П. 1 от 85
© 2013 от Дейв Голдбърг
© А. Бродоцкая, превод на руски език, 2015 г
© Издателство AST LLC, 2015
* * *
Рецензии на книги
"Вселената в огледалото за обратно виждане"
......Вселената в огледалото за обратно виждане е страхотно четиво за всеки, който иска да разбере защо нашата вселена е толкова сложна и толкова прекрасна... Голдбърг е великолепен спътник, който ще ви отведе до вашата дестинация – да се възхищавате на красотата на Вселената.
...Математическите симетрии са изпълнени с отговори на много въпроси, но Голдбърг в цялата си остроумна и лесна книга поставя важни етапи за читателя, не претоварен с математически изчисления. Съвет: Не пропускайте многобройните бележки под линия, пълни с хумор за високочело!
...Голдбърг има изтънчено чувство за хумор и абсурд - и той е страхотен в обяснението защо това, което приемаме за даденост, например равенството на гравитационните и инерционните маси, всъщност е много странно и не съвсем очевидно... Тази книга е малко като остро влакче, построено в Мория на Толкин.
...Леле, колко интересна може да бъде темата за симетрията! Физикът Дейв Голдбърг отвежда читателя направо във водовъртежа на мащабните физически концепции, но в същото време управлява кораба толкова сръчно, че читателят не рискува да се удави.
...Една смислена, не претоварена с математика и необичайно увлекателна книга за понятието симетрия във физиката... Книгата на Голдбърг е написана от началото до края, достъпна и хумористична... Авторът щедро подправя обясненията си с препратки към популярната култура – от Доктор Кой и Люис Карол към Angry Birds "- и благодарение на очарователния начин на представяне, прави дори най-сложните теми прости.
...Голдбърг говори за десет от най-фундаменталните качества на Вселената с постоянен хумор и в същото време фино, дълбоко и разбираемо.
...Тази книга е забавно и вълнуващо изследване на основни физически понятия, което, наред с други неща, включва история за една от невъзпетите героини на физиката, за гигант, на чиито рамене са застанали много физици - за Еми Ньотер!
...Дейв Голдбърг подрежда истински увеселителен парк от завладяващи любопитства, озадачаващи парадокси и фин хумор... Той перфектно обяснява на читателя каква е ролята на симетрията във физиката, астрономията и математиката. Прекрасна история за една прекрасна вселена!
...Не слизайте! Тази книга е истински подарък за всеки читател, който се интересува от всички чудеса на нашата прекрасна вселена. Ако основните понятия и закони на физиката се преподават в училищата толкова ясно и весело, както Дейв Голдбърг говори за тях в книгата си, щяхме много по-добре да привличаме младите хора към науката.
...Тази книга е почти толкова мащабна по тематика, колкото физическата вселена, за която разказва толкова прекрасно. Но основното, може би, е, че Голдбърг пише подробно за подценяваните заслуги на Еми Ньотер. Нейната теорема, според която има запазено количество за всяка симетрия, обединява голямо разнообразие от области на физиката, а Голдбърг обяснява как и защо.
...Дейв Голдбърг говори за това как симетрията оформя Вселената с такова умение, че е удоволствие да се чете книгата му. Неговите истории - от "коана за каоните" и царството на мравките до суматохата около Хигс бозона - е невъзможно да се откъснете, а в същото време са изключително информативни.
Четенето на тази книга е като да слушате лекция на най-прекрасния учител по физика в света! Голдбърг говори за физиката всичко, което сте искали да знаете, но се поколеба да попита, например, дали може да бъде построен Tardis или какво ще се случи, ако Земята бъде засмукана в черна дупка. Задължително четиво за всеки, който иска да разбере природата на Вселената - и в същото време да се смее!
Посветен на Емили, Уила и Лили - вие сте моят живот, любов и вдъхновение
Трябва да се помни, че това, което наблюдаваме, не е природата като такава, а природата, подложена на нашия метод за задаване на въпроси.
Вернер Хайзенберг
Въведение
В който ви казвам какво и как, така че е по-добре да не го прелиствате
Защо има нещо в света, а не нищо? Защо бъдещето не е същото като миналото? Защо такива въпроси хрумват на сериозен човек?
Когато говориш за популярна наука, изпадаш в някакъв дързък скептицизъм на посветения. Четете всички тези туитове и блогове - и оставате с впечатлението, че теорията на относителността не е нищо повече от празно бърборене на някой пич на парти, а не една от най-успешните физически теории в човешката история, която е устояла на всички експериментални и наблюдателни тестове за сто години ...
От гледна точка на непосветените физиката е нещо болезнено претоварено с всякакви закони и формули. Не може ли да е по-просто? А самите физици често се наслаждават на отделната сложност на своите проекти. Когато преди сто години сър Артър Единингтън беше попитан дали е вярно, че само трима души в света разбират общата теория на относителността на Айнщайн, той се замисли и след това небрежно отбеляза: „Опитвам се да разбера кой е третият“. Днес теорията на относителността е включена в стандартния арсенал на всеки физик, преподава се ден след ден на вчерашните и дори днешните ученици. Така че е време да се откажем от арогантната мисъл, че разбирането на тайните на Вселената е достъпно само за гении.
Дълбоките прозрения в структурата на нашия свят почти никога не са били резултат от изобретяването на нова формула, независимо дали сте Едингтън или Айнщайн. Напротив, пробивите почти винаги се случват, когато осъзнаем, че сме мислили, че са различни неща, но всъщност са едно и също нещо. За да разберете как работи всичко, трябва да разберете симетрията.
Големият физик на 20-ти век, нобеловият лауреат Ричард Файнман оприличи света на физиката на игра на шах. Шахът е игра, пълна със симетрия. Завъртете дъската на половин оборот - тя ще изглежда точно както в началото. Формите от едната страна, с изключение на цвета, са почти идеални огледални изображения на форми от другата. Дори правилата на играта са симетрични. Ето как го изразява Файнман:
...Според правилата епископът се движи по шахматната дъска само по диагонал. Можем да заключим, че без значение колко хода са изминали, определен епископ винаги ще остане на белия квадрат ... Ще бъде така и за доста дълго време - но изведнъж откриваме, че епископът е на черното поле ( всъщност това се случи: за този път епископът беше изяден, но една от пионките стигна до последния ред и стана епископ на черното поле). Така е и с физиката. Имаме закон, който действа универсално дълго, дълго време, дори когато не можем да проследим всички детайли, и тогава идва моментът, когато можем да отворим нов закон.
Текуща страница: 7 (общо на книгата има 24 страници) [достъпен пасаж за четене: 16 страници]
Защо всяка от тези звезди не може да има една и съща великолепна свита, като нашето Слънце – свита от планети, на които обслужват луните?
И нищо лошо не му се случи - поне църквата не му направи нищо.
Когато отидеш някъде, така или иначе ще дойдеш някъде
Коперник е един от първите, осъзнали великата истина: нашето място във Вселената е незабележимо. Този урок трябва да се научава отново и отново от човечеството. Нашата посредственост се простира далеч отвъд Слънчевата система. Галилей отбеляза, че във Вселената има безброй звезди и всеки има равно право да претендира за титлата център на Вселената.
Система от кълбовидни купове, проектирани върху равнината на галактиката. Галактическата дължина е отбелязана на всеки тридесет градуса. „Локалната система“ се намира изцяло в най-малкия кръг, ограден от плътна линия, с радиус от хиляда парсека. По-големите плътни кръгове също са хелиоцентрични, но радиусите им се увеличават на интервали от 10 000 парсека. Пунктираната линия маркира предполагаемата основна ос на системата, пунктираните кръгове са концентрични по отношение на нейния център. Точките са около четири пъти действителните диаметри на клъстерите в този мащаб. Девет клъстера са на повече от 15 000 парсека от равнината на галактиката и не са включени в тази диаграма.
През 1918 г. астрономът Харлоу Шапли картографира 69 кълбовидни купа в Млечния път. Това са много близки купове от сто хиляди звезди или дори повече и беше разумно да се предположи, че кълбовидните купове са разпределени симетрично спрямо центъра на галактиката. Шепли откри, че нашето място не е привилегировано, дори в нашата собствена галактика. Ние сме само една от около 10 милиарда звездни системи в отдалечена провинция.
Дъглас Адамс също пише за това:
Някъде в задните улици на немоден регион на западния спирален ръкав на Галактиката, който дори не е на картата, има малко, незабележимо жълто слънце. На разстояние около деветдесет и две 44
Адамс не е астроном и по този въпрос англичанин, така че ще му простим грешката при превода на метричните мерки. Всъщност тази стойност е по-близо до 93 милиона мили.На милиони мили около него се върти напълно невзрачна зелено-синя планета, чиито жители, произлезли от маймуни, са толкова примитивни, че все още смятат електронния часовник за нещо изключително.
