Текст книги "Наука Плоского мира"

Автор книги: Терри Дэвид Джон Пратчетт

Соавторы: Йен Стюарт,Джек Коэн
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 28 страниц) [доступный отрывок для чтения: 11 страниц]

Но даже упрощенная версия этой истории дает ответы на множество загадок, казавшихся ранее неразрешимыми. Ну, например: если атомный вес – это сумма протонов и нейтронов, как же так выходит, что далеко не всегда в результате получается целое число? Почему атомный вес того же хлора 35,453? Оказалось, что имеет место быть два различных подвида хлора. Один с атомным весом 35, содержащий 17 протонов и 18 нейтронов (и, естественно, 17 электронов, столько же, сколько протонов), а другой – 17 протонов и 20 нейтронов (и опять же 17 электронов, тут все без изменений). То есть он содержит на два нейтрона больше, из-за чего его атомный вес и вырастает до 37. Природный хлор представляет собой смесь этих двух подвидов (так называемых изотопов) примерно в пропорции 3 к 1. С химической точки зрения изотопы почти неразличимы, поскольку количество и расположение электронов у них одинаково, и для химических опытов этого достаточно. Однако их атомная физика отличается.

Отсюда даже не-физику (лирику) становится совершенно понятно, почему волшебники Незримого университета считают, что наша Вселенная сделана второпях и из никуда не годных элементов…

Но откуда взялись эти 113 химических элементов? Существовали ли они всегда или появились уже после рождения нашей Вселенной?

Что касается последней, существует пять способов их возникновения.

• Устройте Большой взрыв и создайте вселенную, получив суп из высокоэнергетических «горячих» элементарных частиц. Подождите, пока они остынут или возьмите уже готовые. По всей видимости, помимо полезной материи, вы получите всякие сомнительные штуковины вроде миленьких черных дыр или магнитных монополей, однако все они скоро выкипят, и в сухом остатке у вас будет привычная материя. Электромагнитные силы в такой горячей вселенной слабы и не могут противостоять ее разрывам, но как только все остынет, элементарные частицы смогут объединяться благодаря электромагнитному притяжению. Правда, единственный химический элемент, который возникнет спонтанно, это водород (1 протон + 1 электрон), зато уж его вы получите в избытке: в нашей Вселенной водород – самый распространенный элемент, и почти весь он возник в результате Большого взрыва. Еще элементарные частицы могут образовать дейтерий (1 электрон + 1 протон + 1 нейтрон) или тритий (1 электрон + 1 протон + 2 нейтрона), но тритий, вообще говоря, радиоактивен, то есть, испустив все свои нейтроны, он распадется до простого водорода. Второй по распространенности элемент – гелий (2 электрона + 2 протона + 2 нейтрона) вполне стабилен.

• Включите гравитацию. Водород и гелий начнут собираться вместе, формируя звезды, те самые «топки», о которых говорили волшебники. Давление в центре звезды огромно. Это введет в игру новые ядерные реакции, и вы получите термоядерный синтез, при этом атомы будут сдавлены с такой силой, что объединятся в новые, более крупные атомы. Таким способом образуются всем знакомые углерод, азот, кислород, а также менее распространенные литий, бериллий и так далее, вплоть до железа. Многие из этих элементов встречаются в живых телах, и самый важный из них – углерод. По причине своей уникальной электронной структуры углерод – единственный элемент, атомы которого могут объединяться друг с другом в более крупные и сложные молекулы, без которых жизнь была бы невозможна[21]21
  Кстати, кремний тоже способен на такие штуки, хотя и с натугой; так что, если вы пожелаете завести экзотические формы жизни, вам следует подумать об организации особых вихрей неподалеку от солнца, или о странных квантовых скоплениях в межзвездной плазме, или о совсем уж фантастических созданиях, существующих на нематериальной основе вроде информации, мыслей или нарративиума. ДНК же – совсем другое дело: на базе иной молекулы, также богатой углеродом, создать жизнь проще простого. Уже сегодня это можно сделать в лабораториях, используя упрощенные модификации ДНК. См. Дж. Коэн и Й. Стюарт «Как создать инопланетянина».


