Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - [7]

Глава 2. Масштаб

В отличие от философии, логики и чистой математики физика является наукой одновременно эмпирической и количественной[5]. Она основывается на тестировании и верификации научных идей посредством воспроизводимых наблюдений, измерений и экспериментов. Хотя физики могут периодически выдвигать экзотические и диковинные математические теории, их подлинная эффективность и потенциал определяются тем, в какой мере они описывают явления реального мира, которые, в свою очередь, могут использоваться для их тестирования.

Именно поэтому Стивен Хокинг так и не получил Нобелевскую премию за свою работу об излучении энергии черными дырами – явлении, известном как излучение Хокинга, – опубликованную им в середине 1970-х; ведь Нобелевские премии присуждаются только за теории или открытия, которые получили экспериментальное подтверждение. Точно так же Питеру Хиггсу и другим, кто высказал предположения такого же рода, пришлось ждать целых полвека, когда существование бозона Хиггса было подтверждено с помощью Большого адронного коллайдера.

Именно в этом причина того, что физика как научная дисциплина начала по-настоящему развиваться только тогда, когда были изобретены приборы и инструменты, необходимые для проверки верности физических теорий посредством наблюдения, экспериментов и количественных измерений. Возможно, древние греки и были прекрасными мыслителями, развившими такие науки, как философия и геометрия, до уровня сложности, который практически соответствует сегодняшнему, но – за исключением Архимеда – они не особенно известны своей склонностью к экспериментам. Физика как наука достигла настоящей зрелости только к XVII веку – в большой степени благодаря двум приборам, имеющим решающее значение для всех точных наук: телескопу и микроскопу.

Если бы мы могли понимать только тот мир, который виден невооруженным глазом, мы бы недалеко ушли в изучении физических явлений. Диапазон волн, который «видит» глаз человека, – это лишь небольшая область всего электромагнитного спектра. Причем наш глаз может воспринимать только такие объекты, которые не слишком малы по размеру и находятся на ограниченном расстоянии. Хотя при условии, что до нашего глаза доберется достаточное количество фотонов (и при условии, что у них нет для этого ограничений по времени), мы должны быть способны видеть до бесконечности – это вряд ли позволило бы нам разглядеть все необходимые детали. Однако изобретение микроскопа и телескопа открыло нам окно в мир, увеличив все слишком малое и приблизив все слишком далекое. И это стало прорывом в науке. Наконец-то мы получили возможность проводить наблюдения и подробные измерения, проверять верность наших теорий и уточнять их.

Седьмого января 1610 года Галилей направил свою усовершенствованную трубу на небо и навсегда опроверг постулат, что мы являемся центром Вселенной[6]. Он увидел четыре спутника Юпитера и сделал совершенно верный вывод, что гелиоцентрическая модель Коперника истинна и Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Наблюдая космические тела на орбите Юпитера, он доказал, что не все небесные тела вращаются вокруг нас. Земля является не центром Вселенной, а просто одной из планет, вращающихся вокруг Солнца наряду с Юпитером, Венерой и Марсом. Этим открытием Галилей положил начало современной астрономии.

Но его открытие стало прорывным не только в астрономии. Оно позволило подвести основательный фундамент под само понятие научного метода. Отталкиваясь от работы средневекового арабского физика Ибн аль-Хайтами, Галилео «математизировал» саму физику. Разрабатывая математические отношения, которые описывают – а по сути, предсказывают – движение тел, он однозначно доказал, что книга природы «написана на математическом языке»[7].

В это же время Роберт Гук и Антони ван Левенгук с помощью микроскопа открыли новый мир совершенно иного толка. Знаменитая книга Гука под названием «Микрография», опубликованная в 1665 году, содержит поразительные изображения миниатюрных объектов, которые до этого никто никогда не видел, – от глаза мухи и волосков на спине вши до отдельных клеток растений.

Сегодня линейка масштабов, доступных для научного исследования, поражает воображение. Электронные микроскопы позволяют видеть отдельные атомы размером в одну десятую миллионной доли миллиметра в поперечнике, а гигантские телескопы дают возможность заглянуть в самые дальние уголки видимой Вселенной, находящиеся на расстоянии 46,5 миллиарда световых лет[8]. Никакая другая наука не изучает явления в таком широком диапазоне. Да что там разрешение до отдельных атомов – ученые из Университета Сент-Эндрюс в Шотландии недавно показали мне нечто сногсшибательное. Они придумали способ измерения длины световой волны с помощью прибора под названием «волномер», причем с точностью до одного аттометра, то есть одной тысячной диаметра протона. Они пропустили лазерный луч через отрезок оптического волокна, что придало лучу зернистую фактуру, а затем проследили, как эта фактура меняется в зависимости от мельчайших изменений длины световой волны.