Текст книги "Из грязи и золота (СИ)"

Автор книги: София Баюн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 20 страниц)

Усім, хто прищепив мені любов до фізики й мистецтва.

Волтер Левін

Моєму онуку Калебу Бенджаміну Лурії.

Воррен Ґольдштейн

Вступ

Високий на зріст, сухорлявий, одягнений у блакитну, схожу на робочу, сорочку із закоченими по лікті рукавами, штани карго кольору хакі, у сандалях і білих шкарпетках, професор міряє кроками аудиторію, розказує, жестикулює, часом роблячи промовисті паузи й зупиняючись між дошками і лабораторним столом. Перед ним здіймаються ряди стільців із чотирма сотнями студентів, які хоч і вовтузяться на своїх місцях, але очима прикуті до професора, який, здається, ледве стримує потужну енергію, що струменить у його тілі. Своїм високим чолом, неслухняним сивим волоссям, окулярами і ледь вловимим європейським акцентом, походження якого неможливо визначити, він чимось нагадує Дока Брауна із фільму «Назад у майбутнє» — наполегливого, дивакуватого і трохи схибленого вченого-винахідника.

Але це не гараж Дока Брауна — це Массачусетський технологічний інститут (МТІ), найкращий технічний університет у Сполучених Штатах, можливо, навіть у світі, а викладач біля дошки — професор Волтер Левін. Він зупиняється й розвертається до аудиторії. «Отже, основне у вимірюваннях, про що не згадують у жодному підручнику із фізики, — він розмахує руками, розчепіривши пальці, — це їхня похибка». Він замовкає, ступає крок, даючи студентам час обміркувати сказане, і знову продовжує: «Результат вимірювання не має сенсу, якщо ви не знаєте похибки». Руки знову розлітаються, розтинаючи повітря. Ще одна пауза.

«Я повторюю. Я хочу, щоб ви згадали це, коли прокинетесь о третій ночі». Він тримає вказівні пальці біля скронь, і крутить ними, наче намагається просвердлити мозок. «Якщо ви не знаєте похибки, результат вимірювання не має жодного сенсу». Студенти дивляться на нього в захваті.

Ми лише на 11-й хвилині 1-ї лекції курсу «Фізика 8.01» — найвідомішого у світі університетського вступного курсу із фізики.

У грудні 2007 року New York Times розмістила на першій шпальті статтю про Волтера Левіна і назвала його інтернет-зіркою з МТІ, бо лекції з фізики, які він читав, були доступні не лише на платформі МТІ OpenCourseWare, а й на YouTube, iTunes U та Academic Earth. Це одні з перших лекцій, які університет виклав в інтернет, і як виявилося згодом, недарма. Вони надзвичайно популярні. Дев’яносто чотири лекції — три пов­ні курси плюс сім окремих лекцій — щодня переглядають приблизно три тисячі людей, тобто мільйон переглядів на рік. Зокрема найактивнішим відвідувачем був не хто інший, як Білл Ґейтс. Якщо вірити його листам (паперовим!) до Волтера, він пов­ністю переглянув курси 8.01 «Класична механіка» й 8.02 «Електрика і магнетизм» і ледве міг дочекатися курсу 8.03 «Вібрації та хвилі».

«Ви змінили моє життя», — зазначено в темі листів, які Левін отримує щодня від людей різного віку з усіх куточків світу. Стів, флорист із Сан-Дієго, написав: «Я простую стрімкою ходою і споглядаю світ у барвах фізики». Мохамед, слухач інженерних підготовчих курсів з Тунісу: «На жаль, мої викладачі, на відміну від вас, не бачать жодної краси у фізиці, і я дуже страждаю через це. Їм достатньо, щоб ми просто навчилися розв’язувати “типові” задачі та успішно склали іспит, вони не дивляться далі цих вузьких меж». Сеєд з Ірану, який уже закінчив кілька магістратур в Америці, пише: «Я не мав справжньої радості в житті, поки не побачив, як ви викладаєте фізику. Професоре Левін, ви змінили моє життя. Ваше викладання варте в 10 разів більше, ніж коштує навчання, і перетворює деяких, не всіх, учителів на злочинців. Учити погано — тяжкий злочин». Або Сіддхартх з Індії: «Я зміг відчути фізику за межами рівнянь. Ваші студенти, як і я, завжди пам’ятатимуть вас як чудового вчителя, який зробив життя і навчання значно цікавішим, ніж можна собі уявити».

