Сiм основних урокiв з фiзики Карло Ровеллi Цi уроки створенi для тих, хто знае мало або зовсiм нiчого не знае про сучасну науку. У них подано експрес-огляд найцiкавiших аспектiв великоi революцii, що вiдбулась у фiзицi в ХХ столiттi, а також запитань i таемниць, якi ця революцiя вiдкрила людству. Адже наука показуе не тiльки шляхи до кращого розумiння свiту, а й величезний обсяг невiдомого… Карло Ровеллi Сiм основних урокiв з фiзики © Carlo Rovelli, 2015 © Hemiro Ltd, видання украiнською мовою, 2016 © Книжковий Клуб «Клуб Сiмейного Дозвiлля», переклад i художне оформлення, 2016 First published in Italian under the title Sette brevi lezioni di fisica by Carlo Rovelli, 2015 Передмова Цi уроки створенi для тих, хто знае мало або зовсiм нiчого не знае про сучасну науку. У них подано експрес-огляд найцiкавiших аспектiв великоi революцii, що вiдбулась у фiзицi в ХХ столiттi, а також запитань i таемниць, якi ця революцiя вiдкрила людству. Адже наука показуе не тiльки шляхи до кращого розумiння свiту, а й величезний обсяг невiдомого. Перший урок присвячений загальнiй теорii вiдносностi Альберта Ейнштейна, «найпрекраснiшiй з теорiй». Другий – квантовiй механiцi, в якiй розглядаються найбiльш таемничi аспекти сучасноi фiзики – що й досi лишаються нерозкритими. Третiй урок присвячено космосу: архiтектурi Всесвiту, який ми населяемо; четвертий – елементарним частинкам. На п’ятому уроцi ми розглянемо квантову гравiтацiю. У шостому уроцi йдеться про ймовiрнiсть iснування чорних дiр i про iх випромiнювання. У заключному роздiлi книжки ми помiркуемо, чи можливо зрозумiти наше iснування, описавши свiт з точки зору фiзики. Цi уроки – серiя статей, опублiкованих автором у недiльному додатку до iталiйськоi газети «Sole 24 ore» («Сонце. Протягом 24 годин»). Я хотiв би подякувати, зокрема, Армандо Маcсарентi за вiдкриття в нiй спецiалiзованих сторiнок, присвячених науцi. Це дае змогу висвiтлювати багато життево важливих питань. 1. Найпрекраснiша з Теорiй В юностi Альберт Ейнштейн майже цiлий рiк вештався без певноi мети. Ви не дiстанетесь нiкуди, не гаючи часу, – дрiбничка, про яку зазвичай забувають батьки пiдлiткiв. Альберт вiдмовився вiд освiти в Нiмеччинi, бо не витримав строгих правил закладу, де навчався, i жив у Павii iз сiм’ею. Це був початок ХХ столiття, який в Італii збiгся з початком промисловоi революцii. Альбертiв батько, iнженер, працював на будiвництвi електростанцii, першоi на Падуанськiй рiвнинi. Альберт читав Канта, а iнодi, як вiльний слухач, вiдвiдував лекцii в унiверситетi Павii: для задоволення, без реестрацii та необхiдностi непокоiтися про iспити – от так i формувався майбутнiй визначний вчений! Згодом Альберт Ейнштейн вступив до Цюрiхського унiверситету i поринув у вивчення фiзики. У 1905 роцi вiн вiдправив три статтi до найпрестижнiшого наукового журналу того часу, «Annalen der Physic». Кожна з них була гiдна Нобелiвськоi премii. У першiй Ейнштейн доводив, що атоми справдi iснують. У другiй – закладав першооснови квантовоi механiки. У третiй – виклав свою першу теорiю вiдносностi (вiдому в наш час як «спецiальна теорiя вiдносностi»), пояснивши, яким чином для рiзних людей час плине не однаково: двое близнюкiв рiзняться за вiком, якщо один з них подорожував на великiй швидкостi. Ейнштейн прокинувся знаменитим i одразу ж отримав вiд рiзних унiверситетiв пропозицii