(Превод Ю. Аринович)
Но това далеч не е краят. През 20-те години на миналия век Едуин Хъбъл показа, че нашата галактика е само една от колосалния брой островни вселени, летящи през космоса. Както вече видяхме, проучването SDSS е позволило да се картографират над сто милиона галактики, но според най-консервативните оценки общият брой в наблюдаваната вселена е няколко трилиона. Средно тези трилиони галактики изглежда са разпределени в пространството със забележителна еднородност. На езика на симетрията това означава, че Вселената хомогенна... По същия начин изглежда, че северното полукълбо на Вселената е повече или по-малко същото като южното. Отново, научно казано, Вселената изглежда е такава изотропен.
Тези наблюдения формират основата на така наречения космологичен принцип. По същество той казва, че Вселената е горе-долу еднаква навсякъде и във всички посоки. Наблюденията потвърждават това, но всъщност космологичният принцип е аксиома. По-скоро като предположението, че неизменността на физическите закони ни позволява да интерпретираме миналото и да предскажем бъдещето, космологичният принцип ни позволява разумно да интерпретираме данни, получени от други части на Вселената.
Дължим първите си проблясъци за разбиране какво представлява Вселената извън нашата галактика на Едуин Хъбъл. Както видяхме, той не само ни показа мащаба на Вселената, но също така откри, че почти всички галактики във Вселената сякаш се отдалечават от нас.
Идеята, че Вселената се разширява вероятно е насадила във вас погрешната идея, че Вселената има център. Не, Вселената няма център. За да разберете защо, трябва да поговорите малко за относителността. Това вече го видяхме специалентеорията на относителността предполага тясна връзка между времето и пространството. И гений общтеорията на относителността е, че според нея гравитацията е способна да огъва както пространството, така и времето, както и двете едновременно.
Разширяващата се вселена като гумен лист
Ако нямате интуитивно усещане за това каква е кривината на пространството, не се измъчвайте. Много лесно е да се объркате в уравнения и формули. За щастие обаче Международната гилдия на защитниците на космологията има отлична аналогия и ако ми дадете думата си да не я приемам твърде буквално, ще последвам примера на моите колеги.
Залепете шепа малки пластмасови галактики върху огромен гумен лист.
Намерете компания от силни мъже и заедно с тях хванете чаршафа от всички страни.
Издърпайте правилно.
Мравка, живееща в една от галактиките, ще се счита за пъпа на Вселената, тъй като всички други галактики от нейната гледна точка ще се отдалечат. Освен това, колкото по-голямо е разстоянието между две галактики, толкова по-бързо - от гледна точка на мравката - те ще се отдалечат една от друга: това е ефектът, който Хъбъл наблюдава.
Мога да те хвърля във всяка галактика и ако имаш достатъчно егоцентричност, ще се смяташ за център на Вселената. Въпреки това – и това е най-важното – всеки наблюдател във всяка галактика ще види същото.
Завъртете часовника на Вселената в обратна посока и разстоянията между всички галактики ще се свият до нула. Къде се случи Големият взрив? И навсякъде!
Въпреки това, да се приема тази аналогия твърде буквално е опасно. Една особено упорита мравка, само погледнете, ще построи очарователен звездолет и ще отиде, например, да търси ръба на гумен лист. Но в нашата (негумена) вселена е принципно невъзможно да се стигне до ръба, няма за какво дори да мечтаем. Вселената няма център - нито краища. Така че ни остават само две възможности.
Първото, честно казано, смразява душата. Може да се окаже, че Вселената наистина е безкрайна. Тоест не просто много, много голям, а наистина безкраен. Помислете за това - това е безкрайно!
Тороидална вселена
Ще се върнем към практическите разлики между гигантската и безкрайната вселена, но лично аз съм много по-утешен от вариант номер две: може би Вселената е затворена в себе си. Все едно Pac-Man изчезва от едната страна на екрана и след това се появява отново от противоположната страна. От гледна точка на Pak-Man, той продължава и не може да стигне до края.
Не се притеснявайте - Земята се държи по същия начин. Ако пренебрегнете демаркационните линии, произволно определени от нашите братя, като линията на датата, можете да вървите безкрайно на изток - и няма да стигнете нито до ръба, нито до центъра. Постоянно ще минавате през едни и същи места – това е всичко.
От практическа гледна точка няма голяма разлика между безкрайна и повтаряща се вселена. Разширяването на Вселената и ограничената скорост на светлината заговорничат, за да ни попречат дори да летим из Вселената и да се върнем към началната си точка. Но това не ни пречи да зададем следващия въпрос: какъв е размерът на Вселената?
Вселена: една или много?
Пространството е голямо. Силно.
Но не можем да кажем точно какъв размер е, честно казано. Не сме в състояние да разгледаме цялата Вселена, тъй като тя съществува само от 14 милиарда години, а скоростта на светлината е такава, каквато е. На Земята линията, отвъд която не можем да погледнем, наричаме хоризонт и това важи и за Вселената като цяло.
По принцип можем да поберем трилиони галактики в този хоризонт, но никъде не се казва, че всичко това ще свърши дотук. Има много реална възможност Вселената отвъд хоризонта, където не я виждаме, изобщо да не е същата като наблизо. Не само, че не сме в състояние да различим какво се случва на стотици милиарди светлинни години от нас, т.к общо взето всичкисе движи или със скоростта на светлината, или по-бавно: всичко отвъд хоризонта по никакъв начин не се влияе от случващото се тук на Земята.
Но това не е достатъчно: тъй като Вселената се разширява с ускорение, се оказва, че с течение на времето все повече и повече галактики ще изчезват от нашето зрително поле. Галактиките в нашия хоризонт са само на 60 милиарда светлинни години от нас. И всичко, което се случва по-нататък, завинаги ще остане мистерия.
Всичко, което е извън нашия хоризонт, от всяка практическа гледна точка е друга, независима вселена и следователно, независимо дали ни харесва или не, ние живеем в множествена вселена- в известен смисъл. Ако сте ценител на научната фантастика 45
Разбира се, експерт, как иначе.
Те са поне повърхностно запознати с идеята за множествена вселена, но всеки разбира израза „множествена вселена“ по свой начин. За наш късмет, физикът от MIT Макс Тегмарк разработи подробна йерархична класификация на множество вселени. Честно казано, всичко в тази класификация, с изключение на първото ниво, в което така или иначе не се съмняваме, е изключително спекулативно - и колкото по-далеч, толкова по-спекулативно. Така че нека се съгласим, че засега просто подреждаме всичко по рафтовете.
Множество вселени от първо ниво. Вселената е много голяма, но може да бъде разбрана
От практическа гледна точка е напълно възможно всяка част от Вселената с размери 100 милиарда светлинни години да се разглежда като остров. Ако обаче островите не са свързани помежду си, възниква резонният въпрос защо се е случило това и защо всеки отделен обект трябва да бъде като всички останали.
Представете си, на този въпрос е напълно възможно да получите отговор. Но първо излагаме факт, потвърден от наблюдения: ние сме заобиколени от радиация, останала от началото на Вселената, и това излъчване е еднородно с точност от около сто хилядна. Този факт става още по-странен, когато си спомним, че светлината, влизаща в нас "отгоре" и "отдолу" - от северния и южния полюс - идва от невероятно отдалечени точки на Вселената. Двата фотона от тези потоци най-вероятно никога не са били в региони, които някога са били в топлинен контакт един с друг.
Това е един от най-дълбоките и болезнени въпроси в космологията. Първоначално Вселената беше много малка, но не продължи дълго. Изглежда, че регионите в небосвода на разстояние повече от градус не са имали възможност да се смесват помежду си - и въпреки това Вселената като цяло изглежда изненадващо хомогенна. Нека ви напомня, че това е едно от предположенията на космологичния принцип.
През 80-те години на миналия век Алън Гът, тогава в Националната лаборатория за ускоряване на SLAC, предположи, че инфлацията ще заобиколи проблема с хоризонта. И въпреки че не се вписва добре в главата, предварително ви предупреждавам, че в момента инфлационният модел се превърна в догма за повечето космолози. Тя ни позволява да обясним огромен брой явления във Вселената във формата, в която я наблюдаваме.
В първите моменти от съществуването на множествената вселена тук цареше кипяща дейност, особено през първите 10-35 секунди. В този кратък момент Вселената е претърпяла колосално експоненциално разширение и отделни области от пространството – отделни мехурчета – са нараснали 10-60 пъти или повече.