Мохамед захоплено і схвально цитує слова Волтера Левіна з останньої лекції «Класичної механіки»: «Можливо, з моїх лекцій ви навіки засвоїте, що фізика може бути надзвичайно цікавою та красивою і що вона оточує нас усюди, постійно. Потрібно тільки навчитися бачити та розуміти її красу». Ще одна прихильниця, Марджорі, написала: «Я дивлюся ваші лекції так часто, як можу, інколи п’ять разів на тиждень. Я зачарована вами, вашим почуттям гумору, але найбільше — вашим умінням пояснювати складні речі просто. У школі я ненавиділа фізику, але завдяки вам полюбила її».

Левін одержує десятки подібних листів щотижня і на кожен дає відповідь.

Коли Волтер Левін знайомить нас із дивами фізики, це наче чари. У чому його секрет? «Я показую людям їхній власний світ, — каже він, — світ, який вони добре знають, але на який не дивляться очима фізика — поки що. Якщо я розповідаю про хвилі на воді, то прошу студентів здійснити кілька дослідів у ванні: їм це буде зрозуміліше. Їм зрозумілі веселки. Це одна із причин, чому я люб­лю фізику: за її допомогою можна пояснити будь-що. І часом це неймовірний досвід — і для них, і для мене. Я закохую їх у фізику! Іноді, коли студенти серйозно втягуються, лекції стають дуже схожими на імпровізовану виставу».

Він може залізти на п’ятиметрову драбину й пити журавлинний сік з лабораторної склянки, що стоїть на підлозі, крізь довгу звивисту трубочку, виготовлену з тонкого шланга. Або наражати на небезпеку своє здоров’я, стаючи на шляху невеликої, але досить важкої кулі, що розгойдується, не доходячи кількох мілімет­рів до його підборіддя. Він може стріляти з рушниці по двох банках з-під фарби, наповнених водою, або наелектризовувати себе до 300 000 вольтів за допомогою масивного пристрою під назвою генератор Ван де Граафа — наче в лабораторії божевільного вченого з науково-фантастичних фільмів — і тоді його й так скуйовджене волосся стає дибки. Він використовує своє тіло як обладнання для дослідів. Як він часто каже: «Адже наука вимагає жертв». Під час однієї демонстрації він залазить на безмірно незручну металеву кулю, підвішену на мотузці, що звисає зі стелі (це те, що він називає маятником маятників), і розгойдується туди-сюди, поки студенти вголос рахують кількість коливань. І все це для того, щоб довести, що кількість коливань маятника за певний час не залежить від ваги на його кінці.

Його син Емануель (Чак) Левін, який був на кількох лекціях, пригадує: «Якось я бачив, як він вдихає гелій, щоб змінити голос. Щоб домогтися правильного ефекту — диявол криється в деталях, — він зазвичай ледь не доводить себе до стану знепритомнення». Вправний художник, Левін розкуто малює геометричні фігури, вектори, графіки, астрономічні явища і — тварин. Кілька студентів були так зачаровані тим, як він зображає пунктирні лінії, що створили кумедне відео під назвою «З найкращих ліній Волтера Левіна» (Some of Walter Lewin’s Best Lines). Ролик змонтовано з уривків лекцій, на яких професор на різних дошках креслить свої знамениті пунктирні лінії. (Відео можна переглянути тут: cutt.ly/ItLhFP).

Упевнений і харизматичний Левін — справжній оригінал, дивак, полонений фізикою. Він постійно тримає в гаманці дві пластини, що називають поляризаторами, і тому може подивитися на будь-яке джерело світла — наприклад, на ясне небо, веселку чи відображення у вікні — і за мить визначити, поляризоване воно чи ні. І той, хто опиниться з ним поруч, теж зможе це побачити.

