверхновых в других галактиках, все их наблюдения сводились только к изучению видимого оптического излучения сбрасываемой оболочки и не позволяли непосредственно увидеть то, что происходит внутри звезды.

Все изменилось 23 февраля 1987 года. В этот день взорвалась сверхновая в Большом Магеллановом Облаке — карликовой галактике, являющейся спутником нашей звездной системы, находящейся от нас на расстоянии около 150 000 световых лет. Это была самая близкая к нам сверхновая, вспыхнувшая за последние четыре столетия. Впервые было экспериментально подтверждено, что оптический фейерверк — это лишь верхушка айсберга. Энергия в тысячи раз большая, чем наблюдается в оптическом диапазоне, уносится — возможно, вы уже догадались — почти неуловимыми нейтрино. Я говорю «почти», поскольку, несмотря на то что нейтрино свободно пролетают через толщу Земли, все же очень редко они взаимодействуют с веществом и попадаются в наши детекторы.

Можно подсчитать, что плотность потока нейтрино от взрыва далекой сверхновой такова, что каждый миллионный житель Земли, если бы в нужное время сидел в абсолютной темноте, увидел бы вспышку света, возникшую из-за того, что нейтрино провзаимодействовал с одним из атомов в его глазу.

К счастью, нам нет нужды зависеть от случайных свидетелей вспышек в их глазах. У нас есть два гигантских технических нейтринных глаза — два крупных детектора, каждый из которых содержит более 1000 тонн воды, расположенных глубоко под землей на противоположных сторонах земного шара. В каждом из резервуаров этих детекторов в кромешной темноте за объемом воды наблюдают тысячи чувствительных фотодатчиков, и вот 23 февраля, в течение 10 секунд в обоих детекторах синхронно были зафиксированы 19 нейтринных событий. Вам это может показаться мелочью, но это именно то количество нейтринных событий, которые, согласно предсказаниям теоретиков, должны были бы зафиксировать детекторы при вспышке сверхновой на другой стороне нашей Галактики. Кроме того, время прилета этих нейтрино и их энергия оказались в прекрасном согласии с теорией.

Всякий раз, когда я думаю об этом, я не перестаю удивляться. Эти нейтрино были рождены непосредственно в сверхплотных недрах коллапсирующего ядра звезды. Они несут нам прямую информацию об этих решающих секундах, в течение которых происходит коллапс. И они говорят нам, что теория, описывающая гравитационный коллапс, построенная задолго до получения первых эмпирических подтверждений, базирующаяся на все том же гидростатическом равновесии, которое отвечает за внутреннее устройство Солнца, полностью согласуется с новейшими наблюдательными данными о взрывах сверхновых. Уверенность в нашей простой модели позволила нам понять, как происходит один из самых экзотических и феерических процессов в природе.

Я приведу еще один пример замечательной предсказательной силы приближения Солнца в виде сферы. Несмотря на то что мы разгадали загадку солнечных нейтрино, у нас все равно остается одна нерешенная проблема, касающаяся внутреннего строения звезд. Если мы экстраполируем Стандартную солнечную модель на другие звезды, то сможем более-менее точно предсказать их эволюцию. Для Солнца стандартная модель дает возраст около 4,55 миллиарда лет. Но когда астрофизики применили эту модель к наиболее старым звездам, входящим в шаровые скопления, находящиеся на периферии Галактики, у них получилось, что возраст таких звездных скоплений превышает 15 миллиардов лет.

В то же время мы можем, используя тот факт, что наблюдаемая нами Вселенная расширяется, и предполагая, что это расширение с течением времени замедляется из-за гравитационного притяжения между галактиками, оценить возраст Вселенной, взяв за основу сегодняшнюю скорость ее расширения. Первое грубое приближение будет выглядеть следующим образом: мы измеряем скорости, с которыми галактики удаляются друг от друга, учитываем, что раньше они удалялись друг от друга быстрее, вычисляем, насколько быстрее, и таким образом получаем верхнюю оценку времени, которое прошло от начала расширения, то есть от момента Большого взрыва. За последние восемьдесят лет космологам удалось определить скорость расширения Вселенной с точностью до 10 %. На основе полученных ими данных наше первое приближение дает возраст Вселенной около 11 миллиардов лет.