Ако хипотезата за инфлацията е вярна и ние, повтарям, на практика сме убедени, че е така, тогава все още има много пространство извън видимото пространство. Всеки балон е вселена сама по себе си и е лесно да си представим, че ако има достатъчно от тях, тогава много от тях биха могли да бъдат подобни на нашите, вероятно дори точно като нашите. Според повечето модели на инфлация, мехурчетата създават други мехурчета – и така нататък до безкрай, а резултатът е безкрайната вселена, която толкова много ни изплаши в началото.
Какви измерения трябва да достигне множествената вселена от първо ниво, за да има всеки човек на Земята, за да има точен двойник? Просто чудовищно. Според оценките на Тегмарк от тук до идентичната вселена около 10 на степен 10 29 метра - няма да има числа по-големи от това на страниците на тази книга, с изключение на самата безкрайност. Това означава, че всеки атом в дублиращата се вселена е на точно същото място и се движи със същата скорост, с точност до квантовата несигурност, както в нашата собствена вселена. Това означава, че ако биографията на вашия двойник е различна от вашата, мозъкът на двойника е проектиран така, че той да мисли, че има точно такава биография.
Виждаш ли? Връщаме се при Rogue Twins!
Ако вселената е безкрайна, в нея има достатъчно място не само за вашия двойник, но и за безброй двойници!
Това е унизително и малко страшно. Сякаш около теб се промъкват безкраен брой шпиони.
Ако Вселената не е безкрайна, можете спокойно да почивате на лаврите на собствената си уникалност. Според консервативните теоретични оценки минималният размер на нашата множествена вселена е около 10 80 метра и изглежда, че това е много, ако не си спомняте, че това е само малка част от пространството, необходимо за появата на близнаци.
Множество вселени от второ ниво. Различни вселени с различни физически закони
Нашата част от Вселената е израснала от мъничко парче от току-що възникваща множествена вселена, но, както вече разбрахме, нашият балон не е единственият. Освен това е възможно в някои от тези мехурчета, а може би и във всички, законите на физиката да са малко по-различни от нашите. Или електричеството в тях е малко по-силно или по-слабо, или силното взаимодействие (държащо неутрони и протони заедно) не е съвсем същото като нашето, или има повече от три измерения.
Позволете ми да изясня някои от обстоятелствата за съществуването на множество вселени от второ ниво.
1. Не е очевидно, че този модел е правилен. Възможно е фундаменталните сили всъщност да формират самата основа на всичко съществуващо и всички вселени да са изградени върху едни и същи физически закони.
2. Ако наистина има множество вселени от второ ниво, те не са непременно подобни на нашата. Може би в много от тях няма звезди или галактики, някои са почти напълно празни, някои са се сринали под въздействието на собствената си гравитация. За да създадете, например, звезди или тежки елементи, физиката трябва да бъде много, много фино настроена, както и ние, а повечето вселени просто не преминават селекция.
3. Вселената така или иначе няма край. Вселените не са оградени една от друга с тухлена стена. Всички вселени в рамките на множествени вселени от второ ниво са потенциални множествени вселени от първо ниво.
Историята обаче не свършва и на второ ниво. Тегмарк предполага съществуването на множество вселени както от третото, така и от четвъртото ниво, които са още по-спекулативни и нямат нищо общо с въпроса за симетриите и дали законите на физиката са едни и същи навсякъде. Но все пак ще говорим за тях, много е интересно.
Множество вселени от трето ниво. Множеството светове на квантовата механика
Вече говорих малко за това как работи квантовата механика и повечето физици просто приемат за даденост, че трябва да има някакъв шанс (и може би лъвският дял) в света и възможността за необичайна, хитра връзка между събитията, които са далеч един от друг.
Не всички обаче са толкова сигурни в това. През 1957 г. Хюго Еверет, научен консултант в Пентагона, измисли „много светове интерпретация“ на квантовата механика. Не че Еверет създаде изцяло нов набор от физически закони. По същество това е, което той искаше да каже: „Знаете ли всички тези експерименти, които показват квантово поведение? Така че можете да ги погледнете от различна гледна точка."
Според интерпретацията на много светове всеки път, когато може да се измери квантово събитие, се създава нов набор от вселени. В една вселена въртенето на електрона може да се оцени като нагоре. В другия - по посока надолу. Любопитното е, че според интерпретацията на много светове тези вселени могат да взаимодействат помежду си, което причинява странно поведение - квантова интерференция.
Както казах, интерпретацията на математически много светове очаква от квантовите експерименти същото като стандартната - Копенхаген - интерпретация, към която се придържат повечето физици, включително и аз. Въпреки това, той също така ни предоставя изцяло нова гледна точка към множествената вселена - и, честно казано, тази гледка предлага очарователни перспективи, ако работата на живота ви е да пишете научна фантастика. И все пак трябва да ви предупредя: ако се присъедините към тълкуването на много светове, кажете пределно ясно, че нито Еверет, нито някой друг е предложил физически механизъм за пътуване между вселените. Фантазирайте за здравето, но оттук няма да отидете никъде.
Множество вселени от четвърто ниво. Ако Вселената е математически самодостатъчна, значи тя съществува.
На четвърто ниво нещата стават още по-странни. Нива от първо до трето предполагат, че законите на физиката са поне мимолетно подобни на законите в нашата вселена. В множествена вселена от четвърто ниво Тегмарк казва: „Всички структури, които съществуват математически, съществуват и физически“, въпреки че не е напълно ясно колко вселени могат да бъдат математически описани.
Доколкото знаем, възможно е да има някакъв вид вселена, в която от нашите фундаментални взаимодействия има само едно или изобщо няма. Тъй като ние в нашата част от множествената вселена все още не сме измислили физиката докрай, дори и да има множествена вселена от четвърто ниво, не можем да кажем какви са нейните съставни вселени, дори с минимална степен на сигурност.
Проблемът, пред който сме изправени в цялата тази глава, отчасти е, че не знаем дали параметрите, описващи нашата вселена, са наистина необходими, дали съществуването на последователна вселена е възможно без тях, или са напълно произволни. Множествената вселена от четвърто ниво според класификацията на Тегмарк може да приеме съществуването както на безкраен набор от вселена, така и на единична.
Ако вече сте замаяни от разнообразието от множество вселени, мисленето за възможните набори от параметри едва ли ще ви помогне.
Всъщност обаче ще говорим за множество вселени от първо и второ ниво. В крайна сметка, ако сте забравили, основната цел на нашия разговор е да се справим с въпроса дали законите на физиката са еднакви във Вселената.
Вселената предназначена ли е за нас?
Предупреждавах ви преди, но допълнителната предпазливост няма да навреди: въпреки че симетриите ни позволяват да разберем по-добре тайните на природата и формата на законите на физиката, те не казват нищо за специфичното значение на константите, включени в тези закони. Няма да "изведем" масата на електрона (поне не успяхме да направим това досега). Може би има нещо фундаментално във Вселената и то ще ни позволи да извлечем всички физически константи, но в момента се лутаме в тъмното. Това означава, че не знаем дали физическите константи са били първоначално заложени в законите или са се оказали нещо толкова относително случайно - като случайната температура извън прозореца в определен ден. Симетрията диктува как да се пишат уравнения, но мълчи за числовите стойности на променливите.
Има доста параметри, например зарядът на електрон, които са взети повече или по-малко от тавана. Може би тези параметри се променят от край до край на гигантската вселена и определени региони - например нашата наблюдавана вселена - просто имат късмет, че са подходящи за възникването на сложен живот.
Няма нищо мистериозно във факта, че ние по чиста случайност живеем в област, в която законите на физиката са идеални за човешкото съществуване. Не би могло да бъде иначе! Иначе аз и теб нямаше да сме там и нямаше да има кой да говори за това. Тоест повечето физици наистина не харесват антропната аргументация. Повечето от нас ценят надеждата, че някой ден по-късно ще можем да разработим Теория на всичко, базирана единствено на основни принципи.
И ако те не са вградени в самата тъкан на Вселената, колко фина настройка е необходима, за да могат законите на физиката да ни позволят да съществуваме? Какви са шансовете ни?
Позволете ми да предвидя типичен въпрос относно фината настройка на Вселената. Защо светлината се движи със скорост от 299 792 458 метра в секунда? Както видяхме, краткият отговор е, че е много по-логично просто да се каже, че светлината се движи със скорост от една светлинна секунда в секунда и да оставим настрана въпроса за определянето на метъра като историческо любопитство.
С други думи, стойностите на параметрите, изразени в някои единици, почти никога не са релевантни, тъй като очевидно зависят от това коя единица сте избрали. Започнах да говоря за това, защото има няколко начина за комбиниране на физически константи, така че всички единици да бъдат намалени. Ето например така наречената константа за фина структура (накратко – PTS), която е просто число без никакви единици.