А що за блакитні робочі сорочки він одягає? Виявляється, вони зовсім не робочі. Левін що кілька років замовляє в одного кравця в Гонконгу з десяток сорочок. Вони пошиті з бавовни найвищої якості за його мірками і побажаннями. Велику кишеню зліва зроблено для того, щоб там умістився записник. Жодних захисних вкладок у кишеню — цей фізик-артист-учитель ретельно стежить за власним стилем. Тому цікаво, чому він прикріпив найдивнішу брошку, яку можна лише уявити на викладачеві університету: пластикову яєчню. Він каже: «Краще вже яйце на сорочці, ніж на обличчі».

Чому на його лівій руці красується масивний перстень з рожевого плексигласу? І що це за сріблясту штуку причеплено до його сорочки на рівні пупка, на яку він постійно тихцем поглядає?

Щоранку, одягаючись, Левін обирає щось із сорока перснів і тридцяти п’яти брошок, а також десятків браслетів і ­намист. Йому до вподоби як еклектика (кенійські браслети з бісеру, намисто з великих шматків бурштину, пластикові брошки у вигляді фруктів), так і старовина (важкий срібний браслет із Туркме­ні­стану), дизайнерські ювелірні прикраси, а також просто божевільні й комічні речі (повстяне намисто з локричних цукерок). «Студенти почали звертати увагу, — каже він, — тому я став одягати на кожну лекцію нову прикрасу. Особливо на лекції для дітей. Вони в захваті».

А та схожа на велику шпильку для краватки штука, прикріплена до сорочки? Це особливий годинник (подарунок від друга-митця) з перевернутим догори дриґом циферблатом, щоб можна було, поглядаючи вниз, непомітно стежити за часом.

Інколи здається, що Левін не зосереджений — класичний не­уважний професор. Але насправді він заглиблений у роздуми над якимось фізичним питанням. Його дружина С’юзан Кауфман нещодавно розповіла: «Коли ми їдемо в Нью-Йорк, за кермом авто завжди я. І от нещодавно я дістаю карту, не пам’ятаю навіщо, і бачу, що всі околиці штатів списані рівняннями. Він зробив це під час поїздки на минулу лекцію, поки нудився дорогою. Він весь час думає про фізику. Студенти й університет з ним двадцять чотири години на добу».

Як каже Ненсі Стібер, історикиня архітектури і його давня подруга, чи не найбільше в особистості Левіна вражає «гостра, як лазер, інтенсивність зацікавлення. Він завжди максимально поринає в обране заняття, викреслюючи 90 відсотків навколишнього світу. Зосередившись на справі, він вилучає все несуттєве, досягаючи такої інтенсивної самовіддачі, що вона породжує дивовижну радість буття».

Левін — перфекціоніст. Його увага до дрібниць межує із фанатизмом. Він не лише найкращий у світі викладач фізики, а й один з перших дослідників у сфері рентгенівської астрономії. Протягом двох десятиліть він спостерігав за субатомними й астрономічними явищами за допомогою надчутливого обладнання, призначеного для надточного вимірювання рентгенівського випромінювання. Запускаючи величезні й надтонкі повітряні кулі до верхньої межі земної атмосфери, він почав відкривати екзотичний «звіринець» астрономічних явищ, зокрема рентгенівські барстери. Його відкриття, здійснені разом з колегами, допомог­ли підняти завісу таємниці загибелі зір під час потужних спалахів наднових і підтвердити існування чорних дір.

Він навчився перевіряти, перевіряти і ще раз перевіряти — і це пояснює не тільки його успіх у практичній астрофізиці, а й дивовижну ясність, з якою він демонструє велич законів Ньютона, розтлумачує, чому струни скрипки так гарно звучать і чому ви втрачаєте і набираєте вагу, хоч і зовсім ненадовго, коли перебуваєте в ліфті.

Перед лекціями він завжди репетирував принаймні тричі в порожній аудиторії, востаннє — о п’ятій ранку в день лекції. «Його лекції вдаються через те, — каже астрофізик Девід Пулі, колишній студент Левіна, який працював з ним в аудиторії, — що він приділяє їм багато часу».