Вот и суть упомянутой проблемы: возраст старейших звезд в Галактике оказывается больше возраста Вселенной! Но ученые не в первый раз сталкиваются с проблемой определения возраста звезд, и во все предыдущие разы проблема успешно разрешалась, а ученые в результате получали новые знания об устройстве мира. Например, в 1800-х годах оценка возраста Солнца, основанная на предположении, что источником его энергии служит горение угля, давала значение около 10 000 лет. Хотя эта оценка чудесным образом согласовывалась с тем, что написано в Библии относительно времени существования нашего мира, к тому времени уже было показано, что ископаемые окаменелости и геологические пласты земной коры намного старше. Затем, в конце XIX века, два известных физика, лорд Кельвин из Великобритании и Гельмгольц из Германии, показали, что если энергия, которую излучает Солнце, будет освобождаться за счет его гравитационного сжатия, то подобный процесс сможет обеспечить существование нашего светила на протяжении 100 миллионов лет. Хотя эта оценка была значительно лучше предыдущей, к тому моменту геология и эволюционная биология уже свидетельствовали о том, что возраст Земли превышает миллиард лет, и ситуация, при которой Земля оказывалась старше Солнца, не вызывала восторга у ученых.

В 1920 году проблема стала настолько серьезной, что уважаемый астрофизик сэр Артур Стэнли Эддингтон заявил, что в природе просто обязан существовать другой, еще не известный науке механизм производства энергии, способный обеспечить наблюдаемую светимость Солнца на протяжении нескольких миллиардов лет. Многие отнеслись к его заявлению скептически. Несмотря на то что вычисления показывали, что температура в центре Солнца должна достигать десятков миллионов градусов, что по земным меркам достаточно жарко, физики считали, что это все же недостаточно горячо, чтобы придумывать для таких температур новую физику. Эддингтон в одном из своих заявлений предложил несогласным с его идеей отправиться «поискать место погорячее».

Как оказалось, Эддингтон был прав, и в 1930-х годах физик Ханс Бете, которого я еще упомяну в дальнейшем, показал, что недавно обнаруженные ядерные реакции действительно способны обеспечить Солнце энергией на 10 миллиардов лет. За эту работу, которая легла впоследствии в основу Стандартной солнечной модели, Бете получил Нобелевскую премию.

Прежде чем подвергать ревизии Стандартную солнечную модель в отношении применимости ее к определению возрастов старейших звезд, мы с коллегами решили еще раз пересмотреть оценку возрастов шаровых скоплений. В этой оценке содержалась неопределенность, уменьшив которую мы получили новое значение — по нашим выкладкам выходило, что самые старые шаровые скопления в галактике должны иметь возраст около 12 миллиардов лет, но это все равно оказывалось больше возраста Вселенной. Таким образом, конфликт между Стандартной солнечной моделью и космологией был налицо.

Поскольку не только этот результат, но и другие независимые наблюдательные данные находились в противоречии с моделью замедляющегося расширения Вселенной, в 1995 году мы с моим коллегой из Чикаго вынуждены были (в какой-то мере даже в шутку) предположить, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Каким бы неправдоподобным ни выглядело это предположение, но на самом деле экзотическая возможность существования гравитационного отталкивания была предложена Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году, вскоре после создания им общей теории относительности, когда он обнаружил, что статическая модель Вселенной, в которой действуют одни только силы притяжения, является неустойчивой. Его гипотеза была отвергнута, когда было обнаружено, что Вселенная расширяется. Следует заметить, что наше предложение не было чисто умозрительным, как может показаться на первый взгляд. Мы уже знали, что дополнительная отталкивающая гравитационная сила может возникать, если пустое пространство обладает особой формой энергии, допускаемой в контексте современной теории элементарных частиц.

И что бы вы думали? В 1998 году сразу две группы исследователей на основе наблюдений за вспышками сверхновых в далеких галактиках сумели построить зависимость скорости расширения Вселенной от времени. И они независимо обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением! Это экспериментальное открытие полностью изменило наше представление о расширяющейся Вселенной, сделав задачу понимания природы той темной энергии, которая ответственна за возникновение отталкивающей силы, наиболее важной проблемой в современной космологии. Самым интересным для нас оказался тот факт, что возраст Вселенной, определенный по этим наблюдениям, оказался равным примерно 13–14 миллиардам лет, и это находилось в идеальном согласии с результатами вычисления возрастов самых старых звезд в нашей Галактике.

Вот так простейшее приближение звезды как сферического газового облака в вакууме вот уже на протяжении 200 лет приводит нас к обнаружению все более и более глубоких закономерностей во Вселенной.