Какви са тези букви? В това уравнение д- електронен заряд, с- разбира се, скоростта на светлината и ћ
- Константа на Дирак, тя е намалената константа на Планк 46
Ако случайно я споменете на следващото си коктейлно парти, не пропускайте възможността! - наречете го "пепелно зачеркване". Професионалистите веднага ще разберат.
Тя изпълзява навсякъде, където е намесена квантовата механика.
Константата на фината структура е приблизително 1⁄137,035 999 08 и е една от най-точно изчислените константи в историята на физиката. И при цялата тази точност нямаме представа откъде идва. Това не е така с числата в чистата математика. Например числото p може лесно да се изведе от основните принципи, дори ако никога не сте виждали кръг в живота си. Ето как го казва Ричард Файнман:
Ние прекрасно знаем какви танци трябва да се изпълняват в експерименти, за да се измери това число с много висока точност, но не разбираме какви танци трябва да се изпълняват на компютър, за да се получи това число - освен ако не го въведете тайно там!
PTS е мярка за силата на електромагнитната сила и, както може би сте забелязали, е много по-малка от единица. От обективна гледна точка електромагнитната сила е много слаба. От друга страна, в сравнение с други взаимодействия, електромагнетизмът е невероятно силен. Помислете само за факта, че електростатичното отблъскване между нашите маратонки и пода лесно преодолява гравитационното привличане на цялата Земя!
Нашите стандартни модели на космологията и физиката на елементарните частици имат най-малко 25 различни безразмерни и очевидно независими параметъра. Да предположим, че вземаме и променяме само един TCP. Какво ще се случи?
Ако PTS беше, например, по-голям от 0,1 (около 14 пъти измерената стойност), тогава въглеродът - и следователно всички елементи, по-тежки от въглерода - не биха могли да бъдат произведени в звездите. Това би било катастрофа за въглеродните форми на живот.
Или да вземем друг параметър – силата на силното ядрено взаимодействие, точно това, поради което ядрата на атомите не се разпадат. Ако силната константа се увеличи само с четири процента, протоните бързо ще се свържат един с друг и ще образуват хелий-2, изотоп, който изобщо няма неутрони. Звездите бързо ще изгорят и ще произведат само инертен хелий - и няма да се получи нищо интересно.
Повечето от основните константи изглежда са едни и същи. Живеем във вселена, в която съотношението на параметрите е такова, че гарантира съществуването ни. Това ни позволява да направим само три варианта за заключения - и всички те не са твърде примамливи.
1. Вселената е създадена специално за хората или за сложен живот като цяло.
2. Параметрите на Вселената естествено произтичат от някакъв все още не открит закон на физиката и ние просто сме дяволски късметлии, че този закон позволява съществуването ни.
3. Параметрите в множествената вселена варират и по необходимост живеем в една от областите (вероятно много рядко), която е в състояние да осигури условия за живот (защото при различен сценарий не бихме съществували).
Първият вариант просто няма нищо общо с физиката, поради което не ми харесва. Вторият вариант изглежда е верен, но физиците все още не са открили Теорията на всичко. Междувременно много малко може да се каже за това и затова вторият вариант ме оставя с чувство на дълбоко недоволство. Какво ще кажете за третия вариант?
Вместо да се чудите какво ще се случи, ако PTS (или друг параметър) се промени, можете да си зададете отговора, който ще дадат наблюденията - въпроса дали изобщо се променя - и за това трябва да погледнете в дълбините на космоса .
Ако искаме да видим как Вселената се променя на космологични разстояния от нас, ще трябва да започнем с наблюдение на обекти, които са на милиарди светлинни години от нас. За щастие природата ни е предоставила идеални фарове – квазари. По същество квазарите са гигантски черни дупки, които изсмукват огромни количества материя. Тъй като материята попада в тях със скорост, близка до светлината, тя се нагрява и излъчва радиация в достатъчно количество, за да бъде видяна в далечните краища на Вселената.
Пространството между нас и квазарите е изпълнено с облаци газ и този газ частично поглъща радиацията по пътя си към нас. Облаците поглъщат светлина само в определен диапазон от дължини на вълните и тези дължини се определят от стойността на PRT. Ако промените TCP, този диапазон също ще се промени.
От 1999 г. Джон Уеб от Университета на Нов Южен Уелс и неговият екип тестват дали PTS се променя с времето и разстоянието, като наблюдават фотони, абсорбирани от различни железни и магнезиеви йони в много далечни облаци. Чрез изучаване на относителните дължини на вълните на погълнатите фотони, учените са в състояние да сравнят PTS на космологични разстояния с това, което се получава от лабораторни измервания тук, на Земята.
Резултатите бяха изключително неочаквани. Данните от наблюдения за далечни галактики в един регион на небето показват, че PTS е там с около сто хилядна Повече ▼отколкото на Земята, а в друга област - със стохилядна по-малък.
Ако тези резултати са верни, тяхното значение е огромно. Оказва се, че PTS по някаква причина варира в различните региони на Вселената - и не трябва да забравяме, че преди всичко не знаем откъде идва стойността на PTS. Това е шамар на космологичния принцип.
Два много важни факта. Първо, дори този резултат да е правилен, отклонението е необичайно малко. Това, което Уеб и неговите колеги са наблюдавали, не прави нито един от двата края на наблюдаваната вселена негоден за човешки живот. За да направите това, човек ще трябва да се изкачи неизмеримо по-далеч. Второ, повечето физици все още не са убедени, че резултатът е правилен. Сигналът е сравнително слаб и не е потвърден от редица други изследователски групи. Лично аз все още няма да се промъквам в учебниците си с голяма бутилка коректор за баркод. Ако законите на физиката се променят във Вселената, тогава много, много малко.
В това буре с мехлем обаче има лъжица мед. Дори и това отклонение да съществува, то е толкова незначително, че можем да въведем друга симетрия.
Транслационна симетрия:законите на физиката са абсолютно еднакви навсякъде във Вселената.
Широкомащабната еднородност — обща еднородност — на структурата на Вселената показва или поне предполага, че във Вселената съществува транслационна симетрия.
Не харесвате физиката? Просто не сте чели книгите на Дейв Голдбърг! Тази книга ще ви запознае с една от най-интригуващите теми в съвременната физика – фундаменталните симетрии. Всъщност в нашата красива Вселена почти всичко - от антиматерията и бозона на Хигс до масивни купове от галактики - се формира на базата на скрити симетрии! Именно благодарение на тях съвременните учени правят най-сензационните си открития.
Възможно ли е да се създаде устройство за незабавно предаване на информация? Какво се случва, ако Земята бъде засмукана в черна дупка? Какво не се преподава в училищните уроци за времето и пространството? Прочетете и ще намерите отговорите на тези въпроси. Това е разбираемо, вълнуващо, може да бъде смешно - така ще мислите сега за физиката.
На нашия сайт можете да изтеглите книгата "Вселената в огледалото за обратно виждане. Бог беше десничка? Или скрита симетрия, антиматерия и Хигс бозон" от Голдбърг Дейв безплатно и без регистрация във fb2, rtf, epub, pdf, txt формат, прочетете книгата онлайн или купете книга в онлайн магазин.
© 2013 от Дейв Голдбърг
© А. Бродоцкая, превод на руски език, 2015 г
© Издателство AST LLC, 2015
Рецензии на книги
"Вселената в огледалото за обратно виждане"
Вселената в огледалото за обратно виждане е страхотно четиво за всеки, който иска да разбере защо нашата вселена е толкова сложна и толкова прекрасна... Голдбърг е великолепен спътник, който ще ви отведе до вашата дестинация – да се възхищавате на красотата на Вселената.
Физика на природата
Математическите симетрии са изпълнени с отговори на много въпроси, но Голдбърг в цялата си остроумна и лесна книга поставя важни етапи за читателя, не претоварен с математически изчисления. Съвет: Не пропускайте многобройните бележки под линия, пълни с хумор за високочело!
Открийте
Голдбърг има изтънчено чувство за хумор и абсурд - и той е страхотен в обяснението защо това, което приемаме за даденост, например равенството на гравитационните и инерционните маси, всъщност е много странно и не съвсем очевидно... Тази книга е малко като остро влакче, построено в Мория на Толкин.
Нов учен
Леле, колко интересна може да бъде темата за симетрията! Физикът Дейв Голдбърг отвежда читателя направо във водовъртежа на мащабните физически концепции, но в същото време управлява кораба толкова сръчно, че читателят не рискува да се удави.
природата
Една смислена, не претоварена с математика и необичайно увлекателна книга за понятието симетрия във физиката... Книгата на Голдбърг е написана от началото до края, достъпна и хумористична... Авторът щедро подправя обясненията си с препратки към популярната култура – от Доктор Кой и Люис Карол към Angry Birds "- и благодарение на очарователния начин на представяне, прави дори най-сложните теми прости.