Коли у 2002 році кафедра фізики МТІ номінувала Левіна на престижну премію для викладачів, багато його колег зосере­дилися саме на цих рисах професора. Серед тих, хто найяскравіше описав досвід навчання у Левіна, був Стівен Ліб, викладач електротехніки й інформатики в Лабораторії електромагнітних і електронних систем у МТІ, який слухав курс «Електрика і магнетизм» у 1984 році. «Він з’явився нізвідки, — пригадує Ліб, — захопив нашу уяву своїм інтелектом і посадив на американські гірки електромагнетизму, які я досі відчуваю потилицею. В аудиторії він геній, який з неперевершеною винахідливістю знаходить способи зрозуміло донести складні ідеї».

Роберт Хулсайзер, один з колег Левіна, намагався вирізати із записів його лекцій деякі демонстраційні досліди, щоб змонтувати для інших університетів відеоролик з найяскравішими моментами. Йому це не вдалося. «Його демонстрації так міцно вплетені в розкриття теми, де напруга наростає й настає розв’язка, що важко визначити точний момент початку і кінця експерименту. На мою думку, багатство Волтерової манери викладання неможливо порізати на шматочки».

Підхід Волтера Левіна зворушує тим, що він передає слухачам неймовірний захват перед усіма дивами нашого світу. Його син Чак тепло пригадує, як віддано батько прищеплював це відчуття захоплення йому й іншим дітям: «У нього талант відкривати людям очі на приголомшливу красу навколо, наповнювати вас сумішшю радості, запалу й зачудування. Я кажу про маленькі неймовірні вікна, у центрі яких він стояв. Це було таке щастя — відчувати повноту життя поруч з ним, брати участь у події, яку він створив. Якось ми були у відпустці в штаті Мен. Погода була не надто гарною, і ми, діти, просто сиділи й нудилися. Якоїсь миті батько взяв м’ячик і вигадав одну маленьку дивну гру. За хвилину прийшли діти із сусіднього пляжного будинку, і от уже ми вчотирьох, уп’ятьох, ушістьох кидаємо, ловимо і сміємося. Я пам’ятаю цей безмежний захват і радість. Коли я озираюсь і думаю про те, що рухало мною в житті, розумію, що ці миті справжньої радості, уявлення про те, яким чудовим може бути життя, який сенс воно може мати, — усе це я одержав від батька».

Узимку Волтер збирав дітей, і вони грали в іншу гру — випробовували аеродинамічні якості паперових літачків, запускаючи їх у великий відкритий камін у вітальні. «Завдаючи жаху матері, — пригадує Чак, — ми діставали їх з вогню, бо мали твердий намір перемогти наступного разу».

Коли приходили гості, Волтер головував у грі під назвою «Політ на Місяць». Чак розповідає: «Ми приглушували світло, стукали кулаками об стіл, видобуваючи щось на зразок барабанного дробу та імітуючи звук запуску ракети. Деякі діти навіть залазили для цього під стіл і гупали. Потім, вийшовши в космос, ми переставали грюкати, і щойно приземлялися на Місяці, починали ходити по вітальні підкреслено чудернацькими кроками, вдаючи, що сили тяжіння майже немає. Гості тим часом, напевно, думали: “Ці люди несповна розуму!”. Але для нас, дітей, це була фантастика. Політ на Місяць!».

Волтер Левін дарує студентам незабутні враження, відколи він уперше зайшов в аудиторію більше ніж півстоліття тому. Постійно зачарований загадковістю і красою Всесвіту — від веселок і нейтронних зір до мишачої кісточки і звуків музики, — а також натхнений спробами науковців і митців пояснити світобудову, інтерпретувати й зобразити її, Волтер Левін — один з найпристрасніших, найвідданіших і найталановитіших з нині живих гідів по цьому світу. Ви зможете відчути цю пристрасть, віддачу й талант у наступних розділах, де він поділиться своєю давньою любов’ю до фізики з вами. Приємної вам подорожі!