[Закрыть]. Отсюда следует вывод: бо́льшая часть атомов, из которых мы с вами состоим, появилась на свет внутри какой-нибудь звезды. Как пела Джонни Митчелл в Вудстоке: «Мы – звездная пыль»[22]22
  Если вы не понимаете, о чем идет речь, поинтересуйтесь у своих родителей.


[Закрыть]. Ученые обожают цитировать эту строчку, видимо чувствуя себя при этом до сих пор молодыми.

• Немного подождите, пока звезды сами не начнут взрываться. Небольшие (относительно, конечно) взрывы называют «novae», то есть «новыми звездами»; другие, куда более сильные, – «super novae», иначе говоря, сверхновыми. «Новые» в данном контексте означает, что до взрыва мы эту звезду не видели и не подозревали о ее существовании, а потом – ба-бах! Взрыв происходит, в частности, потому, что заканчивается ядерное топливо. Вторая причина в том, что питающие звезду водород и гелий сливаются в более тяжелые элементы, которые фактически становятся примесями, нарушающими ход ядерной реакции. Вот так и получается, что проблема загрязнения окружающей среды затрагивает даже сердца звезд. Физические процессы в таких молодых солнцах меняются, наиболее крупные из них взрываются, производя на свет более тяжелые элементы: йод, торий, свинец, уран и радий. Такие звезды астрофизики называют звездным населением II типа – это старые звезды, в которых содержание тяжелых элементов низкое, но все же они присутствуют.

• Бывает еще один тип сверхновых, чрезвычайно богатый на тяжелые элементы. Из таких звезд складывается более молодое звездное население I типа[23]23
  Теоретически должно бы существовать и звездное население III типа, самое старое и целиком состоящее из водорода и гелия. Это бы объяснило присутствие некоторых тяжелых элементов в звездном населении II типа. Однако пока никто такого населения еще не встречал. Впрочем, в 2001 году в двух небольших красных пятнах галактического кластера Абель 2218 была замечена группа неких объектов, которые могут оказаться звездным населением III типа. Эти пятна представляют собой многократно увеличенное изображение одной и той же зоны: это увеличение является результатом феномена «гравитационной линзы», без которого звезды в данной зоне вообще были бы не видны. Впрочем, одна из новомодных теорий вообще отрицает необходимость звездного населения III типа. Ее сторонники полагают, что тяжелые элементы возникли до появления звезд, то есть сразу после Большого взрыва. Следовательно, первые сформировавшиеся звезды принадлежали к населению II типа. Хотя это противоречит всему, что сказано выше, – «враки детям», короче говоря.


[Закрыть]. Благодаря нестабильности атомов в результате радиоактивного распада химических элементов появляются новые элементы. К таким «вторичным» элементам относится, например, свинец.

• И, наконец, кое-какие люди научились изготавливать некоторые химические элементы в процессе особых экспериментов в атомных реакторах. Самым известным среди таких элементов является материал для производства ядерного оружия – плутоний, побочный продукт обычных урановых реакций. Другие, более экзотические и существующие совсем короткое время, были синтезированы в экспериментальных коллайдерах. На сегодняшний день у нас имеется 114 химических элементов, между тем как сто тринадцатого по-прежнему не хватает. Возможно, был создан и 116‑й элемент, а вот заявка на открытие 118‑го, сделанная в 1999 году Национальной лабораторией имени Лоуренса в Беркли, была отозвана. Физики постоянно спорят, кто первым открыл тот или иной элемент и, соответственно, имеет право присвоить ему имя. Поэтому новым тяжелым элементам присваиваются временные (и курьезные) названия, вроде того, которое получил 110-й элемент – унуниллий[24]24
  Теперь получил название дармштадтий по месту первого синтеза.


[Закрыть]: на псевдолатыни это означает «сто десять», то бишь «un-un-nihil».

Подобные недолговечные элементы использовать никак не возможно. Какой же смысл в их синтезе? Ну, примерно такой же, как и в существовании гор: они просто есть. А кроме того, это хорошая возможность проверить на практике некоторые смелые гипотезы. Но прежде всего это шаг навстречу чему-то еще более интересному, если, конечно, оно вообще существует. Иными словами, после того, как вы получили полоний с атомным номером 84, все последующие элементы стали радиоактивными: они испускают частицы, распадаясь на более легкие элементы, и чем больше атомный номер, тем быстрее распад. Однако это не может продолжаться вечно. Мы не умеем создавать точные модели тяжелых атомов. Легких, впрочем, тоже не можем, однако с тяжелыми все еще сложнее.