Publishers Weekly
Голдбърг говори за десет от най-фундаменталните качества на Вселената с постоянен хумор и в същото време фино, дълбоко и разбираемо.
Киркус отзиви
Тази книга е забавно и вълнуващо изследване на основни физически понятия, което, наред с други неща, включва история за една от невъзпетите героини на физиката, за гигант, на чиито рамене са застанали много физици - за Еми Ньотер!
Дейв Голдбърг подрежда истински увеселителен парк от завладяващи любопитства, озадачаващи парадокси и фин хумор... Той перфектно обяснява на читателя каква е ролята на симетрията във физиката, астрономията и математиката. Прекрасна история за една прекрасна вселена!
Не слизайте! Тази книга е истински подарък за всеки читател, който се интересува от всички чудеса на нашата прекрасна вселена. Ако основните понятия и закони на физиката се преподават в училищата толкова ясно и весело, както Дейв Голдбърг говори за тях в книгата си, щяхме много по-добре да привличаме младите хора към науката.
Приямвада Натараян, председател на катедрите по физика и астрономия на Форума за преподаване на жените в Йейлския университет
Тази книга е почти толкова мащабна по тематика, колкото физическата вселена, за която разказва толкова прекрасно. Но основното, може би, е, че Голдбърг пише подробно за подценяваните заслуги на Еми Ньотер. Нейната теорема, според която има запазено количество за всяка симетрия, обединява голямо разнообразие от области на физиката, а Голдбърг обяснява как и защо.
Джон Алън Паулос, професор по математика в университета Темпъл, автор на "Innumeracy"
Дейв Голдбърг говори за това как симетрията оформя Вселената с такова умение, че е удоволствие да се чете книгата му. Неговите истории - от "коана за каоните" и царството на мравките до суматохата около Хигс бозона - е невъзможно да се откъснете, а в същото време са изключително информативни.
Дж. Ричард Гот, преподавател по астрофизика в Принстънския университет
Четенето на тази книга е като да слушате лекция на най-прекрасния учител по физика в света! Голдбърг говори за физиката всичко, което сте искали да знаете, но се поколеба да попита, например, дали може да бъде построен Tardis или какво ще се случи, ако Земята бъде засмукана в черна дупка. Задължително четиво за всеки, който иска да разбере природата на Вселената - и в същото време да се смее!
Посветен на Емили, Уила и Лили - вие сте моят живот, любов и вдъхновение
Трябва да се помни, че това, което наблюдаваме, не е природата като такава, а природата, подложена на нашия метод за задаване на въпроси.
Вернер Хайзенберг
Въведение
В който ви казвам какво и как, така че е по-добре да не го прелиствате
Защо има нещо в света, а не нищо? Защо бъдещето не е същото като миналото? Защо такива въпроси хрумват на сериозен човек?
Когато говориш за популярна наука, изпадаш в някакъв дързък скептицизъм на посветения. Четете всички тези туитове и блогове - и оставате с впечатлението, че теорията на относителността не е нищо повече от празно бърборене на някой пич на парти, а не една от най-успешните физически теории в човешката история, която е устояла на всички експериментални и наблюдателни тестове за сто години ...
От гледна точка на непосветените физиката е нещо болезнено претоварено с всякакви закони и формули. Не може ли да е по-просто? А самите физици често се наслаждават на отделната сложност на своите проекти. Когато преди сто години сър Артър Единингтън беше попитан дали е вярно, че само трима души в света разбират общата теория на относителността на Айнщайн, той се замисли и след това небрежно отбеляза: „Опитвам се да разбера кой е третият“. Днес теорията на относителността е включена в стандартния арсенал на всеки физик, преподава се ден след ден на вчерашните и дори днешните ученици. Така че е време да се откажем от арогантната мисъл, че разбирането на тайните на Вселената е достъпно само за гении.
Дълбоките прозрения в структурата на нашия свят почти никога не са били резултат от изобретяването на нова формула, независимо дали сте Едингтън или Айнщайн. Напротив, пробивите почти винаги се случват, когато осъзнаем, че сме мислили, че са различни неща, но всъщност са едно и също нещо. За да разберете как работи всичко, трябва да разберете симетрията.
Големият физик на 20-ти век, нобеловият лауреат Ричард Файнман оприличи света на физиката на игра на шах. Шахът е игра, пълна със симетрия. Завъртете дъската на половин оборот - тя ще изглежда точно както в началото. Формите от едната страна, с изключение на цвета, са почти идеални огледални изображения на форми от другата. Дори правилата на играта са симетрични. Ето как го изразява Файнман:
Според правилата епископът се движи по шахматната дъска само по диагонал. Можем да заключим, че без значение колко хода са изминали, определен епископ винаги ще остане на белия квадрат ... Ще бъде така и за доста дълго време - но изведнъж откриваме, че епископът е на черното поле ( всъщност това се случи: за този път епископът беше изяден, но една от пионките стигна до последния ред и стана епископ на черното поле). Така е и с физиката. Имаме закон, който действа универсално дълго, дълго време, дори когато не можем да проследим всички детайли, и тогава идва моментът, когато можем да отворим нов закон.
Текуща страница: 1 (общо на книгата има 20 страници) [достъпен пасаж за четене: 12 страници]
Дейв Голдбърг
Вселената в огледалото за обратно виждане. Бог беше дясна ръка? Или скрита симетрия, антиматерия и Хигс бозона
© 2013 от Дейв Голдбърг
© А. Бродоцкая, превод на руски език, 2015 г
© Издателство AST LLC, 2015
Рецензии на книги
"Вселената в огледалото за обратно виждане"
Вселената в огледалото за обратно виждане е страхотно четиво за всеки, който иска да разбере защо нашата вселена е толкова сложна и толкова прекрасна... Голдбърг е великолепен спътник, който ще ви отведе до вашата дестинация – да се възхищавате на красотата на Вселената.
Математическите симетрии са изпълнени с отговори на много въпроси, но Голдбърг в цялата си остроумна и лесна книга поставя важни етапи за читателя, не претоварен с математически изчисления. Съвет: Не пропускайте многобройните бележки под линия, пълни с хумор за високочело!
Голдбърг има изтънчено чувство за хумор и абсурд - и той е страхотен в обяснението защо това, което приемаме за даденост, например равенството на гравитационните и инерционните маси, всъщност е много странно и не съвсем очевидно... Тази книга е малко като остро влакче, построено в Мория на Толкин.
Леле, колко интересна може да бъде темата за симетрията! Физикът Дейв Голдбърг отвежда читателя направо във водовъртежа на мащабните физически концепции, но в същото време управлява кораба толкова сръчно, че читателят не рискува да се удави.
Една смислена, не претоварена с математика и необичайно увлекателна книга за понятието симетрия във физиката... Книгата на Голдбърг е написана от началото до края, достъпна и хумористична... Авторът щедро подправя обясненията си с препратки към популярната култура – от Доктор Кой и Люис Карол към Angry Birds "- и благодарение на очарователния начин на представяне, прави дори най-сложните теми прости.
Publishers Weekly
Голдбърг говори за десет от най-фундаменталните качества на Вселената с постоянен хумор и в същото време фино, дълбоко и разбираемо.
Тази книга е забавно и вълнуващо изследване на основни физически понятия, което, наред с други неща, включва история за една от невъзпетите героини на физиката, за гигант, на чиито рамене са застанали много физици - за Еми Ньотер!
Дейв Голдбърг подрежда истински увеселителен парк от завладяващи любопитства, озадачаващи парадокси и фин хумор... Той перфектно обяснява на читателя каква е ролята на симетрията във физиката, астрономията и математиката. Прекрасна история за една прекрасна вселена!
Не слизайте! Тази книга е истински подарък за всеки читател, който се интересува от всички чудеса на нашата прекрасна вселена. Ако основните понятия и закони на физиката се преподават в училищата толкова ясно и весело, както Дейв Голдбърг говори за тях в книгата си, щяхме много по-добре да привличаме младите хора към науката.
Приямвада Натараян, председател на катедрите по физика и астрономия на Форума за преподаване на жените в Йейлския университет
Тази книга е почти толкова мащабна по тематика, колкото физическата вселена, за която разказва толкова прекрасно. Но основното, може би, е, че Голдбърг пише подробно за подценяваните заслуги на Еми Ньотер. Нейната теорема, според която има запазено количество за всяка симетрия, обединява голямо разнообразие от области на физиката, а Голдбърг обяснява как и защо.