Воррен Ґольдштейн

Розділ 1

Від атомного ядра до глибокого космосу

Це справді дивовижно. Батько моєї матері був неписьменним — сторожем. Минуло два покоління, і я вже професор МТІ. Мені багато дала голландська система освіти. Я вступив до аспірантури Делфтського технічного університету в Нідерландах, і одним пострілом убив трьох зайців.

Я одразу почав викладати фізику. Щоб оплатити навчання, мені довелося взяти позику в уряду Нідерландів на умовах щорічного списання її п’ятої частини, якщо я викладатиму повний робочий день, тобто щонайменше двадцять годин на тиждень. Іншою перевагою викладання було звільнення від армії. Військова служба — це найгірше, що могло зі мною статися, цілковита катастрофа. Я не терплю влади в будь-яких виявах. Такий маю характер. Рано чи пізно я почав би скаржитися, й мене б відправили драїти підлогу. Тому я двадцять дві години на тиждень викладав математику й фізику шістнадцятирічним-сімнадцятирічним учням у ліцеї Лібанон у Роттердамі. Я уникнув армії, міг не сплачувати частину позики і здобував докторський ступінь — і все це одночасно.

Також я навчився викладати. Мене захоплювала можливість навчати старшокласників, позитивно впливати на свідомість молоді. Я намагався робити заняття цікавими й веселими, хоча правила в самому ліцеї панували досить суворі. Над дверима кожного класу було зроблено невеликі віконця, і часом хтось зі шкільного керівництва вибирався на стілець і шпигував через нього за вчителями. Уявляєте?

Мене не засмоктала шкільна культура і, навчаючись в аспірантурі, я був сповнений ентузіазму. Я хотів передати цей запал учням, допомогти їм по-новому побачити красу навколишнього світу, вплинути на їхнє сприйняття і показати, що світ фізики прекрасний і що вона всюди, що вона пронизує наше життя. Я зрозумів, що має значення не матеріал, який ти охоплюєш під час викладання, а як ти його подаєш. Висвітлення теми в класі може бути нудним заняттям, і учні це одразу відчувають. З іншого боку, пояснюючи фізичні закономірності й показуючи учням, що криється за рівняннями, я демонструю процес пошуку з усією його новизною і захопленням, і учні обожнюють брати в цьому участь.

Також я мав нагоду робити це, хоч і в інший спосіб, за межами класу. Щороку учні з учителем могли на тиждень поїхати в скромно облаштований кемпінг у досить відлюдному місці; поїздку фінансувала школа. Ми з моєю дружиною одного разу з’їздили, і нам дуже сподобалось. Усі готували їжу разом і спали в наметах. Оскільки ми були далеко від вогнів міста, якось уночі ми розбудили дітей, дали їм гарячого шоколаду і повели дивитися на зорі. Ми шукали сузір’я і планети, і вони змогли побачити Чумацький Шлях у всій красі.

Я не вивчав і навіть не викладав астрофізику (взагалі-то я розробляв експерименти, що мали на меті виявити одні з найменших частинок у Всесвіті), але астрономія завжди зачаровувала мене. Насправді ледь не кожен фізик, який ходить по Землі, захоплюється астрономією. Багато моїх знайомих фізиків у старших класах сконструювали власні телескопи. Мій давній друг і колега по МТІ Джордж Кларк у школі відшліфував і відполірував 15-сантимет­рове дзеркало для телескопа. Чому фізики так люблять астрономію? Насамперед тому, що багато досягнень у фізиці (наприклад, теорії руху небесних тіл уздовж орбіти) випливає із запитань, які ставили астрономи, їхніх спостережень і теорій. Крім того, астрономія — це і є фізика, її збільшена версія на нічному небі: затемнення, комети, метеори, кулясті скупчення, нейтронні зорі, гамма-спалахи, джети (струмені), планетарні туманності, наднові, скупчення галактик, чорні діри.