Многочисленные эмпирические модели (умозрительные гипотезы, основанные на интуиции, догадках и жонглировании константами) привели к созданию удивительно точной формулы, позволяющей рассчитать время жизни элемента с определенным количеством протонов и нейтронов. Для некоторых «магических чисел»[25]25
  Заметьте, сама терминология Круглого мира доказывает, что создавшие ее физики, вполне возможно, происходили из Плоского мира и прекрасно понимали, что их формулы являются скорее заклинаниями, чем настоящими формулами.


[Закрыть] соответствующие атомы необычайно стабильны. Магическими числами для протонов являются 28, 50, 82, 114 и 164; для нейтронов – 28, 50, 82, 126, 184, 196 и 318. Например, самый стабильный элемент – это свинец со всеми своими 82 протонами и 126 нейтронами.

Всего в паре шагов от крайне нестабильного элемента номер 112 находится элемент 114, предварительно названный эка-свинец[26]26
  В 2012 году получил название флеровий.


[Закрыть]. Его 114 протонов и 184 нейтрона – это, можно сказать, двойная порция магии, и теоретически он должен быть стабильнее большинства своих соседей. Неизвестно, однако, насколько достоверна эта теория, поскольку приближенные формулы стабильности для больших чисел могут не работать. Каждый грамотный волшебник знает, что заклинания иногда дают сбои. Тем не менее, допустив, что с заклинанием у нас все в порядке, мы можем немного поиграть в Дмитрия Ивановича Менделеева и попробовать предсказать свойства эка-свинца путем экстраполяции свойств элементов Периодической таблицы, входящих в его группу (углерод, кремний, германий, олово и свинец). Как следует из названия, эка-свинец должен быть металлом, похожим на свинец, с температурой плавления 70 °C, температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 150 °C и плотностью на 25 % большей, чем у обычного свинца.

В 1999 году Институт ядерных исследований в Дубне объявил о синтезе атома элемента 114, хотя его изотоп имел всего лишь 175 нейтронов, то есть до магического числа недотягивал. Но даже такой, он просуществовал целых 30 секунд – невероятно долго для столь тяжелого элемента, а следовательно, магия все еще в силе. Вскоре после этого та же команда объявила о создании целых двух атомов элемента номер 114 со 173 нейтронами. Независимо от физиков из Дубны тот же элемент синтезировали и американские ученые. Тем не менее пока кому-нибудь из них не удастся произвести достаточное количество эка-свинца, а не просто несколько атомов, его свойства останутся для нас загадкой. Впрочем, свойства его ядра, по-видимому, вполне соответствуют теоретическим выкладкам.

Еще дальше находится элемент номер 164 с двойным магическим числом: 164 протона и 318 нейтронов. Все это выглядит так, словно ряд магических чисел можно продолжать… Экстраполяция – неблагодарное занятие, однако даже если в формулу и вкралась ошибка, вполне могут существовать некие конфигурации протонов и нейтронов, которые окажутся достаточно стабильными, чтобы соответствующие элементы появились в реальности. Вернее всего, именно так и возникли на свет черепахиум со слонородом. Кто знает, может быть, где-то ждут своего часа и «пронн» с «ляззгом». А что, если существуют стабильные элементы с гигантскими атомными номерами и размером атомов чуть ли не со звезду? Представим звезду, почти целиком состоящую из нейтронов, образующуюся в ходе коллапса более крупной звезды под действием собственной гравитации. Такие нейтронные звезды должны иметь невероятную плотность: около 40 триллионов фунтов на квадратный дюйм (или 100 миллиардов килограмм на квадратный сантиметр). Это то же самое, что двадцать миллионов слонов, упакованных в ореховую скорлупку! Гравитация на такой звезде в 7 миллиардов раз выше, чем на Земле, а магнитное поле в триллион раз сильнее земного. Частицы в нейтронной звезде находятся так близко друг к другу, что в каком-то смысле она представляет собой один огромный атом.