Предыдущие примеры, демонстрирующие мощь метода аппроксимации в физике при совершении великих открытий, на самом деле скрывают за собой более фундаментальный факт: без аппроксимации в физике мы не можем сделать вообще ничего. Используя то или иное приближение, мы делаем предсказания, которые затем могут быть проверены. Если предсказания оказываются неверными, мы сосредоточиваемся на различных аспектах сделанных приближений, уточняем их и именно таким способом в конце концов приходим к более-менее точному представлению об устройстве Вселенной. По словам Джеймса Клерка Максвелла, наиболее известного и успешного физика XIX века, «правильная теория ставит перед экспериментаторами новые задачи, не препятствуя развитию самой теории»4.

Иногда физики упрощают картину мира, руководствуясь своей интуицией, но чаще всего они делают это, потому что у них нет иного выбора. Существует известная аллегория, которую любят повторять физики: «Если вы ночью на плохо освещенной улице обнаружите, что потеряли ключи от автомобиля, где в первую очередь вы станете их искать? Разумеется, под ближайшим фонарем. Почему? Не потому, что вы, возможно, потеряли ключи именно в этом месте, а потому, что это единственное место, где имеется хоть какая-то вероятность их найти». В своей научной работе большинство физиков руководствуются именно этим принципом: они ищут там, где светло.

Природа так часто бывает к нам благосклонна, что мы привыкли принимать это как должное. Любую новую проблему мы пытаемся решать при помощи старых проверенных методов не потому, что они годятся для этого, а потому, что на тот момент у нас, как правило, нет других. Если повезет, мы можем надеяться, что даже грубое приближение принесет нам какое-нибудь новое понимание некоторого физического аспекта. Физика полна примеров, когда поиск там, где светло, приносил гораздо больше, чем мы имели право ожидать. Одним из таких примеров может служить событие, произошедшее вскоре после окончания Второй мировой войны, которое стало лишь звеном большой цепи, приведшей к появлению новейшей физики. Окончательным результатом этой цепи событий явилась та картина мира, которую мы сегодня считаем наиболее приемлемой. Я не встречал обсуждения этого вопроса в популярной литературе, несмотря на то что он имеет основополагающее значение для современной физики.

Война закончилась, и физики, освободившись от необходимости работать на военных, наконец вернулись к исследованию основополагающего вопроса, вставшего после завершения двух великих революций XX века, приведших к появлению теории относительности и квантовой механики. Теперь перед ними стояла новая задача: примирить друг с другом обе теории. Более подробно я расскажу о них в следующих главах, пока же остановимся на наиболее важных их аспектах. Квантовая механика имеет дело с явлениями, происходящими на малых масштабах — как пространства, так и времени. И она утверждает, что на этих масштабах существуют пары параметров, которые не могут быть точно измерены одновременно. Например, невозможно в один и тот же момент времени одинаково точно определить скорость и положение частицы, независимо от того, насколько хороша наша измерительная аппаратура. Аналогично, нельзя точно определить энергию частицы, если измерения производятся в течение короткого интервала времени. Теория относительности же предполагает, что измерения координат, скорости, времени и энергии связаны друг с другом фундаментальными соотношениями, особенности которых становятся наиболее очевидными, когда скорость тела приближается к скорости света. Глубоко внутри атомов составляющие их частицы движутся достаточно быстро, чтобы эффекты теории относительности становились существенными, но в то же время масштабы явлений достаточно малы, чтобы тут уже в полную силу работали и законы квантовой механики. Самым замечательным следствием брака этих двух теорий является предсказание, что, когда промежуток времени настолько мал, что невозможно определить, какое количество энергии содержится в определенном объеме, становится невозможно определить, сколько частиц находится внутри этого объема. Рассмотрим, к примеру, движение электрона из электронной пушки к экрану в кинескопе телевизора. Электроны — это микроскопические заряженные частицы, которые, наряду с протонами и нейтронами, составляют все атомы обычного вещества. В металлах электроны, двигаясь под действием электрических сил, создают электрический ток. Если металлическую проволоку нагреть, то содержащиеся в ней электроны начнут отрываться от нее и при наличии электрического поля полетят в сторону экрана. Врезаясь в экран, электроны порождают световые вспышки, которые и формируют изображение. Так вот, законы квантовой механики говорят нам, что для любого очень короткого интервала времени невозможно указать точно, по какой траектории движется электрон, и в то же самое время узнать его скорость. При добавлении в эту картину теории относительности выходит, что в течение этого короткого интервала нельзя утверждать с уверенностью, что существует только один электрон, движущийся в выбранной области пространства. Существует вероятность, что в этот момент времени спонтанно появится другой электрон вместе со своей античастицей — позитроном, имеющим противоположный заряд. Эта пара частиц появляется из пустого пространства и путешествует вместе с нашим электроном в течение короткого промежутка времени, а затем лишние частицы исчезают — аннигилируют друг с другом, снова оставляя наш электрон в одиночестве. Дополнительная энергия, необходимая для рождения электрон-позитронной пары, возникает из ниоткуда и после их аннигиляции снова исчезает в никуда, и все потому, что на очень коротком промежутке времени энергия, согласно законам квантовой механики, не может быть измерена точно.

