Подобные грубые антропные объяснения не совсем то, чего мы ждем от физики, однако они могут нас удовлетворить. История развития физической науки связана не только с поиском точных объяснений явлений природы, но еще и с выявлением тех вещей, которые допускают точные объяснения. И таких вещей может быть меньше, чем мы предполагали.
6. Мгновения и эпохи
В сочинении «Исчисление песчинок» Архимед показал, что умеет обращаться с большими числами, оценив количество песчинок, которое потребуется, чтобы заполнить Вселенную. Конечно, Архимед не знал размеров Вселенной; он использовал расчеты Аристарха для определения расстояния до границы небесной сферы, на которой расположены звезды. Большого смысла в этом не было. Его работа представляла интерес не для астрономии, а для математики. Описывая большие числа, он говорил о мириадах, мириадах мириад, мириадах мириад мириад мириад и т. д. В современном языке описать такое количество намного проще: мириада — это 10 000 или десять в четвертой степени, 104; мириада мириад — это 104, умноженное на 104, то есть 108; мириада мириад мириад мириад — это 108, умноженное на 108, то есть 1016; и т. д. Если перевести выводы Архимеда на современный язык, окажется, что для заполнения Вселенной потребуется не более чем 1063 песчинок.
В своих расчетах Архимед оперировал объемами: объем небесной сферы он представил как очень большое число объемов частичек песка. Ученым в своих исследованиях также приходится иметь дело с очень большими и очень маленькими величинами, которые мы описываем, используя степени десятки. Физики Герард ‘т Хоофт и Стефан Вандорен из города Утрехт (Нидерланды) в своей книге «Время в десяти энергиях» (Time in Powers of Ten), изданной в Голландии с милыми иллюстрациями дочери ‘т Хоофта Саскии, описали огромный диапазон временны΄х интервалов, с которыми имеет дело современная физика. В июле 2013 г. я получил электронное письмо от ‘т Хоофта, в котором он спрашивал, не соглашусь ли я написать предисловие для английского перевода их книги. Герард ‘т Хоофт — один из величайших физиков нашего времени и мой старый приятель, к тому же я и сам размышлял о временны΄х масштабах в истории физики и астрономии, так что я согласился. Английское издание книги ‘т Хоофта и Вандорена с моим кратким предисловием, которое можно прочесть в этой главе, было выпущено издательством World Scientific Press в 2014 г.
В обычной жизни человек оперирует временными периодами от нескольких секунд до нескольких десятилетий, то есть самый длительный временной интервал примерно в миллиард раз больше самого короткого. Однако с развитием науки ученые все чаще имеют дело с еще более длинными или короткими интервалами времени, отличающимися от привычных нам на много порядков.
Примерно в 150 г. до н. э. греческий астроном Гиппарх в результате наблюдений установил, что положение Солнца на фоне звезд в момент осеннего равноденствия постепенно изменяется со скоростью, при которой равноденственное светило совершит полный круг по зодиакальному экватору примерно за 27 000 лет. Позже Ньютон объяснил предварение равноденствий
[41] влиянием медленного колебания оси вращения Земли, вызванного гравитационным притяжением Солнца и Луны. Сегодня нам известно, что ось Земли совершает полный оборот за 25 727 лет. Гиппарх впервые выполнил серьезный научный расчет, в котором фигурировал временной интервал, намного превышающий продолжительность жизни человека, и получил результат с погрешностью всего 5 %.
В наше время мы уже привыкли к гораздо более длительным интервалам времени. По относительной распространенности изотопов урана мы можем сделать вывод, что вещество, из которого состоит Солнечная система, образовалось в результате взрыва звезды примерно 6,6 млрд лет назад. Заглядывая еще глубже в прошлое и анализируя скорость разбегания галактик, мы понимаем, что 13,8 млрд лет назад материя Вселенной находилась в настолько сжатом состоянии, что не было ни галактик, ни звезд, ни даже атомов — только горячий плотный газ элементарных частиц.
Расширение нашего опыта на сверхкороткие временны́е интервалы оказалось еще более драматичным. В результате наблюдения за дифракцией, которая связана с волновой природой света, еще в начале XIX в. стало известно, что характерная длина волны видимого света составляет примерно 3 стотысячных сантиметра. К тому моменту люди уже знали, что скорость света около 300 000 км/с, таким образом, период световой волны, то есть время, необходимое на преодоление расстояния, равного длине волны, составляет 10–15 с (одна квадриллионная секунды). Это примерно соответствует времени, за которое электроны в атомах совершают один полный оборот на своих орбитах (если рассматривать процесс в рамках классического описания).
Современная физика элементарных частиц имеет дело с временными интервалами, которые во много раз короче. Время жизни W-частицы (тяжелой заряженной частицы, отвечающей за слабое взаимодействие, которое позволяет нейтронам превращаться в протоны в радиоактивных ядрах) равно 3,16·10–25 с, то есть за это время W-частица, двигающаяся с околосветовой скоростью, даже не успеет преодолеть расстояние, равное диаметру атомного яра.
Меня впечатляет не только тот факт, что теперь ученые сталкиваются со столь длинными или столь короткими интервалами времени. Более удивительным мне кажется то, что наши эксперименты и теории стали достаточно надежными и позволяют получать точные числа вроде 13,8 млрд лет и 3,16·10–25 с с некоторой уверенностью в том, что мы понимаем, о чем говорим.
7. С оглядкой на современность: виговская история науки
Активно интересоваться историей науки я начал в 1972 г., когда написал свою первую книгу — учебник по общей теории относительности для студентов старших курсов
[42]. Чтобы описать предпосылки теории Эйнштейна понятнее, я начал книгу с исторического введения, в котором осветил историю основополагающих идей, то есть неевклидовой геометрии, теории гравитации и принципа относительности.
Изложение истории в этой книге было почти полностью построено на вторичных источниках и опубликованных исследовательских статьях, но к своей второй книге о современной космологии, адресованной более широкой аудитории читателей
[43], я подошел более основательно. При работе над книгой, написанной в 1977 г., я, кроме прочего, поговорил с физиками и астрономами, которые имели прямое отношение к совершенному в 1965 г. открытию реликтового излучения, сохранившегося со времен ранней Вселенной. Я хотел лучше понять сложности, которые стояли перед учеными.
Затем я решил предпринять попытку преподавать историю физики студентам. В начале 1980-х гг. сначала в Гарварде, а потом в Техасе я читал учебный курс об открытии внутриатомных частиц — электрона, протона и нейтрона. Материал курса лег в основу новой книги
[44]. Увлекшись историей, я начинал свои поздние труды по квантовой теории поля и квантовой механике с исторических обзоров. Я хотел не только объяснить, откуда пришли эти идеи, но еще и дать студентам, которые будут применять эти теории, ощущение сопричастности великой традиции.