Какими бы странными они ни были, но некоторые из тяжелых элементов могут таиться в самых неожиданных уголках Вселенной. В 1968 году было высказано предположение, что элементы со 105‑го по 110‑й можно обнаружить в космических лучах – высокоэнергетических частицах, достигающих Земли из глубокого космоса. Однако гипотеза не подтвердилась. Считается, что космические лучи берут свое начало в нейтронных звездах, и вполне возможно, что в таких невообразимых условиях рождаются супертяжелые элементы. Что же случится, если звездное население I типа накопит слишком много таких элементов?

Вероятно, к тому времени астрофизикам придется очень пожалеть, что нумерация поколений звезд идет от III к I: не потребуется ли потом вводить для обозначения таких гипотетических звезд нулевое поколение? Чем черт не шутит, возможно, в будущем во Вселенной обнаружатся объекты, сильно отличающиеся от всего, что нам привычно, и, помимо вспышек новых и сверхновых звезд, мы станем свидетелями более мощных взрывов, каких-нибудь гиперновых. Обнаружатся другие стадии развития, и мы заговорим о звездных поколениях минус I, и так далее. Как мы уже упоминали, в отличие от рационально-неизменного Плоского мира, наша Вселенная придумывает правила по мере надобности.

Глава 9
Получи, собака, кипящую нафту!

КАМУШКИ ВНОВЬ МЯГКО ПОПОЛЗЛИ ДРУГ К ДРУГУ, но, к возмущению Аркканцлера, они двигались какими-то странными извилистыми путями.

– Что и требовалось доказать: гигантская черепаха из камней – это крайне неудачная идея, – со вздохом произнес Главный Философ.

– Ну, ведь уже в десятый раз, – донесся ответный вздох Профессора Современного Руносложения.

– А я предупреждал, что без черепахиума нам не обойтись, – подал голос Аркканцлер.

Результаты предыдущих попыток плавно кружились тут же. Маленькие шарики, большие шары… Некоторые из них уже окутались мантиями из газов, просачивающихся из щелей в беспорядочном нагромождении льда и горных пород, из которых они состояли. Казалось, что у нарождающейся вселенной имеются какие-то собственные соображения насчет своего устройства, но ей никак не удается их сформулировать.

К тому же, как заметил Аркканцлер, как только там появится место, куда сможет поставить ногу приличный человек, ему потребуется чем-то дышать, не правда ли? Нет, атмосферы на шариках появились словно по команде, но что это были за атмосферы? Даже тролль с негодованием отказался бы дышать такой дрянью.

Аркканцлер объявил, что поскольку боги в данном случае отсутствуют – а неоднократные стандартные тесты не выявили ни малейшего следа богорода, – волшебникам придется самим засучить рукава.

Между тем в здании факультета Высокоэнергетической Магии становилось тесновато. Даже студенты крутились неподалеку, тогда как обычно их днем с огнем было не сыскать. Наблюдать за Проектом куда интереснее, чем всю ночь играть с ГЕКСом, поедая бананово‑селедочную пиццу.

В комнату втаскивали все новые и новые столы. Мало-помалу Проект обрастал приборами и приборчиками. Все выглядело так, словно каждый уважающий себя волшебник (кроме разве что Профессора Диковинного Кружевоплетения) решил, что для его работы ему позарез необходим доступ к Проекту. Впрочем, места пока хватало всем. В то время как снаружи Проект был не более чем в фут шириной, пространство внутри его увеличивалось с каждой секундой. В конечном итоге места во вселенной тоже более чем достаточно.

Хотя обычно отдельные невежественные дилетанты яростно ополчались против совершенно невинных магических экспериментов (даже тогда, когда шанс прорвать ткань реальности был меньше, чем один к пяти), никто из собравшихся не возражал абосолютно ничему.

Все же без инцидентов не обошлось…

– Эй вы, двое! Немедленно прекратите орать! – завопил Главный Философ, обращаясь к парочке студентов. Те вели весьма оживленный спор, ну, или по крайней мере озвучивали каждый свою точку зрения, стараясь делать это как можно более громогласно, что в большинстве случаев с успехом заменяет отсутствующие аргументы.

– Но сэр! Я потратил бездну времени на то, чтобы слепить маленький ледяной шарик, а он запустил в него свою треклятую каменюку!