Трезво поразмыслив над только что описанной ситуацией, вы могли бы прийти к выводу, что все это выглядит как попытка сосчитать количество ангелов на острие иглы. Но между ангелами и виртуальными частицами имеется существенное различие. Электрон-позитронные пары не исчезают совсем бесследно. Подобно улыбке Чеширского кота, которая хоть и не осязаема, но видима, виртуальные электрон-позитронные пары едва уловимо изменяют некоторые свойства электрона, и эти изменения можно измерить.

В 1930 году было признано, что такие явления, включая само существование античастиц, подобных позитрону, являются неизбежным следствием соединения квантовой механики и теории относительности. Нерешенным оставался лишь вопрос, как посчитать вклад всех возможных виртуальных частиц в конечное значение измеряемых физических величин. Проблема состояла в том, что чем на меньших расстояниях мы хотим подсчитать какой-то параметр, тем больше виртуальных частиц нам необходимо включать в расчет. Например, мы рассчитываем движение электрона, и в какой-то момент рядом с ним возникает электрон-позитронная пара. Теперь нам нужно для этого короткого промежутка времени учитывать движение уже трех частиц. Но чем меньше промежуток времени, тем больше неопределенность энергии, значит, рядом с каждой из частиц может возникнуть новая электрон-позитронная пара и так далее. Попытка учесть все возможные виртуальные частицы приводила к бесконечным результатам. Это физиков, разумеется, не устраивало.

Вот в такой ситуации в апреле 1947 года в маленьком отеле на Шелтер Айленде, небольшом островке около восточной оконечности Лонг-Айленда, состоялась встреча группы теоретиков и экспериментаторов, занимавшихся фундаментальными проблемами структуры материи. Среди них были как маститые старики, так и молодые радикалы, многие из которых провели последние годы в работе над созданием ядерного оружия. Некоторым из них возвращение к мирным проблемам академической науки после стольких лет работы на военных давалось нелегко. Это тоже было одной из причин созыва конференции на Шелтер Айленде, которая должна была очертить круг наиболее важных проблем, стоявших перед физикой.

Началось все весьма благоприятно. Автобус с участниками конференции был встречен полицейским эскортом на мотоциклах, едва он пересек границу округа Нассау на западе Лонг-Айленда; эскорт сопровождал автобус с включенными сиренами до самого места назначения. Позже ученые узнали, что эскорт был предоставлен в качестве благодарности полицейскими, которые служили во время войны на Тихом океане и считали, что их жизни были спасены благодаря созданному этими учеными ядерному оружию.

Предконференционное возбуждение было вызвано ожиданием запланированного на первый день сообщения о сенсационном открытии. Специализировавшийся в области атомной физики экспериментатор Уиллис Лэмб собирался представить важный результат, полученный им в Колумбийском университете благодаря микроволновой технологии, разработанной в ходе работы над военным радаром. Одним из ранних успехов квантовой механики был расчет энергий внешних атомных электронов. Однако Лэмб обнаружил, что уровни энергии электронов в атомах слегка отличаются от тех, которые получаются из квантово-механических расчетов, выполненных без учета эффектов теории относительности. Это явление сегодня известно как лэмбовский сдвиг. Затем ожидался доклад маститых экспериментаторов И. А. Раби и П. Куша, обнаруживших аналогичные отклонения у атомов водорода и других элементов. Все трое — Лэмб, Раби и Куш — позже удостоились за свое открытие Нобелевской премии.

Вызов был брошен. Чем может быть объяснен подобный сдвиг и как произвести расчет, чтобы избежать бесконечных результатов, вызванных необходимостью учета всех возможных виртуальных электрон-позитронных пар? Мысль о том, что объединение теории относительности и квантовой механики, приводящее к описанным выше проблемам, может привести также и к объяснению лэмбовского сдвига, в то время была лишь смелым предположением. Учет эффектов теории относительности приводил к такому усложнению процесса вычисления, что никто и понятия не имел, как такие вычисления производить. На конференции присутствовали молодые восходящие звезды теоретической физики: Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и Синъитиро Томонага.