щодо працевлаштування. Але Альберта щось турбувало: попри негайне визнання теорiя вiдносностi не вiдповiдала знанням про гравiтацiю, а саме уявленням про те, яким чином речi падають. Ейнштейн усвiдомив це, пишучи статтю, в якiй мав узагальнити свою теорiю; вiн зацiкавився питанням, як сумiстити з новою концепцiею вiдносностi закон всесвiтнього тяжiння, сформульований батьком фiзики, Ісааком Ньютоном. Ейнштейн з головою поринув у проблему, але для ii вирiшення знадобилося десять рокiв – десятилiття шалених дослiджень, спроб, плутанини, помилкових статей, генiальних i хибних iдей. Нарештi, у листопадi 1915 року, Ейнштейн пiдготував до друку статтю, що являла собою повне розв’язання задачi: нову теорiю гравiтацii, яку вiн назвав «загальна теорiя вiдносностi». Як сказав великий росiйський фiзик Лев Ландау, це найпрекраснiша з теорiй. Існують шедеври, якi зворушують надзвичайно сильно: «Реквiем» Моцарта, «Одiссея» Гомера, «Король Лiр» Шекспiра, Сiкстинська капела… Щоб повною мiрою оцiнити iх, може знадобитися тривале навчання, зате винагородою е вiдчуття чистоi краси – i не тiльки це. Нам вiдкриваються очi, виникае новий погляд на свiт. Дiамант Ейнштейнового доробку, загальна теорiя вiдносностi, – шедевр того самого рiвня. Я пам’ятаю хвилювання, яке вiдчув, коли почав щось у цьому розумiти. Це було влiтку. Я вiдпочивав на пляжi в Кондофурi в Калабрii, огорнений сонячним сяйвом еллiнського Середземномор’я. Це був останнiй рiк навчання в Болонському унiверситетi. Зосереджена на навчаннi людина найкраще вчиться пiд час канiкул. Особисто я осягав науку з книжкових сторiнок, обгризених мишами, адже вночi використовував книжки для блокування цих бiдолашних створiнь у iхнiх нiрках у доволi пошарпаному хiпуватому будиночку на схилi умбрiйського пагорба, де я зазвичай ховався вiд нудьги унiверситетських занять. Щоразу, а бувало це доволi часто, як я пiднiмав очi вiд книжки i милувався морськими хвилями в сонячних блискiтках, менi здавалося, що я насправдi бачу викривлення простору i часу так, як iх уявляв Ейнштейн. Як за помахом чарiвноi палички: так нiби друг шепоче тобi на вухо якусь надзвичайну, глибоко приховану таемницю, раптово пiднiмаючи завiсу реальностi, щоб розкрити простiший, глибинний порядок свiтобудови. Вiдтодi як люди виявили, що Земля кругла i крутиться як навiжена дзига, вони зрозумiли, що реальнiсть не така, як ii бачать: щоразу ми розкриваемо якийсь новий ii аспект, це глибоко емоцiйне переживання. Так впала ще одна завiса. Але впродовж людськоi iсторii стрибкiв уперед, якi один за одним здiйснювались на шляху до розумiння свiту, ейнштейнiвський не мае собi рiвних. Чому? Насамперед, тому що як тiльки ви зрозумiете, як працюе його теорiя, ви побачите, яка вона захопливо проста. Пiдсумую. Ньютон доклав зусиль, щоб пояснити, чому речi падають, а планети обертаються. Вiн уявив iснування сили, що притягуе матерiальнi тiла одне до одного, i назвав ii силою гравiтацii. Але як цi сили дiють мiж тiлами вiддаленими, мiж якими, здавалося б, нiчого не вiдбуваеться, було невiдомо – i великий батько сучасноi науки остерiгався висувати гiпотези. Ньютон уявляв, що тiла рухаються крiзь простiр i що простiр – це гiгантський порожнiй контейнер, велетенська коробка, що мiстить у собi Всесвiт, дивовижна структура, крiзь яку всi об’екти рухаються правильно, аж поки сила не змушуе iхню