– Я не хотел! – оправдывался второй.

Главный Философ вперился в студента, пытаясь вспомнить его имя. Как правило, он избегал знакомств с учащимися, поскольку считал последних досадной помехой нормальному течению университетской жизни.

– А что именно ты хотел сделать, эээ… мой мальчик? – наконец спросил он.

– Ну, я пытался попасть камушком в газовый шар, сэр. Но он почему-то начал кружиться вокруг этого шара, сэр.

Главный Философ обернулся. Декана поблизости не наблюдалось. Тогда он снова посмотрел на Проект.

– А. Понятно. Что же, очень мило. Все эти полосочки. Кто это сотворил?

Один из студентов поднял руку.

– Ах да, ты, – кивнул Главный Философ. – Молодец, полоски просто чудо. А из чего они?

– Просто собрал вместе немного льда, сэр. Но он вдруг начал нагреваться.

– Да ну? Ледяной шарик стал самопроизвольно нагреваться?

– Шар получился большой, сэр.

– Вы рассказали об этом господину Тупсу? Ему такое может понравиться.

– Да, сэр.

– Хорошо. А зачем ты запулил камнем в газовый шар? – поинтересовался Главный Философ у второго студента.

– Ну-у… Затем, что за каждое попадание тебе присуждают десять очков.

Главный Философ по-совиному взглянул на студентов. Ему все стало ясно. Как-то ночью уважаемому профессору не спалось, и он забрел в здание факультета Высокоэнергетической Магии. Там обнаружилась группа студентов, сгрудившихся у клавиатуры ГЕКСа и выкрикивающих нечто вроде: «А вот я тебя тараном!» или: «Ха! Получи, собака, кипящую нафту!». Но заниматься подобным при сотворении совершенно новой вселенной… Это было по крайней мере неучтиво.

С другой стороны, Главный Философ разделял невысказанную идею своих коллег, что расширять границы познания… Ну, как-то тоже неучтиво, что ли? Границы ведь были установлены не просто так, верно?

– То есть ты утверждаешь, – начал он, – что, столкнувшись лицом к лицу с бесконечным многообразием возможностей, предлагаемых Проектом, вы использовали их для игры?

– Эээ… Ну да, сэр.

– Ох. – Главный Философ подозрительно присмотрелся к большому газовому шару: вокруг него вращалось множество маленьких камешков. – Что же, раз так… Могу я тоже поучаствовать?

Глава 10
Форма вещей

КАЖДЫЙ РАЗ, КОГДА ВОЛШЕБНИК ОБНАРУЖИВАЕТ КАКУЮ-НИБУДЬ НОВУЮ ШТУКОВИНУ, ОН НАЧИНАЕТ С НЕЙ ИГРАТЬ. Ученые поступают так же. Они играют с идеями, которые с точки зрения здравого смысла кажутся абсолютно абсурдными, обычно настаивая при этом, что идеи-то верны, а вот здравый смысл попал впросак. И как ни странно, часто добиваются успеха. Однажды Эйнштейн презрительно обозвал здравый смысл глупостью, но тут он, пожалуй, немного перегнул палку. Наука и здравый смысл все-таки связаны, пусть и не напрямую. Наука приходится здравому смыслу кем-то вроде четвероюродной племянницы. Здравый смысл – это наглядная демонстрация того, какой именно представляется Вселенная существу наших размеров, телосложения и темперамента. В частности, здравый смысл говорит нам, что Земля – плоская. Да, если пренебречь холмами, долинами и прочими ухабами и рытвинами, она действительно выглядит плоской. В конце концов, если бы она не была плоской, мы бы все так бы с нее и посыпались. Однако, несмотря на эти здравые доводы, Земля отнюдь не плоская.

А вот в Плоском мире, напротив, связь здравого смысла и реальности тесна и неразрывна. Здравый смысл говорит волшебникам Незримого университета, что Мир Диска – плоский, и он на самом деле плоский. Чтобы это доказать, им нужно всего лишь подойти к его Краю и посмотреть, как все исчезает за Краепадом. Так в свое время поступили Ринсвинд и Двацветок в «Цвете волшебства»: «Рев зазвучал громче. В нескольких сотнях ярдов на поверхности показался кальмар, который превосходил размерами все, когда-либо виденное Ринсвиндом. Щупальца чудовища бешено колотили по воде, пока оно опять не ушло в глубину… Мир приближался к Краю»[27]27
  Цит. по пер. А. Жикаренцева и И. Кравцовой.