Джон Алън Паулос, професор по математика в университета Темпъл, автор на Innumeracy
Дейв Голдбърг говори за това как симетрията оформя Вселената с такова умение, че е удоволствие да се чете книгата му. Неговите истории - от "коана за каоните" и царството на мравките до суматохата около Хигс бозона - е невъзможно да се откъснете, а в същото време са изключително информативни.
Дж. Ричард Гот, преподавател по астрофизика в Принстънския университет
Четенето на тази книга е като да слушате лекция на най-прекрасния учител по физика в света! Голдбърг говори за физиката всичко, което сте искали да знаете, но се поколеба да попита, например, дали може да бъде построен Tardis или какво ще се случи, ако Земята бъде засмукана в черна дупка. Задължително четиво за всеки, който иска да разбере природата на Вселената - и в същото време да се смее!
Annalee Newitz, редактор и оператор на Time Warp Field на http://i09.com
Посветен на Емили, Уила и Лили - вие сте моят живот, любов и вдъхновение
Трябва да се помни, че това, което наблюдаваме, не е природата като такава, а природата, подложена на нашия метод за задаване на въпроси.
Вернер Хайзенберг
Въведение
В който ви казвам какво и как, така че е по-добре да не го прелиствате
Защо има нещо в света, а не нищо? Защо бъдещето не е същото като миналото? Защо такива въпроси хрумват на сериозен човек?
Когато говориш за популярна наука, изпадаш в някакъв дързък скептицизъм на посветения. Четете всички тези туитове и блогове - и оставате с впечатлението, че теорията на относителността не е нищо повече от празно бърборене на някой пич на парти, а не една от най-успешните физически теории в човешката история, която е устояла на всички експериментални и наблюдателни тестове за сто години ...
От гледна точка на непосветените физиката е нещо болезнено претоварено с всякакви закони и формули. Не може ли да е по-просто? А самите физици често се наслаждават на отделната сложност на своите проекти. Когато преди сто години сър Артър Единингтън беше попитан дали е вярно, че само трима души в света разбират общата теория на относителността на Айнщайн, той се замисли и след това небрежно отбеляза: „Опитвам се да разбера кой е третият“. Днес теорията на относителността е включена в стандартния арсенал на всеки физик, преподава се ден след ден на вчерашните и дори днешните ученици. Така че е време да се откажем от арогантната мисъл, че разбирането на тайните на Вселената е достъпно само за гении.
Дълбоките прозрения в структурата на нашия свят почти никога не са били резултат от изобретяването на нова формула, независимо дали сте Едингтън или Айнщайн. Напротив, пробивите почти винаги се случват, когато осъзнаем, че сме мислили, че са различни неща, но всъщност са едно и също нещо. За да разберете как работи всичко, трябва да разберете симетрията.
Големият физик на 20-ти век, нобеловият лауреат Ричард Файнман оприличи света на физиката на игра на шах. Шахът е игра, пълна със симетрия. Завъртете дъската на половин оборот - тя ще изглежда точно както в началото. Формите от едната страна, с изключение на цвета, са почти идеални огледални изображения на форми от другата. Дори правилата на играта са симетрични. Ето как го изразява Файнман:
Според правилата епископът се движи по шахматната дъска само по диагонал. Можем да заключим, че без значение колко хода са изминали, определен епископ винаги ще остане на белия квадрат ... Ще бъде така и за доста дълго време - но изведнъж откриваме, че епископът е на черното поле ( всъщност това се случи: за този път епископът беше изяден, но една от пионките стигна до последния ред и стана епископ на черното поле). Така е и с физиката. Имаме 1 По-добро от четенето на „Фейнман лекции по физика“ – просто ги слушайте. Цитатът е от аудиозапис на лекция, изнесена от Файнман в Калифорнийския технологичен институт. Всъщност той щеше да чете лекции на първокурсници, но до края на семестъра всички места очевидно бяха заети от негови колеги.
има закон, който действа универсално дълго, дълго време, дори когато не можем да проследим всички детайли, и тогава идва моментът, когато можем да открием нов закон.
Гледайте играта още няколко пъти - и изведнъж ви става ясно, че епископът остава на полетата с един и същи цвят именно защото се движи само по диагонал. Законът за запазване на цвета обикновено работи, но по-дълбокият закон изисква по-задълбочено обяснение.
Симетрията в природата се проявява почти навсякъде - дори да е незабележима или дори очевидна и тривиална. Крилата на пеперудата са перфектно отражение едно на друго. Функциите им са идентични, но много бих съжалявал за горката пеперуда с две леви или две десни крила - щеше да лети безпомощно в кръг. Симетрията и асиметрията в природата са склонни да се конкурират помежду си. В крайна сметка симетрията е инструмент, с който ние не само формулираме закони, но и разбираме защо те работят.
Да кажем, че пространството и времето изобщо не са толкова различни, колкото изглеждат. Те са като дясното и лявото крило на пеперуда. Приликата между тях е в основата на специалната теория на относителността - и е довела до най-известната формула в цялата физика. Очевидно законите на физиката не се променят с времето - тази симетрия ни позволява да заключим, че енергията се запазва. И това също е добре: благодарение на запазването на енергията нашата гигантска батерия - Слънцето - успява да захрани целия живот на Земята.
За много от нас (добре, физици) законите на симетрията, открити при изучаването на физическата вселена, са толкова красиви, колкото симетрията на диамант, снежинка или идеализираната естетика на идеално симетрично човешко лице.
Математикът Маркус дю Саутой пише забележително за това:
Само най-силните и здрави растения имат резерв от енергия, който им позволява да поддържат баланс при създаването на своята форма. Симетричните цветя превъзхождат асиметричните и това се отразява във факта, че произвежда повече нектар и този нектар съдържа повече захар. Симетрията има сладък вкус.
Проблемите, които симетрията поставя пред нас, радват ума ни неописуемо. Американските кръстословици, като правило, са модел от черно-бели квадрати, който не се променя, ако завъртите цялата картина на половин оборот или я погледнете в огледалото. Много шедьоври на живописта и архитектурата са изградени върху симетрия – пирамидите, Айфеловата кула, Тадж Махал.
Струва си да потърсите задните дворове на съзнанието - и със сигурност ще си спомните петте платонови тела. Има само пет правилни полиедъра с еднакви лица: те са тетраедър (четири лица), куб (шест), октаедър (осем), додекаедър (дванадесет) и икосаедър (двадесет). Някой роден учен, например мен, ще си спомни с умиление детството и ще разбере, че точно така изглеждаха костите в комплекта за игра Dungeons & Dragons.
2 Скучни притежатели на черен колан ще посочат, че забравих да спомена
декаедрична кост. И така, знайте, че декаедърът не е платоново твърдо тяло. Той принадлежи към класа на антибипирамидите и се нарича още петоъгълен трапецоедър.
Понякога в ежедневната комуникация думата „симетрия“ просто се отнася до това как нещата „съвпадат“ или „отразяват“ едно друго, но всъщност това понятие, разбира се, има точно определение. Формулировката, на която ще разчитаме на страниците на тази книга, принадлежи на математика Херман Вайл:
Обект се нарича симетричен, ако можете да направите нещо с него и след това той ще изглежда по същия начин, както преди.
Помислете за равностранен триъгълник. Можете да правите каквото искате с този триъгълник - но той ще остане точно същият като преди. Можете да го завъртите на една трета от оборота и ще изглежда по същия начин. Или можете да го погледнете в огледалото - и отражението ще бъде точно същото като оригинала.
Равностранен триъгълник
Кръгът е идеален симетричен обект. За разлика от триъгълниците, които изглеждат еднакво само ако ги завъртите под определен ъгъл, можете да завъртите кръга както искате и той ще остане същият. Не бих искал да обяснявам очевидното, но колелото работи точно на този принцип.
Много преди да разберем как се движат планетите, Аристотел предполага, че орбитите им трябва да са кръгли – именно поради „съвършенството“ на кръга като симетрична форма. Аристотел се обърка - и нищо чудно: той грешеше в почти всичко, което се отнася до физическия свят.
Има голямо изкушение, осмивайки древните, да се тънат в сладко самодоволство, но Аристотел беше прав за едно нещо, но много важно. Въпреки че планетите всъщност се въртят около Слънцето в елипси, гравитационната сила, която ги дърпа към Слънцето, е една и съща във всички посоки. Гравитацията е симетрична. От това предположение и гениалното си предположение за това как гравитацията отслабва с разстоянието, сър Исак Нютон правилно направи заключение за движението на планетите. По-специално, това е причината това име да ви е толкова познато, въпреки че има много причини за това. Форми, които не изглеждат почти толкова перфектни като кръг - елиптичните орбити на планетите - са следствие от много по-дълбока симетрия.
