Читаем Наука и удивительное(Как человек понимает природу) онлайн бесплатно

За последние десятилетия знания человека о природе возросли во много раз. В науке простое описание природы все больше вытесняется открытием первопричины вещей. Успехи физики общеизвестны: на заре XX века учебники даже об атоме сообщали как о чем-то гипотетическом. В настоящее время нет ни одного не объясненного явления атомной физики.

Передний фронт науки проходит глубоко внутри области атомного ядра: современная физика изучает строение и взаимодействие элементарных частиц.

Столь же поразительные успехи сделала и биология, нашедшая, наконец, ответ на исконный вопрос: что такое жизнь? Чем живая материя отличается от неживой?

Казалось бы, невозможно в одной небольшой популярной книге так осветить все основные разделы современного естествознания, чтобы их понял читатель, лишенный всякой специальной подготовки. И однако Вайскопфу удалось сделать это. Ему помогло как раз то, что отличает нынешнюю науку от науки прошлого — знание конкретной взаимосвязи всех явлений природы. То, что давно высказывалось в общей форме, ныне приняло форму конкретного знания.

Поэтому автор сумел атаковать в лоб любую проблему, будь то волновые свойства электрона или программа жизни клетки в ДНК. Чем лучше известна сущность явления, тем легче объяснить его другому, даже тогда, когда объяснение связано с вещами, далекими от повседневного опыта.

Русское заглавие книги предложено самим автором.

С самых первых страницу где говорится о нашем месте во Вселенной, поражает стройный, логически убеждающий метод изложения. Автор не пытается подавить воображение читателя громадностью астрономических чисел. Каждый новый шаг, раздвигающий горизонты Вселенной от планет к звездам, от звезд к галактикам, от отдельных галактик к их совокупности, обоснован очень простыми оценками порядков величин. Читатель легко понимает, откуда берутся все эти миллиарды галактик и световых лет. Оценки так очевидны, что иногда возникает недоумение: почему они не были известны еще в древности? Очевидно, кроме количественных оценок, нужна прежде всего правильная картина мира.

У Л. Н. Толстого есть интересная мысль:

«Помню я раз, говоря с знаменитым астрономом, читавшим публичные лекции о спектральном анализе звезд Млечного Пути, сказал ему, как хорошо бы было, если бы он, со своим знанием и мастерством читать, прочел бы публичную лекцию по космографии только о самых знакомых движениях Земли, так как наверное среди слушателей его лекций о спектральном анализе звезд Млечного Пути очень много людей, особенно женщин, таких, которые не знают хорошенько того, от чего бывают день и ночь, зима и лето.

Умный астроном, улыбаясь, ответил мне: „Да, это хорошо бы было, но это очень трудно. Читать о спектральном анализе Млечного Пути гораздо легче“» (Полн. собр. соч., т. 30, стр. 184, М., 1951.)

Со времен Толстого объем знаний, насущно необходимых каждому культурному человеку, очень расширился. «Умный астроном» прекрасно понимал, как трудно рассказать людям в доступной и интересной форме именно то, что проще и нужнее всего. Но Вайскопфу это прекрасно удалось.

А. С. Компанеец

Эта книга возникла из цикла лекций, прочитанных автором в Бэкингемской школе (Кембридж, Массачусетс) для слушателей, не имеющих специальной подготовки в науке. Цель лекций состояла в том, чтобы дать общий беглый очерк современных научных представлений о явлениях природы, показать универсальность этих представлений и их значение для человека.

Слишком хорошо известно, с какими трудностями связано подобное начинание. Научное знание трудно сообщить не ученому: слишком многое надо объяснить прежде, чем дойдешь до существа дела. Обычно профан не видит леса из-за деревьев. Но эти трудности не должны пугать ученых и удерживать их от попыток такого рода. В этой книге непосвященным рассказывается о величайших культурных достижениях нашего времени.

В наш век естественные науки уже не являются независимыми. Химия, физика, геология, астрономия и биология связаны друг с другом, и все рассматриваются в этой книге, хотя и не одинаково подробно. Наибольшее место отведено физике, основе естественных наук, и, в частности, атомной физике, так как все на свете состоит из атомов. В книге особенно подчеркнута тенденция к универсальности науки, к единому рассмотрению любых объектов — от элементарной атомной частицы до живого мира. Реализация этой общей точки зрения кажется более близкой благодаря огромным успехам, достигнутым в последние десятилетия в понимании атомов, звезд и живых клеток.

При написании такой небольшой книги, как эта, автор вынужден делать отбор и опускать многие существенные факты. При этом отборе он руководствовался своими представлениями о существенности тех или иных областей науки; большую роль играла также ограниченность его собственных знаний. Один пробел требует специальных пояснений. Теория относительности Эйнштейна не включена в книгу и лишь бегло упоминается в ней. Конечно, автор прекрасно понимает, что теория относительности — это одно из крупнейших достижений физики и всей науки вообще. Она настолько революционизировала наши представления о Пространстве и времени, что без Эйнштейна невозможно было бы количественное, строгое рассмотрение пространства и времени. Однако идеи Эйнштейна играют решающую роль в количественной формулировке многих научных проблем, тогда как в нашей книге особое место уделено качественной картине мира в том виде, в котором ее рисует наука. Для этого теория относительности не абсолютно необходима, и поэтому мы оставили ее в стороне.