Просто подивіться на небо і поставте собі кілька очевидних запитань: Чому небо блакитне? Чому захід Сонця червоний? Чому хмари білі? Фізика знає відповіді. Сонячне світло має всі кольори веселки. Але проходячи крізь атмосферу, воно розсіюється в різних напрямках, відбиваючись від молекул повітря і крихітних частинок пилу (набагато менших за мікрон, тобто 0,001 мілі­метра). Це явище має назву релеївське розсіювання. Блакитне світло розсіюється найсильніше, приблизно в п’ять разів більше, ніж червоне. Отже, якщо ви вдень поглянете на будь-яку точку неба1, блакитний колір переважатиме. Тому небо блакитне. Якщо подивитися на небо з Місяця (можливо, ви бачили фотографії), воно буде не блакитним, а чорним — яким ми його бачимо вночі. Чому? Тому що Місяць не має атмосфери.

Чому захід Сонця червоний? Із тієї само причини, чому небо блакитне. Коли Сонце біля горизонту, його променям потрібно подолати більшу відстань в атмосфері, і зелене, блакитне і фіолетове світло розсіюється найбільше і, по суті, відфільтровується. На ту мить, коли світло досягає наших очей (і хмар над нами), воно складається здебільшого із жовтого, оранжевого, а особливо — червоного кольорів. Саме тому іноді, коли Сонце заходить і на світанку, здається, що небо палає.

Чому хмари білі? Краплини води у хмарах значно більші за крихітні частинки, через які небо здається блакитним, і коли світло відбивається від них, усі кольори розсіюються однаково. Через це світло залишається білим. Але якщо хмара дуже наповнена вологою або перебуває в тіні іншої хмари, вона пропускатиме мало світла і стане темною.

Один з моїх улюблених дослідів-демонстрацій — створювати клаптик «блакитного неба» в аудиторії. Я вимикаю освітлення і спрямовую на стелю біля дошки дуже яскравий прожектор, захищений екраном. Потім запалюю кілька сигарет і тримаю їх у світлі прожектора. Частинки диму достатньо маленькі, щоб виникло релеївське розсіювання, а оскільки блакитне світло розсіюється найбільше, студенти бачать блакитний дим. Тоді переходжу до другої частини досліду. Я вдихаю дим і затримую його майже на хвилину — це не завжди легко, але наука часом вимагає жертв. Потім я видихаю дим у світло прожектора. Тепер студенти бачать білий дим — я створив білу хмару! У легенях багато водяної пари, тому крихітні частинки диму збільшились. Тепер усі кольори розсіюються однаково, і розсіяне світло сприймається як біле. Це дивовижно, як дим змінює колір: із блакитного стає білим.

Цим експериментом я можу відповісти одразу на два запитання: чому небо блакитне і чому хмари білі. Взагалі-то, є ще дуже цікаве третє запитання, і воно пов’язане з поляризацією світла. Про це йтиметься в розділі 5.

Коли я був зі своїми учнями за містом, я показував їм галактику Андромеди, єдину галактику, яку можна побачити неозброє­ним оком. Відстань до неї приблизно 2,5 мільйона світлових років (24 мільйони трильйонів кілометрів), що за астрономічними мірками майже поруч. Ця галактика складається з приблизно 200 міль­ярдів зір. Тільки уявіть — 200 мільярдів зір, а нам вона здалася ледь помітною розмитою плямою. Також ми помітили багато метеорів, які часто називають летючими зорями. Якщо озброї­тися терпінням, їх можна побачити приблизно кожні чотири-п’ять хвилин. Тоді ще не було супутників, але зараз ви побачите і їх у великій кількості. Навколо Землі кружляє понад 2000 супутників, і якщо впродовж п’яти хвилин дивитися на небо не відводячи погляду, то найімовірніше ви побачите один з них, особливо одразу після заходу Сонця або перед світанком, коли воно ще не сіло або вже зійшло над супутником і сонячне світло досі відбивається від нього. Що далі супутник і, відповідно, що більша різниця в часі між заходом Сонця на Землі і на супутнику, то пізніше його можна побачити. Супутники легко розпізнати за швидкістю їх руху: вона найвища за будь-які тіла на небі (не враховуючи метеорів). Якщо щось мерехтить, повірте — це літак.