Симетриите сочат към истинските принципи на природата. Никой не можеше да разбере как функционира механизмът на наследствеността, докато Розалинд Франклин не направи рентгенова снимка на ДНК, която позволи на Джеймс Уотсън и Франсис Крик да открият двойната спирална структура. И тази структура, състояща се от две допълващи се спираловидни нишки, ни позволи да разберем метода на копиране и наследяване.
ДНК двойна спирала
Ако се движите в кръгове, които са напълно отделени от живота на научните ексцентрици, то вероятно сте чували някой от тях да нарича тази или онази теория „естествена“ или „красива“. Това обикновено означава, че предположението, на което се основава теорията, е толкова просто, че просто трябва да е вярно. С други думи, като се започне с много просто правило, можете да опишете всички видове сложни системи, например гравитацията около черните дупки или основните природни закони.
Това е книга за симетрията, как тя се проявява в природата, как ръководи нашата интуиция и как тя излиза там, където не я очаквате. Нобеловият лауреат Фил Андерсън го изрази най-лаконично:
Би било леко преувеличено да се каже, че физиката изучава симетрията.
Понякога симетрията е толкова очевидна, че изглежда напълно тривиална - но води до невероятно противоинтуитивни резултати. Когато карате влакче в увеселителен парк, тялото ви не е в състояние да направи разлика между гравитацията и ускорението на количката - усеща се същото. Когато Айнщайн предположи, че „се чувства същото“ означава „и е същото“, той изведе законите, по които действа гравитацията, и впоследствие това доведе до хипотезата за съществуването на черни дупки.
Или, да речем, фактът, че можете да размените две частици от един и същи тип, неизбежно води до разбиране каква съдба очаква нашето Слънце и до мистериозния принцип на изключване на Паули и в крайна сметка до функционирането на неутронните звезди и цялата химия в света .
Но минаването на времето, от друга страна, изглежда също толкова очевидно асиметрично. Миналото е различно от бъдещето, това е сигурно. Въпреки това, колкото и да е странно, законите на физиката не знаят нищо за оста на времето - забравиха да им кажат за това. На микроскопично ниво почти всеки експеримент, който можете да си представите, върви напред-назад.
Лесно е да се поддадем на порива да обобщаваме и да приемем, че всичко в света е симетрично. Непознат съм за вас, читателю, и затова съм готов да направя най-обидните предположения. В гимназията или в института поне веднъж участвахте в разговор за промиване на мозъци на тема „Ами, момчета, нашата вселена е просто атом в някаква огромна, огромна вселена?“
Узрял ли си оттогава? Признайте си, знаете отлично за какво става дума във филма „Мъже в черно“ и с умиление си спомняте как сте чели „Слонът Хортън чува някого“ като дете – но дори сега неволно се чудите дали има някъде миниатюрна вселена, която отива далеч отвъд нашето възприятие.
Не, приятелю, отговорът е не - но тук трябва да зададете малко по-дълбок въпрос: защо?
Ако можете да увеличите или намалите нещо, без да го промените, тогава имаме определен вид симетрия. Тези от вас, които са чели „Гъливер”, сигурно ще си спомнят, че ни коства срещата с лилипутите, които са дванадесет пъти по-малки от Гъливер във всички измерения. Умножаването и деленето на десет е много по-лесно, така че в името на простотата реших да закръгля и опростя всичко. Не е нужно да благодарите.
на Джонатан Суифт се впуска в най-дългите подробни дискусии за всичко, което следва от разликата във височината между Гъливер и лилипутите, а след това и между Гъливер и гигантите-бродингнаги. Тук Суифт явно е прекалил – той пише съотношението на размерите на всичко на света, от дължината на крачката до броя на местните животни, от които Гъливер се нуждае, за да се насити.
Но още по времето на Суифт никой не се съмняваше, че съществуването на такива държави и народи (по принцип мълча за говорещите коне) противоречи на законите на физиката. Век по-рано Галилео Галилей написва „Две нови науки“, където изследва възможността за съществуването на гиганти от научна гледна точка. Разсъждавайки с всички сили, той заключи, че предположението е невярно - по този начин лишава бъдещите поколения от възможността да се забавляват. Проблемът е, че удвоената по дължина кост става осем пъти по-тежка, а повърхността й се учетворява. Така той ще се счупи, неспособен да издържи собственото си тегло. Ето как самият Галилей пише за това:
Дъб, висок двеста лакътя, не би могъл да поддържа собствените си клони, ако те са разпределени по същия начин, както върху дърво с обикновена височина; и природата не може да създаде кон двадесет пъти по-голям от обикновен кон или гигант, десет пъти по-висок от обикновен човек, освен ако по чудо или не промени значително пропорциите на тялото му, особено на костите, които трябва да бъдат значително увеличени в сравнение с обикновените.
4 Достойно използване на времето и талантите му, най-малкото.
Ето защо едно малко куче понякога може да носи на гърба си две или три кучета със собствени размери, но предполагам, че един кон няма да може да носи дори едно от същия кон.
Ето защо Спайдърмен е толкова зле гримиран. Той не би могъл да притежава пропорционално увеличената сила на паяк. В противен случай той щеше да бъде толкова масивно допълнение, че дори нямаше да се налага да бъде смачкан. Гравитацията ще направи всичко. Както биологът J. B. S. Haldane пише в есето си „Да бъдеш с правилния размер“:
5 Отдавна е доказано, че ако говорите с учен достатъчно дълго, той ще съсипе всичко, стигайки до дъното. Ето защо имаме толкова често самотни вечери.
Ето защо едно насекомо не се страхува от гравитацията - може да падне и да остане невредимо, може да се вкопчи в тавана, отделяйки изненадващо малко усилия... Въпреки това, има сила в света, от която насекомото се страхува точно както бозайник земно притегляне. Това повърхностно напрежение... Насекомо, което е решило да пие, е в същата опасност като човек, висящ от ръба на бездънна бездна в търсене на храна. Веднага щом едно насекомо се хване в мрежата на повърхностното напрежение на водата - тоест просто се намокри - и най-вероятно няма да може да излезе и да се удави.
Всъщност проблемът е по-дълбок от якостта на опън на гигантските кости и пропорционалната здравина на насекомите. Всички обекти, сравними с размера на човек, изглежда, могат да бъдат пропорционално намалени и увеличени без много щети - шестметров робот убиец, очевидно, с точно същото устройство като неговия триметров модел, ще работи два пъти по-добре - но ако преминете към мащаба на атомите и молекулите, всички прогнози престават да бъдат оправдани. Светът на атомите е и светът на квантовата механика, което означава, че конкретността на нашето макроскопично съществуване внезапно се заменя с несигурност.
С други думи, самият акт на мащабиране няма нищо общо със симетрията на природата. Картата на космическата мрежа от галактики наистина прилича малко на изображение на неврони, но това не е някаква голяма универсална симетрия. Това е съвпадение. Бих могъл да продължа да описвам различни случаи на симетрия един след друг, но се надявам, че в общи линии съм обяснил какво е какво. Някои промени имат значение, други не. В тази книга реших да използвам следния подход: да посветя всяка глава на отделен въпрос, на който, както се оказва по-късно, има отговор, макар и косвен, и дават неговите фундаментални симетрии на Вселената.
От друга страна, дори дясната ръка на човек е различна от лявата. Една от основните мистерии, за които хората размишляват, е, че в известен смисъл Вселената не е симетрична. Сърцето ви е от лявата страна на гърдите ви, бъдещето не е същото като миналото, вие сте направени от материя, а не от антиматерия. Така че тази книга е и книга за нарушената и несъвършена симетрия, може би дори повече от идеалната симетрия. Народната мъдрост казва, че персийският килим е съвършен в своето несъвършенство и съвършен в своето несъвършенство. Моделът на истински, традиционни килими е малко неточен и нарушаването на симетрията придава на цялото парче повече индивидуалност. Същото се случва и със законите на природата – и това е страхотно: една идеално симетрична вселена би била чудовищно скучна. И нашата вселена не може да се нарече скучна.
Вселената, която виждаме в огледалото за обратно виждане, е по-близо, отколкото изглежда, и това променя всичко. Но да не се връщаме назад – отиваме на дълга обиколка из Вселената. И нашето ръководство ще бъде симетрията, но когато е нарушена, ще имаме за какво да пишем вкъщи.
Глава първа. Антиматерия
От което научаваме защо в света има нещо, а не нищо
Гледането на научнофантастични филми с надеждата да научите нещо ново за науката като цяло е безсмислено. Наред с други неща, ще получите много изкривена представа, например за това как експлозиите гърмят в космоса (те са безшумни), колко лесно е да се развие свръхсветлинна скорост (но изобщо не), колко англоговорящи и не съвсем хуманоидни, но все пак дяволски привлекателни извънземни са в космоса (всички са женени). Все пак всевъзможни „Междузвездни войни“ и „Стар Трек“ ни внушиха една много правилна идея: антиматерията е лоша шега.
