Наука Плоского мира - Йен Стюарт

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.