[Закрыть]. Все свалившееся оттуда попадает в Окружносеть – невод размером в десять тысяч миль, протянутый у Края, маленький участок которого, кстати, контролирует морской тролль Тефис. И вот что увидели бы волшебники: «…открывающаяся внизу картина одним рывком перешла в новую, целостную, пугающую перспективу. Там, внизу, торчала слоновья голова, огромная, как средних размеров континент… Под слоном ничего не было, кроме далекого, режущего глаз диска солнца. Мимо Солнца, покрытый чешуйками величиной с город и щербинами кратеров, изрезанный, словно Луна, неторопливо проплывал плавник».

Считается, что древние люди полагали Землю плоской именно по этим очевидным с точки зрения здравого смысла причинам. На самом же деле, согласно сохранившимся записям, уже в древности большинству цивилизаций[28]28
  «Большинство цивилизаций» – это не то же самое, что «большинство людей». Большинству людей на планете вообще без разницы, какой формы Земля, лишь бы она продолжала поставлять им еду.


[Закрыть] было известно, что наша планета шарообразна. Ведь корабли возвращались из земель, невидимых за горизонтом, а в небе висели круглые солнце и луна – вполне понятная подсказка.

Именно в этом у науки и здравого смысла есть что-то общее. Наука – это тоже своего рода здравый смысл, примененный к так называемой очевидности. Используя здравый смысл таким манером, неизбежно придешь к выводам, которые будут сильно отличаться от само собой напрашивающихся умозаключений, диктуемых тривиальным здравым смыслом и сводящихся к тому, что если вселенная кажется такой, следовательно, она такая и есть. Отсюда уже рукой подать до идеи, что если ты живешь на поверхности огромного шара, то, с твоей точки зрения, она покажется плоскостью. Между прочим, поскольку гравитация всегда направлена к центру этого шара, никто с него никуда не упадет. Но это так, небольшое замечание.

Около 250 года до н. э. грек Эратосфен Киренский уже доказал теорию сферической Земли и более того – вычислил ее размеры. Он использовал тот факт, что в Сиене (современный Асуан) полуденное солнце отражается на дне колодца. (Вот в Анк-Морпорке у него бы ничего не получилось, там колодезная вода бывает тверже камней, из которых сделан колодец.) Эратосфен сложил вместе два и два, однако получил гораздо больше, чем ожидал.

В конце концов, это всего лишь вопрос геометрии. Колодец выкопан вертикально. Следовательно, солнце в Сиене стоит точно над головой. Но в своей родной Александрии, находящейся в дельте Нила, Эратосфен ничего подобного не наблюдал. Напротив, в полдень, когда солнце стояло в зените, предметы отбрасывали заметную тень. Он вычислил, что в полдень угол между солнцем и вертикалью составляет там около 7°, то есть примерно 1/50 от 360°. Затем в дело пошла дедукция. Где бы ни находился наблюдатель, солнце будет в одной и той же точке. Известно, что оно сильно удалено от Земли, поэтому его лучи и в Сиене, и в Александрии падают на Землю практически параллельно друг другу. По мнению Эратосфена, все это можно объяснить лишь в том случае, если Земля шарообразна, и он сделал вывод, что расстояние от Сиены до Александрии – 1/50 от окружности планеты. Но каково же расстояние между ними?

Тут весьма кстати пришелся бы знакомый караванщик. Дело не только в том, что величайшим математиком всех времен и народов является верблюд Верблюдок из Плоского мира (не верите – прочитайте «Пирамиды»), но и в том, что путешествие из Александрии в Сиену на верблюдах занимает ровно пятьдесят дней. За день верблюд проходит около сотни стадиев. Следовательно, расстояние составляет около 5 тысяч стадиев, а радиус Земли – примерно 250 тысяч стадиев. Стадий – это древнегреческая мера длины, и никто на самом деле не знает, чему же она равнялась. Специалисты полагают, что один стадий равен 515 футам (или 157 метрам). Если они правы, то результат Эратосфена составил 24 662 мили (39 690 км), тогда как, по современным расчетам, длина окружности Земли – 24 881 миля (40 042 километра). Как видите, Эратосфен подсчитал все на удивление точно. Если только вышеозначенные специалисты не подогнали результат под правильный ответ в конце задачника. Простите, но мы, ученые, – неисправимые скептики.