траекторiю викривитись. З чого зроблений цей простiр, цей контейнер зi свiтом, який вiн винайшов, Ньютон не мiг пояснити. За кiлька рокiв до народження Ейнштейна двое великих британських фiзикiв, Майкл Фарадей i Джеймс Максвелл, додали до холодного ньютонiвського свiту ключовий iнгредiент – електромагнiтне поле. Це поле – об’ективна реальнiсть, що проникае скрiзь, переносить радiохвилi, наповнюе простiр, вiбруе i коливаеться, як поверхня озера, а також транспортуе електричну силу. З юностi Ейнштейн був просто в захватi вiд електромагнiтного поля, здатного обертати ротори електростанцii, збудованоi його батьком, i скоро зрозумiв, що гравiтацiя, як i електрика, мае переноситися за допомогою поля: гравiтацiйне поле мае iснувати як аналог електричного поля. Ейнштейн прагнув зрозумiти, як це гравiтацiйне поле працюе i як його описати за допомогою рiвнянь. І саме в цей момент у нього раптово виникла надзвичайна iдея, доторк чистого генiя: гравiтацiйне поле не пронизуе простiр; гравiтацiйне поле – це, власне, i е сам простiр. Це iдея теорii загальноi вiдносностi. Ньютонiвський простiр, крiзь який рухаються предмети, i гравiтацiйне поле – те саме. Це був момент осяяння. Вiдбулося миттеве спрощення уявлення про свiтобудову: простiр бiльше не е чимось вiддiленим вiд матерii, вiн один iз матерiальних компонентiв свiту, об’ективна реальнiсть, що хвилеподiбно рухаеться, гнеться, викривлюеться, скручуеться. Ми не вмiщенi всередину невидимоi сталоi iнфраструктури, ми наче закрученi в гнучкiй мушлi гiгантського равлика. Сонце вигинае простiр навколо себе, i Земля не рухаеться навколо нього не завдяки якiйсь таемничiй силi, а тому, що вона скочуеться – через нахил простору, подiбно до мармуровоi кульки, яка котиться ринвою. Жоднi таемничi сили не генеруються в центрi ринви, це просто вигнута форма ii стiнок змушуе кульку скочуватись. Планети рухаються навколо сонця, i предмети падають, бо простiр викривлюеться. Як можна описати це викривлення простору? Найвiдомiший математик ХІХ столiття, Карл Фрiдрiх Гаусс, названий князем математикiв, записав математичнi формули, щоб описати двомiрнi криволiнiйнi поверхнi пагорбiв. Потiм вiн попросив свого обдарованого студента узагальнити теорiю, щоб розмiстити простори в трьох i бiльше вимiрах. Студент, а ним виявився Бернгард Рiман, створив таку приголомшливу докторську дисертацiю, що вона здавалась абсолютно непридатною: властивостi викривленого простору втiлюються в окремий математичний об’ект, який позначаеться лiтерою R i який ми знаемо як Рiманову кривизну. Ейнштейн написав рiвняння, де R еквiвалентне енергii матерii. Таким чином стверджуеться: викривлення простору е там, де е матерiя. Ось так! Рiвняння займае лише пiврядка. Образ простору, що викрiвлюеться, стае рiвнянням. Але всерединi рiвняння народжуеться Всесвiт. Теорiя з чарiвною щедрiстю народжуе фантасмагоричну послiдовнiсть передбачень, якi схожi на безтямну маячню божевiльного i якi, тим не менш, пiдтверджуються. Почнiмо хоча б з того, як простiр вигинаеться навколо зiрки, завдяки цьому не тiльки виникають орбiти планет, а й свiтло перестае рухатись по прямiй лiнii i вiдхиляеться. Ейнштейн висунув теорiю, що Сонце – причина вiдхилення свiтла. У 1919 роцi це вiдхилення було вимiряне, i теорiя пiдтвердилася. Ейнштейн висунув iдею, що поблизу Сонця час бiжить швидше, нiж поблизу Землi (тобто сповiльнення часу бiльше там, де гравiтацiя сильнiша). Згодом це пiдтвердилося. Якщо людина, яка прожила певний час на рiвнi моря, зустрiнеться зi своiм близнюком, який жив високо в горах, то виявить, що двiйник дещо старший. І це тiльки початок. Коли велика зiрка спалюе все свое пальне (водень), вона згасае. Тиску вiд жару залишкiв уже не досить, щоб протистояти власнiй вазi, i зiрка колапсуе, вигинаючи простiр до такоi мiри, що утворюеться справжня дiра. Це i е знаменитi чорнi дiри. Коли я вчився в унiверситетi, iх вважали ледь вартими довiри передбаченнями таемничоi теорii. Сьогоднi астрономи спостерiгають за сотнями чорних дiр i детально iх вивчають. Але i це ще не все. Ейнштейнове рiвняння показуе, що простiр не може бути сталим, вiн мусить розширюватись. У 1930 роцi розширення простору справдi було виявлено. Те саме рiвняння передбачае, що розширення мало початися з вибуху юного, надзвичайно малого й екстремально гарячого всесвiту: з того, що ми тепер знаемо як Великий Вибух. Спершу нiхто цьому не вiрив. Але проводили все бiльше спостережень, факти накопичувалися, аж поки не було доведено iснування фонового випромiнювання – розсiяних вiдблискiв, що залишилися вiд тепла, спричиненого початковим розширенням Всесвiту. Пророцтво, що постало з рiвняння Ейнштейна, справдилося. І бiльше того, теорiя стверджуе, що космос рухаеться подiбно до поверхнi моря. Ефект подiбних гравiтацiйних хвиль спостерiгаеться в небi (приклад: подвiйнi зiрки) i, згiдно з прогнозами теорii, з приголомшливою точнiстю: один до ста мiльярдiв. І так далi. Коротше кажучи, теорiя описуе барвистий i захопливий свiт, де всесвiти вибухають, простiр колапсуе, утворюючи бездоннi дiри, час сповiльнюеться поблизу планети, безмежний обшир мiжзоряного простору пульсуе i розгойдуеться, як поверхня моря. І все це, що поступово з’ясовуеться з моеi обгризеноi мишами книжки, не е оповiддю iдiота у нападi безумства чи галюцинацiею, спричиненою гарячим середземноморським сонцем Калабрii та слiпучо осяйним морем. Це реальнiсть. Точнiше – натяк, проблиск реальностi, трохи менш завуальованоi, нiж наше розпливчасте i банальне щоденне ii бачення. Реальнiсть, що, здавалося б, виготовлена з тiеi самоi субстанцii, з якоi зробленi нашi мрii, але бiльш життездатна, нiж наше захмарене щоденне мрiяння. Усе це результат елементарноi iнтуiцii: простiр i гравiтацiйне поле – те саме. Не можу не навести тут формулу, якщо навiть ви не будете в змозi ii розшифрувати. Але, можливо, хтось оцiнить ii дивовижну простоту. Rab – 1/2 R gab = Tab Ось вона. Вам, звичайно, доведеться пройти курс навчання i засвоiти Рiманову математику, щоб осягнути технiку читання i використання цього рiвняння. Це потребуватиме трохи терпiння i зусиль. Але менше, нiж потрiбно, наприклад, щоб поцiнувати рiдкiсноi краси струнний квартет пiзнього Бетховена. В обох випадках нагородою буде чиста краса – i новi очi, щоб по-новому побачити свiт. 2. Квант Два стовпи, на яких стоiть фiзика ХХ столiття, – загальна теорiя вiдносностi, про яку йшлося у попередньому уроцi, i квантова механiка, з якою матимемо справу тут. Немае теорiй, якi вiдрiзняються одна вiд одноi бiльше, нiж цi. Обидвi теорii вчать нас, що тонка структура природи – ще менш вловима, нiж може здаватися. Але загальна теорiя вiдносностi – це, так би мовити, компактна коштовнiсть, створена силою единого