Коли ми дивилися на зорі, я особливо любив показувати Меркурій. Це найближча до Сонця планета, тому її дуже важко помітити неозброєним оком. На рік випадає лише два десятки вечорів і ранків, коли умови найсприятливіші. Меркурій обертається навколо Сонця лише за 88 днів, тому його й назвали на честь прудконогого римського бога-провісника. А побачити цю планету так складно тому, що її орбіта лежить дуже близько від Сонця. Якщо спостерігати за Меркурієм із Землі, він ніколи не відхиляється від Сонця більше ніж на 25 градусів — це менше, ніж кут між обома стрілками годинника об одинадцятій годині. Меркурій можна побачити лише невдовзі після заходу Сонця і перед світанком у дні, коли він максимально далеко від світила, якщо спостерігати із Землі. У Сполучених Штатах він завжди перебуває низько над горизонтом. Зазвичай Меркурій можна угледіти хіба що за містом. Але як чудово, коли все-таки вдається його відшукати!

Спостерігаючи за зорями, ми наближаємося до розуміння безмежності Всесвіту. Якщо досить довго вдивлятися в нічне небо і дозволити очам звикнути, ми можемо побачити надструктуру віддалених ділянок нашої Галактики, Чумацького Шляху — від 100 до 200 мільярдів зір, які утворюють щось схоже на тонку прозору тканину. Розміри Всесвіту немислимі, але для початку спробуйте уявити собі Чумацький Шлях.

За нинішніми оцінками, у Всесвіті може бути стільки галактик, скільки зір у нашій Галактиці. По суті, спрямовуючи телескоп у глибокий космос, ми бачимо здебільшого галактики (на величезних відстанях окремі зорі розрізнити неможливо), і кожна з них складається з мільярдів зір. Або погляньте на нещодавно відкриту Велику стіну галактик — найбільшу структуру у відомому Всесвіті. Її карту було складено в межах Слоанівського цифрового огляду неба (Sloаn Digital Sky Survey) — масштабного проекту, до якого залучили понад триста астрономів та інженерів і двадцять п’ять університетів та дослідних установ. Спеціально збудований телескоп здійснював спостереження щоночі починаючи від 2000-го і до кінця 2014 року. Довжина Великої стіни становить понад мільярд світлових років. Голова вже йде обертом? Якщо ні, то врахуйте, що розміри видимого Всесвіту (тобто лише тієї його частини, яку ми можемо спостерігати) приблизно 90 міль­ярдів світлових років.

У цьому полягає сила фізики: вона може сказати, що доступний нашому огляду Всесвіт утворено з приблизно 100 мільярдів галактик. Вона також може сказати, що лише 4 відсотки всієї матерії в нашому видимому Всесвіті — це звичайна матерія, з якої складаються зорі, галактики і ми з вами. Близько 23 відсотків припадає на те, що називають темною матерією (вона невидима). Ми знаємо, що вона існує, але не знаємо, що це. Решта 73 відсотки, тобто основна частина енергії у Всесвіті, яку називають темною енер­гією, також невидима. І так само ніхто не має уявлення, що це таке. Суть у тому, що нам не відома природа майже 96 відсотків маси/енергії у Всесвіті. Фізика вже стільки всього пояснила, але багато таємниць досі не викриті, і це, як на мене, дуже надихає.

Фізика досліджує неосяжне, але водночас заглиблюється в мікроскопічні світи, до найдрібніших частинок матерії, наприклад нейтрино, яке в багато разів менше за протон. Саме тут, у сфері крихітного, я проводив більшість часу на початку наукової кар’єри, вимірюючи і фіксуючи вивільнення частинок і випромінювання з радіоактивних ядер. Це була ядерна фізика, але не та, що створює ядерні бомби. Я досліджував, що визначає природу матерії на найбазовішому рівні.