Настал черед познакомиться с еще одной особенностью научного мышления. Для того чтобы найти связь между теорией и экспериментом, вы должны интерпретировать результат в рамках данной теории. Чтобы немного прояснить этот момент, мы расскажем вам историю одного дальнего родственника Себя‑режу‑без‑ножа Достабля, Отвратосфена из Эфеба, который доказал, что Плоский мир представляет собой шар, и даже умудрился вычислить длину его окружности. Отвратосфен заметил следующее: в полдень в Овцепикских горах солнце стоит прямо над головой, тогда как в Ланкре, что в тысяче километров от Овцепиков, оно отклоняется, угол его наклона составляет 84° градуса от вертикали. Поскольку 84° составляют четверть от 360°, Отвратосфен сделал вывод, что Плоский мир – сферический и расстояние от Овцепиков до Анк-Морпорка равняется четверти длины его окружности. В итоге у него получилась окружность приблизительно в 4 тысячи миль (6400 км). К сожалению, как всем известно, от одного края Плоского мира до другого насчитывается 10 тысяч миль (или 16 тысяч км). Но нельзя же было допустить, чтобы какой-то случайный факт разрушил такую красивую теорию! Так что Отвратосфен до самой своей смерти свято верил, что живет в очень маленьком мире.

Его ошибка была в том, что он интерпретировал верные данные наблюдений в рамках ложной теории. Ученые постоянно возвращаются к устоявшимся теориям, чтобы проверить их заново, чем вызывают негодование со стороны жрецов, как религиозных, так и светских, полагающих, что знают ответ на любой вопрос. Наука – это вовсе не коллекция «фактов», а способ задавать неудобные вопросы и подвергать их проверке реальностью, тем самым противореча общечеловеческому желанию верить во что-то приятное.

* * *

С древних времен людей интересовала не только форма самой Земли, но и форма Вселенной. В самом начале им, вероятно, казалось, что это одно и то же. Потом, используя примерно ту же логику, что и Эратосфен, они обнаружили, что огоньки на небе находятся очень далеко. Тогда они сочинили замечательные мифы об огненной колеснице бога Солнца, и все такое прочее в том же духе. Тем не менее, после того как вавилонянам пришла в голову свежая идея все точно измерить, они научились отлично предсказывать затмения и движение планет. Во времена Клавдия Птолемея (ок. 100 – ок. 160) наиболее точная модель планетарного движения основывалась на сериях эпициклов: планеты движутся по замкнутому кругу, центр которого движется по другому замкнутому кругу, а центр этого круга, в свою очередь, тоже…

Исаак Ньютон заменил эту теорию и ее многочисленные последующие уточнения законом гравитации, то есть правилом, согласно которому каждое тело во Вселенной притягивается ко всем остальным телам. Это объясняло и открытие Иоганном Кеплером того, что планеты движутся по эллиптическим орбитам, а по прошествии некоторого времени объяснило и множество других вещей.

Прошло несколько веков ошеломляющего успеха, и ньютоновская теория столкнулась с первым поражением: гипотеза об орбите Меркурия, сделанная на ее основе, не оправдалась. Точка на орбите в том месте, где Меркурий находится на максимальном приближении к Солнцу, движется не совсем так, как предсказывает закон Ньютона. И тут на помощь пришел Эйнштейн со своей теорией, основанной не на силах притяжения, а на принципах геометрии и форме пространства-времени. Это была знаменитая теория относительности. Теория Эйнштейна существует в двух вариантах: специальная теория относительности (СТО) и общая (ОТО). СТО посвящена вопросам пространства, времени и электромагнетизма; ОТО описывает, что получается, когда ко всему вышеперечисленному вы добавляете гравитацию.