Каждый из них самостоятельно разрабатывал свой способ борьбы с вычислительными трудностями, создавая то, что впоследствии стало называться квантовой теорией поля. Они надеялись, и их надежды позже оправдались, что эти способы позволят каким-то образом изолировать, если не полностью исключить из результата бесконечности, возникающие при учете всех виртуальных пар частиц, делавших теорию невероятно сложной, хотя предварительные расчеты давали результаты, согласующиеся с теорией относительности.

К моменту завершения своей работы им удалось создать новый способ представления элементарных процессов и продемонстрировать, что теория электромагнетизма может последовательно сочетаться с квантовой механикой и теорией относительности, за что почти 20 лет спустя они заслуженно разделили Нобелевскую премию. Но в то время, когда проходила конференция, ничего этого известно еще не было. Как можно учесть взаимодействие электрона в атоме с мириадами виртуальных электрон-позитронных пар, спонтанно возникающих из вакуума в ответ на поля, создаваемые самими электронами?

На конференции был и Ханс Бете, к тому времени уже выдающийся теоретик и один из лидеров Манхэттенского проекта. Бете тоже впоследствии получил Нобелевскую премию за работу, демонстрирующую, что термоядерные реакции действительно служат источником энергии звезд. Он был настолько вдохновлен тем, что услышал от теоретиков и экспериментаторов, что, вернувшись в Корнелльский университет, немедленно занялся расчетом эффекта лэмбовского сдвига. Через пять дней после окончания конференции он подготовил статью, в который утверждал, что получил отличное теоретическое согласие с величиной наблюдаемого эффекта. Бете всегда был известен своей способностью безупречно выполнять сложные вычисления на доске или на бумаге. Тем не менее его замечательный расчет лэмбовского сдвига не был полностью самосогласованным в плане объединения квантовой механики и теории относительности. Впрочем, получение окончательного строгого результата не особо волновало Бете, его больше интересовала правильность выбранного им пути. Для получения строгого результата в то время еще просто не существовало необходимых математических инструментов, и он использовал то, что оказалось под рукой.

Он решил, что раз мы не в состоянии последовательно описать релятивистское движение электрона, то можно попытаться произвести «гибридные» вычисления, явно добавив такие эффекты, как рождение и аннигиляция электрон-позитронных пар, к уравнениям движения электронов, выведенных квантовыми механиками в 1920-х и 1930-х годах, которые решаются достаточно просто. Однако он обнаружил, что учет эффектов рождения виртуальных электрон-позитронных пар все равно приводит к расходимости решения. Как с этим справиться?

Основываясь на предложении, услышанном им на конференции, Бете произвел расчет дважды: один раз для электрона в атоме водорода и один раз для свободного электрона. Хотя в каждом конкретном случае результат получался бесконечным, он надеялся, что при вычитании одного результата из другого бесконечности также вычтутся друг из друга, и «в сухом остатке» мы получим интересующий нас эффект в виде конечного числа — величины лэмбовского сдвига. К сожалению, у него ничего не получилось. Тогда он предположил, что, возможно, используемая математическая модель, в которой мы учитываем рождение виртуальных частиц вплоть до бесконечно малых пространственных и временных масштабов, просто не имеет физического смысла, и следует, руководствуясь физической интуицией, наложить на нее дополнительные ограничения. Бете предложил ограничить число учитываемых при расчете виртуальных частиц, так чтобы их общая энергия не превышала по порядку величины массу электрона.

Я напомню, что квантовая механика разрешает процессы, в которых участвует множество высокоэнергетичных виртуальных частиц, если промежуток времени, в течение которого эти процессы происходят, достаточно мал, чтобы квантово-механическая неопределенность энергии превосходила суммарную энергию, необходимую для протекания этих процессов. Бете же утверждал, что, если теория претендует на согласие с общей теорией относительности, она должна содержать что-то, ограничивающее максимально возможную энергию виртуальных процессов. То есть он предложил попросту игнорировать бесконечное количество рождений виртуальных пар, оборвав расчет на каком-нибудь наперед выбранном значении энергии. Его окончательный расчет лэмбовского сдвига учитывал только такие процессы, энергия которых была меньше энергии покоя электрона. Кроме того, Бете был полностью согласен с критическими возражениями о слишком волюнтаристском подходе к выбору накладываемых на теорию ограничений.