Автору помогли очень многие коллеги, читавшие ранние варианты рукописи и предложившие изменения и добавления. Особенно автор обязан своим коллегам: ученым Давиду Хаукинсу, Мервину Хайну, Филипу Моррисону, Алексу Ричу и Кириллу Смиту. Очень помогла ему книга «Физика», изданная Комитетом содействия изучению физики (D. С. Heath & Со., 1960). Особую благодарность автор приносит двум лицам, не принадлежащим к миру ученых, — Кингмэну Брюстеру и Энн Моррисон, которые сыграли роль подопытных морских свинок в ранних стадиях работы над книгой и оказывали постоянную моральную поддержку.

Особую благодарность надо принести Джону X. Дэрстону за внимательный просмотр рукописи и внесенные в нее усовершенствования и Полю Ларкину за иллюстрации, а также Бэкингемской школе, которая своим приглашением прочесть лекции вызвала к жизни эту книгу.

Женева, Швейцария

Виктор Ф. Вайскопф

1 марта 1962 г.

Как велик мир? Каковы размеры предметов в этом мире? Мы имеем непосредственное представление только о размере тех предметов, с которыми встречаемся в повседневной жизни. Наименьшая длина, которую воспринимают наши глаза, — это толщина, или диаметр, волоса, примерно равный одной десятой миллиметра[1]. Рост человека, грубо говоря, равен двум метрам, это несколько превышает десять тысяч диаметров волоса. Другие предметы вокруг нас: мебель, инструменты, автомобили, дома — имеют размеры того же порядка, как и наше тело, в противном случае было бы трудно иметь с ними дело.

Глядя в окно на ландшафт, мы видим предметы больших размеров, находящиеся на больших расстояниях, например горы и равнины. Мы можем измерить расстояния до них, считая шаги, которые нужно сделать, чтобы достичь их, иначе говоря, прямо сравнивая эти расстояния с размерами своего тела. Мы находим, что предметы, которые мы еще можем увидеть на расстоянии — горы, холмы и леса, отстоят от нас только на несколько километров, не более чем на 100 км, даже если речь идет об огромных Скалистых горах.

На этом кончается наше непосредственное восприятие расстояния. Было бы слишком трудно измерить размеры какого-либо континента, не говоря уже о размерах Земли, считая шаги. Поэтому надо применять непрямые методы, чтобы получить представление о размерах и расстояниях, превышающих, скажем, 100 км. Один из таких способов состоит в измерении расстояний с помощью скорости. Если я еду из одного пункта в другой с заданной скоростью, скажем 100 км/час, и знаю время, которое заняла поездка, то я могу получить представление о расстоянии между ними. Современные средства передвижения облегчают эту задачу. Самолету требуется около 10 мин, чтобы пролететь 100 км; расстояние от западного до восточного побережья США он покроет примерно за 500 мин. Следовательно, ширина Америки приблизительно равна 5000 км. Тому же самолету потребовалось бы примерно в 10 раз больше времени, чтобы облететь вокруг Земли; значит, ее окружность составляет около 50 000 км. На самом деле она составляет 40 000 км. Так как Земля — шар, нетрудно найти и ее диаметр, он равен 13 000 км. Это размер нашей родной планеты — Земли.

Обратимся теперь к небесным телам. Как мы можем измерить расстояния до них и их размеры? Солнце, Луна и звезды кажутся прикрепленными к какому-то своду, окружающему пространство, в котором мы живем. Когда мы смотрим на звездное небо, оно выглядит так, как если бы все небесные тела находились на одинаковом расстоянии (рис. 1).

Рис.1. Средневековая гравюра на дереве, на которой показано преобладавшее в то время представление о картине мира. Странник просовывает голову сквозь небесный свод и видит устройства, движущие звезды.

Истинное расстояние до этих тел столь велико, что его невозможно воспринять непосредственно.

Однако существуют очень простые способы измерения расстояний до ближайших небесных тел. Наиболее простой способ разработан в самые последние годы, он основан на методе радиолокации.

Луч радара направляют на объект и посылают весьма короткий сигнал. Затем ждут возвращения отраженной волны и измеряют время, протекшее от посылки сигнала до его возвращения. Если сигнал наделен на Луну, то это время составит 2,6 сек. Столько времени понадобилось сигналу радара, чтобы достичь Луны и вернуться. Волна радара имеет ту же природу, что и световая, и распространяется с той же скоростью (см. гл. III) — 300 000 км/сек. Отсюда мы заключаем, что расстояние Земля — Луна — Земля равно 2,6·300 000 км, т. е. что Луна отстоит от нас приблизительно на 400 000 км. Это — еще один пример определения расстояния по скорости.

Теперь, когда мы уже знаем расстояние до Луны, спросим, как она велика? Мы видим Луну как диск. Размеры его таковы, что понадобилось бы 360 таких дисков, чтобы выложить их рядом по большому кругу от западного горизонта через зенит к восточному. Так как нам известно расстояние до Луны, мы можем узнать и длину полуокружности, радиус которой равен расстоянию до Луны. Эта длина равна радиусу, умноженному на π, т. е. произведению π на 400 000 км. Диаметр Луны составляет 1/360 этой длины, или 3600 км. Это примерно в три раза меньше диаметра Земли, а расстояние до Луны равно приблизительно тридцати диаметрам Земли. Луна почти земной объект.