В антиматерията е скрита такава огромна сила, че е просто невъзможно да се устои на изкушението и ако писателят на научна фантастика иска да добави „истинска физика“ към своята напитка, той почти винаги посяга към щипка антиматерия: това ще добави тежест в очите на читателите. Двигателят на космическия кораб Enterprise се захранваше от взаимодействието на материя и антиматерия. Айзък Азимов оборудва своите роботи с позитронен мозък - и превърна позитрона, частица антиматерия, в научнофантастичен Макгафин.
Дори в „Ангели и демони“ на Дан Браун – книга, която едва ли се смята за истинска научна фантастика – антиматерията служи като вид адска машина. Злодеите крадат половин грам антиматерия - и това количество е достатъчно, за да се направи експлозия, по мощност, сравнима с първите ядрени бомби. Освен факта, че Дан Браун направи грешка в аритметичните изчисления два пъти, той изобщо не разбра какво всъщност се случва в ускорителя на частици и пропусна около трилион пъти, когато измисли колко антиматерия може да се съхранява и транспортира, с научната му част всичко е наред.
Оказва се, че постоянно се сблъскваме с антиматерията – обаче напълно погрешно разбираме какво представлява тя. Това вещество в никакъв случай не е неудържимият убиец, към който сте свикнали да се отнасяте с недоверие през годините. Ако остане недокосната, антиматерията се държи доста мирно. Антиматерията е точно като обикновено вещество, което познавате и обичате – например, тя има същата маса – точно обратното: противоположен заряд и противоположно име. Ще мирише на пържено само ако смесите антиматерия с обикновено вещество.
6 В сценаристството Макгафин е име за обект, около който се гради сюжетът – например Граалът в цикъла на Артур или дванадесетте стола в Дванадесетте стола от Илф и Петров. - Прибл. превод
7 Когато антиматерията направи "Майната му", същото количество материя изчезва. Браун явно е забравил за това.
Антиматерията не само не е по-екзотична от обикновената материя, но също така изглежда и се държи по същия начин в почти всички важни ситуации. Ако всички частици във Вселената внезапно бъдат заменени от тяхната антиверсия, вие няма да забележите нищо. Просто казано, има симетрия в начина, по който законите на физиката се справят с материята и антиматерията, и въпреки това те трябва да са малко по-различни: в края на краищата вие и всичките ви приятели не сте направени от антиматерия, а от обикновена материя.
Обичаме да мислим, че няма инциденти, че има някаква глобална причина, поради която в момента не седите в стая, пълна с анти-човеци. За да разберем за какво става дума, ще се ровим в миналото.
Хайде, античовеци, откъде съм дошъл?
Обясняването откъде идва нещо може да бъде трудно. Не винаги е възможно внимателно да се отпише всичко при ухапване от радиоактивен паяк, експлозия на родната планета или дори съживяване на труп (в името на науката, сами разбирате). Нашият собствен произход е труден, но ще се радвате да знаете, че ние (точно като Хълк) в крайна сметка сме резултат от излагане на гама радиация. Това е дълга история.
Физиката все още не може да отговори дори на въпроса откъде идва самата Вселена, но можем да кажем много за случилото се след това. С риск да предизвикаме екзистенциална криза, можем поне да се опитаме да отговорим на един от най-големите въпроси на философията, направо голям кадър от нейния пантеон: „Защо има нещо в света, а не нищо?“
Въпросът не е толкова глупав, колкото изглежда. Въз основа на всичко, което наблюдаваме в лабораторията, вие не трябва да съществувате. Нищо лично. Аз също не би трябвало да съществувам, както и Слънцето, галактиката Млечния път и филма "Здрач" (по много различни причини).
За да разберем защо не трябва да съществувате, трябва да погледнем в огледалните вселени, вселените от антиматерия и нашата собствена вселена в най-малък мащаб. Разликата между материя и антиматерия се появява само в най-малък мащаб и дори тогава тя далеч не е очевидна.
Вселената е напълно различна в най-малкия мащаб. Всичко, което виждаме, е съставено от молекули, най-малките от които са с размер около една милионна от милиметъра. Ако сравните това със стойностите на човешката скала, тогава човешката коса е с дебелина около сто хиляди молекули. Да, молекулите са много малки, но колкото и малки да са, те са съставени от още по-малки частици. И това също е добре – ако ни е интересно да намерим поне някакъв ред в света. Според Кралското химическо дружество знаем около 20 милиона различни видове молекули, а нови съединения се откриват толкова често, че няма нужда дори да се опитваме да посочим точния брой. Ако не разбирахме, че молекулите са направени от нещо още по-малко, щяхме да се затъваме в изброяването им.
8 Надявам се, че не сте пропуснали въведението. Има много полезни неща.
9 Ърнест Ръдърфорд, който направи, честно казано, повече от другите, за да обясни структурата на материята, направо заяви: „Всички науки са разделени на. За щастие на универсалния ред, ако вземем все по-малък и по-малък мащаб, се появяват нови структури. В мащаб под десет милиардни от метъра започваме да правим разлика между отделните атоми. Ние знаем само за 118 химични елемента и повечето от тях изобщо не се срещат в природата или се срещат само в незначителни количества.
Това, което виждаме в макроскопичен мащаб, ни най-малко не помага да се подготвим за това, което срещаме, когато стигнем до размера на отделните атоми, защото тогава квантовата механика влиза в игра. Все още няма да говоря за квантовата природа на реалността, ще кажа само едно: там цари неприятна несигурност. Засега можете да го игнорирате, но малко по-късно ще трябва да влезете в това блато до уши.
Дори и да не знаете точно какви са атомите, е напълно възможно да получите смисъл от тях. Това открива руският химик Дмитрий Менделеев през 19 век. Най-вероятно сте запознати с основното му постижение, ако поне веднъж в живота си сте се лутали в училищна стая по химия или физика. Менделеев е изобретил периодичната таблица.
Това не е просто дълъг списък. Менделеев доказа, че елементите във всяка колона на таблицата имат много сходни химически свойства. Например мед, зофизика и колекциониране на марки." Колко тъжен трябва да е бил, за да получи Нобелова награда по химия през 1908 г.!
10 Менделеев е първият от многото герои в тази книга, който на практика е лишен от Нобеловата награда. В неговия случай той не получава наградата по химия през 1907 г. поради политическа интрига - въпреки факта, че периодичната таблица е в основата на цялата съвременна химия и атомна физика.
лото и среброто са в една и съща колона и всички те са много проводими метали. Попълвайки празните места, Менделеев успява да предвиди свойствата на елементите, преди те да бъдат открити в лабораторията!
Самата идея, че атомите съставляват невидимата основа на материята, вече е формулирана преди две и половина хиляди години, макар и в доста примитивна форма. Левкип, Демокрит и древногръцките атомисти изразяват тази идея през 5 век пр.н.е. д. и лесно може да се предположи, че сме прекарали последните две хиляди години, за да гарантираме, че най-накрая ще стигне до нас. Лично аз смятам, че древните имат голяма чест.
Като цяло първите атомисти говореха само за факта, че е невъзможно да се разделя материята безкрайно. Те не са си представяли колко малки са атомите, каква е тяхната структура и че могат да се разделят допълнително (въпреки факта, че самата дума „атом“ буквално означава „неделим“).
Едва през последните двеста години започнахме да разбираме поне част от това какво представляват атомите, което кулминира в брилянтния анализ на Айнщайн на Брауновското движение през 1905 г. 80 години по-рано ботаникът Робърт Браун е изследвал цветен прашец, разклатен в течност под микроскоп. Браун отбеляза, че колкото и дълго да е чакал картината да се успокои, частиците прашец продължават да се въртят.
Айнщайн абсолютно правилно предположи, че отделните молекули непрекъснато изтласкват частици на прашеца в различни посоки на случаен принцип - и от това той успя да заключи, че атомите съществуват в действителност, и дори да оцени техния размер.
Убедителното доказателство, че атомите трябва да съществуват сами, би било повече от достатъчно, за да направи Айнщайн един от най-великите учени на 20-ти век, но се смята, че това е едва третото най-важно откритие, което той прави за една година. Истинско чудо се е случило, може би никога не е било в историята блестящи открития да следват едно друго с такава честота и не напразно 1905 г. е наречена „Чудесната година“ в биографията на Айнщайн - точно тогава е публикувана серия от статии, в които ученият не само доказва, че атомите съществуват, но също така демонстрира, че светлината е съставена от частици (за което получава Нобелова награда през 1921 г.), а също така предлага дреболия, наречена „теорията на относителността " на научната общност, благодарение на която най-вероятно знаете името му.