розуму, а саме Альбертом Ейнштейном, це просте i послiдовне бачення гравiтацii, простору i часу. Квантова механiка, або квантова теорiя, отримала незрiвняннi експериментальнi результати, i ii застосування кардинально змiнило наше повсякденне життя (комп’ютер, на якому я набираю текст, – цьому приклад), але навiть через столiття пiсля народження вона залишаеться незрозумiлою i таемничою. Квантова механiка виникла у 1900 роцi i проголосила столiття напружених iнтелектуальних зусиль. Нiмецький фiзик Макс Планк обчислив електричне поле, врiвноважене в нагрiтiй емностi. Щоб зробити це, вiн вдався до трюку: уявив, що енергiя поля поширюеться в «квантах», що означае «в пакунках» чи «грудочках» енергii. Результат абсолютно вiдповiдав метi обчислення (i тому в цiй моделi мусить бути правильним), але суперечив усьому, що було вiдомо на той час. Вважалося, що енергiя – це величина, яка змiнюеться неперервно, i не було причин розглядати ii як таку, що складаеться з маленьких дискретних порцiй. Для самого Планка розбиття енергii на порцii було просто дотепним способом обчислень, i вiн сам цiлком не розумiв причин результативностi цього методу. І саме Ейнштейн п’ять рокiв по тому дiйшов висновку, що цi порцii енергii реальнi. Ейнштейн показав, що свiтло складаеться з частинок. Сьогоднi ми називаемо iх фотонами. У вступi до своеi статтi вiн писав: «Менi здаеться, що дослiдження, пов’язанi з випромiнюванням абсолютно чорного тiла, флуоресценцiею, утворенням катодних променiв пiд дiею ультрафiолетового свiтла, та з iншими, спорiдненими з цим феноменами, що стосуються емiсii або трансформацii свiтла, були б успiшнiшими, якби дослiдник припускав, що свiтлова енергiя переривчасто розподiляеться в просторi. Згiдно з припущенням, що розглядаеться, енергiя свiтлового променя, що поширюеться вiд точечного джерела, не розподiлена неперервно в просторi, а складаеться зi скiнченноi кiлькостi енергетичних квантiв, що локалiзованi в певних точках простору i рухаються не подрiбнюючись та можуть утворюватися або поглинатися лише цiлком окремими одиницями». Цi простi i яснi рядки е справжнiм свiдоцтвом про народження квантовоi теорii. Звернiть увагу на дивовижний початок: «менi здаеться…», що нагадуе «я думаю…», яким Дарвiн у своему записнику починав формулювання великоi iдеi еволюцii видiв, i «сумнiви», висловленi Фарадеем, коли вiн ознайомлював свiт з революцiйною iдеею магнiтних полiв. Генiй сумнiваеться. Робота Ейнштейна вiд початку сприймалася колегами як абсурд. Згодом ця сама робота буде нагороджена Нобелiвською премiею. Якщо Планк е батьком квантовоi теорii, то Ейнштейн – той, хто ii виплекав. Але, як усi нащадки, теорiя з часом пiшла своею дорогою, незнаною самим Ейнштейном. У 1920?1930-х роках ii почав розвивати данець Нiльс Бор. Саме вiн зрозумiв, що енергiя електронiв в атомах може набувати лише певних значень, подiбно до енергii свiтла, i ключовим е те, що електрони можуть тiльки перестрибувати з однiеi атомноi орбiти на iншу з певними енергiями, пiд час стрибка випромiнюючи або поглинаючи фотон. Це i е знаменитi «квантовi стрибки». Саме в Копенгагенському iнститутi найбiльш блискучi молодi вченi столiття зiбрались для спiльних дослiджень, намагаючись навести лад у незбагненних аспектах поведiнки атома та збудувати на цiй основi послiдовну теорiю. У 1925 роцi нарештi з’явилося рiвняння