Ви, мабуть, знаєте, що майже вся матерія, яку ви бачите і якої торкаєтесь, складається з елементів, наприклад водню, кисню й вуглецю, поєднаних у молекули, і що найменша частинка елемента — це атом, який складається з ядра й електронів. Ядро, як пригадуєте, складається із протонів і нейтронів. Водень, найлегший і найпоширеніший елемент у Всесвіті, має один протон і один електрон. Але існує форма водню, ядро якого крім протона містить ще й нейтрон. Це ізотоп водню — інша форма того самого елемента. Він має назву дейтерій. Існує навіть третій ізотоп водню, в ядрі якого протон об’єднується із двома нейтронами. Він має назву тритій. Усі ізотопи певного елемента мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів, і в кожного елемента різна кількість ізотопів. Наприклад, у кисню тринадцять ізотопів, а в золота тридцять шість.

Багато ізотопів стабільні, тобто можуть існувати вічно. Але більшість нестабільні, або, інакше кажучи, радіоактивні. Радіоактивні ізотопи розпадаються, тобто вони рано чи пізно перетворюються на інші елементи. Ці елементи можуть бути стабільними (і тоді радіоактивний розпад припиняється), але можуть бути й нестабільними, і в такому разі розпад триватиме, доки елемент не досягне стабільного стану. Із трьох ізотопів водню радіоактивний тільки тритій — він розпадається до стабільного ізотопу гелію2. Із тринадцяти ізотопів кисню стабільні три. Із тридцяти шести ізотопів золота стабільний лише один.

Як ви, мабуть, пам’ятаєте, швидкість розпаду радіоактивних ізотопів характеризується їхнім періодом піврозпаду, який може варіюватися від мікросекунди (одна мільйонна секунди) до міль­ярдів років. Коли ми кажемо, що період піврозпаду тритію приблизно дванадцять років, це значить, що за дванадцять років у певному зразку тритію розпадеться половина ядер (за двадцять чотири роки залишиться тільки чверть). Ядерний розпад є надзвичайно важливим процесом, бо завдяки йому відбувається перетворення і виникнення нових елементів. Це не алхімія. Насправді, працюючи над докторською дисертацією, я часто спостерігав, як радіоактивні ізотопи золота перетворюються на ртуть, а не навпаки — на превеликий жаль середньовічних алхіміків. Утім багато ізотопів ртуті та платини таки перетворюються на золото. Але стабільне золото, яке можна носити на пальці як перстень, отримують тільки з одного ізотопу платини й одного ізотопу ртуті.

Робота була безмежно цікава: радіоактивні ізотопи розпадалися буквально в моїх руках. І це вимагало значних зусиль. Ізотопи, з якими я працював, мали здебільшого короткий період піврозпаду — від одного до кількох днів. Наприклад, період піврозпаду золота-198 — трохи більше двох із половиною днів, тому працювати треба було швидко. Я їхав із Делфта в Амстердам, де в циклотроні створювали ці ізотопи, і мчав назад у лабораторію. Там я розчиняв ізотопи в кислоті, щоб перетворити їх у стан рідини, наносив на дуже тонку плівку і поміщав у детектори.

Я намагався підтвердити теорію, за допомогою якої можна обчислити співвідношення інтенсивності гамма-випромінювання до інтенсивності потоку електронів, які випромінює ядро під час розпаду. І ця робота вимагала точних вимірювань. На той момент таке вже робили з багатьма радіоактивними ізотопами, але було отримано результати вимірювань, що відрізнялися від теоретично обчислених значень. Мій науковий керівник, професор Аалдерт Вапстра, запропонував мені спробувати визначити, в чому проблема — у теорії чи у вимірюваннях. Ця робота дарувала надзвичайне задоволення, як під час збирання складного пазлу з безлічі фрагментів. Складність завдання полягала в тому, щоб отримати значно точніші результати, ніж ті, що були одержані до мене.

На думку деяких дослідників, електрони такі маленькі, що не мають розміру (їхній діаметр менше однієї квадрильйонної сантиметра), а довжина гамма-хвилі — менше ніж одна мільярдна сантиметра. Проте фізика дала мені засоби, щоб виявити їх і виміряти. Це ще одна річ, яка мені подобається в експериментальній фізиці: вона дає змогу «торкнутися» невидимого.