Следует заметить, что «теория относительности» – не вполне неудачное название. Главная идея СТО не в том, что все на свете относительно, а в том, что одна-единственная вещь – скорость света – неожиданно оказывается абсолютной. Проведем хорошо известный вам мысленный эксперимент. Представьте, что вы едете в автомобиле со скоростью 50 миль в час (80 км/ч) и стреляете по направлению движения из ружья. Пуля летит со скоростью 500 миль в час (805 км/ч) относительно автомобиля и попадает в неподвижную мишень на скорости, равной сумме двух этих скоростей, то есть 550 миль в час (885 км/ч). Но если вы будете светить фонариком, «выстреливающим» свет со скоростью 670 000 000 миль в час (108 000 000 км/ч), то скорость света отнюдь не станет 670 000 050 миль в час. Она останется точь-в‑точь такой же, как если бы вы светили фонариком из неподвижной машины.

Практическая реализация подобного эксперимента несколько сложновата, но менее зрелищные и опасные опыты демонстрируют, что результат окажется именно таким.

Эйнштейн опубликовал СТО в 1905 году вместе с первыми обоснованиями квантовой механики и новаторской работой о диффузии. Множество людей, среди которых были голландский физик Хендрик Лоренц и французский математик Анри Пуанкаре, уже работали над схожей идеей, поскольку электромагнетизм иногда вступал в противоречие с ньютоновской механикой. Они сделали вывод, что Вселенная намного сложнее, чем диктует нам здравый смысл, хотя ученые наверняка выразили эту мысль как-то иначе. По мере достижения скорости света объекты сжимаются, время начинает ползти как улитка, а масса стремится к бесконечности. При этом ничто не может якобы обогнать свет. Другая ключевая идея заключалась в том, что пространство и время – взаимообратимы. Три традиционных пространственных измерения и время образуют единое четырехмерное пространство‑время, а точка в пространстве становится событием в пространстве-времени.

В привычном нам пространстве существует такое понятие, как расстояние. В СТО есть аналогичная величина, именуемая интервалом между событиями, обусловленным видимым течением времени. Чем быстрее движется объект, тем медленнее для наблюдателя, находящегося на этом объекте, течет время. Этот эффект назвали замедлением времени.

Если ваша скорость станет равной скорости света, время для вас остановится.

Одним из любопытных следствий из теории относительности является «парадокс близнецов», описанный Полем Ланжевином в 1911 году. Это, так сказать, классическая ее иллюстрация. Предположим, что Розенкранц и Гильденстерн родились в один и тот же день. Розенкранц – домосед, всю жизнь остающийся на Земле. Гильденстерн же путешествует со скоростью света и через год возвращается домой. Из-за замедления времени этот год превратится для Розенкранца в 40 лет. Получится, что Гильденстерн окажется моложе своего брата на 39 лет. Эксперименты с атомными часами, облетевшими вокруг Земли на реактивном самолете, вроде бы подтверждают подобный сценарий, однако по сравнению со скоростью света самолет движется слишком медленно, поэтому замеченная (и предсказанная) разница составила всего лишь доли секунды.

Пока все у нас идет отлично, однако гравитация сюда никак не вписывается. Несколько лет Эйнштейн ломал голову, пока не придумал, как это сделать: он допустил, что пространство‑время искривлено. Появившаяся в результате его трудов теория и стала общей теорией относительности, являющейся синтезом ньютоновской гравитации и СТО. По мнению Ньютона, гравитация – это сила, отклоняющая материальные частицы с идеально прямого пути, которым они иначе могли бы свободно следовать. Согласно же ОТО, гравитация – это никакая не сила, а искажение структуры пространства-времени. Принято говорить, что пространство‑время «искривляется», хотя этот термин зачастую вводит в заблуждение. В частности, это не означает, что пространство‑время искривляется вокруг чего-то еще. В физическом смысле искривление – это та же гравитация, под воздействием которой изгибаются световые лучи, и в результате появляются, к примеру, «гравитационные линзы». Иначе говоря, искривление света массивными объектами, которое Эйнштейн открыл в 1911 году и опубликовал свои результаты в 1915‑м. Впервые этот эффект был замечен во время солнечного затмения. Не так давно, наблюдая в телескоп за далекими квазарами, ученые обнаружили, что изображения некоторых из них мультиплицируются, так как их свет искривляется галактикой, находящейся на его пути.