В то время действительно не было никаких реальных обоснований для выбора конкретного значения энергии, на котором следует обрывать вычисления, но его подход позволял получить разумное конечное приближение для величины лэмбовского сдвига.

Позже Фейнман, Швингер и Томонага устранили несогласованности в методе Бете. Они показали, что в полной теории, последовательно включающей в себя квантовую механику и теорию относительности, на каждом этапе расчета вклад «хвоста», то есть самых высокоэнергетичных виртуальных пар, в окончательное значение измеряемой в эксперименте характеристики оказывается исчезающе малым. Предсказания созданной на основе их подхода объединенной теории находятся в прекрасном согласии с измеренными в экспериментах значениями лэмбовского сдвига, более того, на сегодняшний день это один из лучших примеров согласия теоретических и экспериментальных результатов за всю историю физики! Но своей ранней работой Бете подтвердил то, что все уже давно знали о нем: он был «плоть от плоти физики». Он хитроумно использовал имеющиеся под рукой инструменты для получения результатов. В духе концепции сферического коня в вакууме он смело отбросил все лишние, по его мнению, детали, связанные с виртуальными процессами, и проложил тропу, по которой его последователи прошли к современной квантовой теории поля. Эта теория стала фундаментом современной физики элементарных частиц, и я еще вернусь к ней в заключительной главе моей книги.

Итак, мы прошли путь от сферических коней в вакууме до солнечных нейтрино, после чего обратили свой взор на взрывающиеся звезды и расширение Вселенной и, наконец, закончили наш путь на Шелтер Айленде. Красная нить, проходящая через все эти вещи, соединяет всех физиков, независимо от их специализации. При взгляде сверху мир на поверхности представляется очень сложным. Где-то очень глубоко под этой поверхностью, как мы надеемся, существуют простые правила, управляющие этим миром. Одна из важнейших целей физики — выкопать эти правила. Единственная возможность сделать это — максимально сузить ареал поиска путем упрощения модели и отбрасывания несущественных деталей. Если мы не будем представлять коня в виде сферы, помещать сложную машину в черный ящик, выбрасывать бесконечное количество виртуальных частиц, а вместо этого попробуем понять все сразу, мы не поймем ничего. Мы можем либо сидеть и ждать, что на нас снизойдет откровение, либо идти вперед, не обращая внимания на препятствия и второстепенные детали, сводя проблему к тем задачам, которые мы уже умеем решать, — и только так можно совершить очередной прорыв в науке.


1 Цитируется по книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению синьора Галилео Галилея Линчео, философа и первого математика светлейшего великого герцога тосканского с приложением о центрах тяжести различных тел», перевод С. Н. Долгова. — Примеч. пер.

2 Там же.

3 На самом деле это присказка адмирала Дьюи, а Фейнман использовал ее в метафорическом смысле.

4 James Clerk Maxwell, The Scienti c Papers of James Clerk Maxwell, ed. W.D. Niven (New York: Dover, 1965).


Предыдущая книга Лоуренс КРАУСС (полностью): Вселенная из ничего


Обсуждение Еще не было обсуждений.
Дата публикации: 2016-07-22
Об авторе:
Этот материал взят из источника: http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433180/Strakh_fiziki_Glava_iz_knigi



Тест: А не зомбируют ли меня?     Тест: Определение веса ненаучности

Поддержка проекта: Книга по психологии
В предметном указателе: Критика Тихоплавов | Тихоплавы | Биофизикохимические аспекты старения и долголетия | Великий физик, объяснивший гибель Челленджера | Вселенная из ничего Лоуренс КРАУСС | Желание бессмертия или страх смерти | Межпространственная Физика | Метафизика и космогония учёного Николы Теслы В.Абрамович | О Тихоплавов Физика веры | РОЛЬ ЭКСПЕРИМЕНТА В СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКЕ
Последняя из новостей: О том, как конкретно возможно определять наличие психический явлений у организмов: Скромное очарование этологических теорий разумности.

Нейроны и вера: как работает мозг во время молитвы
19 убежденных мормонов ложились в сканер для функциональной МРТ и начинали молиться или читать священные тексты. В это время ученые наблюдали за активностью их мозга в попытке понять, на что похожи религиозные переживания с точки зрения нейрологии. Оказалось, они похожи на чувство, которое испытывает человек, которого похвалили.
 посетителейзаходов
сегодня:11
вчера:23
Всего:231276

Авторские права сайта Fornit
Яндекс.Метрика