новоi теорii, яке замiнило загальну механiку Ньютона. Важко уявити значнiше досягнення. Один доторк – i все набувае сенсу, стае можливим обчислити що завгодно. Наведемо один приклад. Чи ви пам’ятаете перiодичну таблицю елементiв Менделеева, який записав усi можливi елементи, з яких складаеться Всесвiт, вiд водню до урану? Ця таблиця висить на стiнi майже в кожному класi. Чому ж у нiй записанi саме цi елементи та чому вона мае саме таку структуру, з саме такими перiодами i з елементами, що мають саме такi специфiчнi властивостi? Тому що кожен елемент вiдповiдае одному рiшенню основного рiвняння квантовоi механiки. Цiла наука – хiмiя – грунтуеться на одному рiвняннi. Першим написав рiвняння новоi теорii, базуючи iх на шалених запаморочливих iдеях, генiальний молодий нiмець, Вернер Гейзенберг. Вiн уявляв, що електрони не завжди iснують. Вони е лише тодi, коли хтось або щось спостерiгае за ними, чи, краще сказати, – коли електрони взаемодiють iз чимось iншим. Вони матерiалiзуються в конкретному мiсцi з обчислюваною ймовiрнiстю, коли зiштовхуються з чимось iншим. Квантовi стрибки з однiеi орбiти до iншоi – це единий засiб, який вони мають, щоб бути реальними: електрон, таким чином, – це набiр стрибкiв вiд однiеi взаемодii до iншоi. Коли нiщо його не турбуе, вiн не мае точного мiсця. Вiн взагалi не перебувае на жодному мiсцi. Це так, якби Бог створював свiт не за допомогою лiнiй, що iх непросто стерти, а нанiс його пунктиром у виглядi нечiткоi схеми. У квантовiй механiцi об’ект не мае визначеного розташування, допоки не зiштовхнеться з чимось iншим. Щоб описати такi об’екти мiж взаемодiями, ми використовуемо абстрактнi математичнi формули, що мають сенс не в реальному просторi, а лише в абстрактному математичному свiтi. Але гiрше попереду: цi стрибкоподiбнi взаемодii, що перемiщують об’ект з одного мiсця в iнше, трапляються не якимось передбачуваним чином, а е переважно випадковими. Неможливо передбачити, де електрон знову з’явиться, можна тiльки вирахувати ймовiрнiсть, що вiн вигулькне тут чи там. Питання ймовiрностi постае в самому серцi фiзики, де, здавалося б, усе пiдкорюеться чiтким, непохитним та незмiнним унiверсальним законам. Чи не здаеться це абсурдом? Це здалось абсурдним Ейнштейну… З одного боку, вiн висувае Гейзенберга на Нобелiвську премiю, визнаючи, що вiн зрозумiв про свiт щось фундаментальне, з iншого – нiколи не упускае шансу побурчати, що все це не мае особливого сенсу. Молодi леви з Копенгагенськоi групи були в сум’яттi: як можливо, щоб Ейнштейн думав так? Їхнiй духовний батько, який мав мужнiсть думати про, здавалося б, неосяжне для людського розуму, вiдступае i боiться стрибка в невiдомiсть, до якого сам спонукав. Той самий Ейнштейн, котрий показав, що час не е унiверсальним, а простiр е викривленим, тепер стверджуе, що свiт не може бути аж таким дивовижним. Бор терпляче розтлумачуе Ейнштейну новi iдеi. Ейнштейн завзято заперечуе. Вiн проводить ментальнi експерименти, щоб продемонструвати суперечливiсть нових iдей: «Уявiть коробку, наповнену свiтлом; i от ми даемо одному фотону можливiсть втекти звiдти на певний час…» – так починаеться його знаменитий уявний експеримент з «коробкою свiтла». Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/karlo-rovell/s-m-osnovnih-urok-v-z-f-ziki/?lfrom=362673004) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.