Читать книгу Таємниці походження всесвіту - Лоуренс М. Краусс - Страница 5

На початку було світло.

Нема нічого дивного в тому, що давні автори Книги Буття уявляли, що першого дня було створено світло. Без світла ми майже нічого не знали б про неосяжний усесвіт, який нас оточує. Коли ми киваємо та говоримо «зрозуміло» нашому приятелеві, який намагається щось пояснити, ми висловлюємо аж ніяк не просто якесь спостереження, а фундаментальне розуміння.

Відповідно, у центрі алегорії Платона також лежить світло: світло від вогнища, яке кидає тіні на стіну печери, та світло зовні, яке спершу тимчасово засліплює звільненого в’язня, а тоді освітлює йому реальний світ. Подібно до в’язнів печери, усі ми також є бранцями світла: майже все, що знаємо про світ, ми дізнаємося з того, що бачимо.

Тоді як слова «Хай станеться світло!» можна вважати найбільш значущими для західного релігійного канону, у сучасному світі ця фраза дістала абсолютно відмінне від минулого значення. Так, людські істоти є бранцями світла, проте це справедливо й для всесвіту. Те, що раніше здавалося примхою юдейсько-християнського Бога чи інших попередніх богів, наразі ми розуміємо як вимогу тих самих законів, завдяки яким існують небеса та, що найважливіше, Земля. Без одного не може бути другого. За світлом іде Земля, себто матерія.

Ця зміна сприйняття лежить в основі практично всіх удосконалень у системі поглядів, яку ми звемо сучасною наукою. Я пишу ці рядки, дивлячись із борту корабля на один із Галапагоських островів, який прославив Чарлз Дарвін і який прославив його у відповідь, бо він змінив наше сприйняття життя і його розмаїття завдяки єдиному геніальному осяянню, що всі живі види розвинулися шляхом природного добору маленьких успадкованих варіацій, які особини, що вижили, передають наступним поколінням. Так само, як розуміння еволюції, поза всяким сумнівом, змінило все в нашому розумінні біології, зміна нашого розуміння світла змінила все в нашому фізичному розумінні нашого місця у всесвіті. І, як корисний побічний ефект, привела до виникнення практично всіх технологій, на яких ґрунтується сучасний світ.

Упродовж іще більш ніж двох тисячоліть після Платона масштаби того, наскільки наші спостереження світу ув’язнюють наш розум та обрамовують наші описи тканини всесвіту, залишалися неосягнутими. Коли ж серйозні мислителі почали детально вивчати приховану природу всесвіту, їм знадобилося понад чотири століття, аби остаточно відповісти на запитання «Що таке світло?».

Можливо, найсерйознішим, хоча точно не найпершим сучасним мислителем, який поставив це запитання, був один із найвідоміших (і найдивакуватіших) науковців в історії – Ісаак Ньютон. Підстави зараховувати його до сучасних учених є: зрештою саме його опублікована в XVII столітті праця «Математичні начала натуральної філософії» відкрила класичні закони руху та заклала засади його теорії всесвітнього тяжіння, на яких великою мірою ґрунтується сучасна фізика. Утім, Джон Мейнард Кейнс зазначає: «Ньютон не був першим представником епохи Просвітництва; він був останнім із чарівників, останнім із вавилонян та шумерів, останнім видатним мислителем, який дивився на видимий та інтелектуальний світ тими ж очима, що й ті, хто починав будувати наш інтелектуальний спадок трохи менше 10 тисяч років тому».

Істинність цього твердження відображає революційну важливість праці Ньютона. Після виходу «Начал» жодна розумна людина вже не могла розглядати світ так, як його розглядали древні. Окрім того, воно відображає характер самого Ньютона, який присвятив значно більше часу й чорнила працям на тему окультизму, алхімії та пошуку прихованих значень і кодів у Біблії, зосередившись, зокрема, на Об’явленні й таємницях, пов’язаних із давнім Храмом Соломона, аніж працям із фізики.

Також Ньютон був одним із довгої низки людей, що жили як до, так і після нього, які почувалися обраними Богом задля того, щоб допомогти розкрити справжнє значення Священного Писання. Важко сказати, якою мірою його дослідження всесвіту були наслідком його захоплення Біблією, проте є обґрунтовані підстави вважати, що в першу чергу його цікавила теологія, а натурфілософія йшла далеко позаду, імовірно, навіть після алхімії.

Багато хто вказує на благоговіння Ньютона перед Богом як на доказ сумісності науки й релігії та підтвердження тези, що сучасна наука зобов’язана своїм існуванням християнству. Такі люди плутають історію з причинно-наслідковим зв’язком. Те, що багато хто з ранніх велетнів сучасної західної натурфілософії, від Ньютона й далі, були глибоко релігійними людьми, є беззаперечним, хоча той самий Дарвін в останні роки життя якщо не повністю, то значною мірою втратив релігійну віру. Але слід пам’ятати, що впродовж більшої частини цього періоду було лише два основні джерела освіти й багатства: церква та корона. У XV, XVI та XVII століттях саме церква була національним науковим фондом. Усі заклади вищої освіти були пов’язані з тією чи іншою конфесією, і жодна освічена людина навіть помислити не могла про те, щоб не бути афілійованою з церквою. І, як виявив Джордано Бруно, а пізніше – Галілей, суперечити її доктрині було в найкращому випадку неприємно. Було б дуже дивно, якби хтось із цих провідних ранніх наукових мислителів не був релігійною людиною.

Нині про релігійність піонерів науки також згадують софісти, які стверджують, що наука та релігійна доктрина сумісні, проте плутають науку з науковцями. Попри численні приводи вважати інакше, науковці – люди. І, як усі люди, вони здатні одночасно тримати в голові багато потенційно взаємовиключних понять. Будь-яка кореляція між розбіжними поглядами однієї людини свідчить лише про одне: людям властиво помилятися.

Твердження, що деякі науковці були або є віруючими, подібне до тверджень, що деякі науковці є республіканцями, чи що дехто вважає Землю пласкою, чи що деякі є креаціоністами. З цього не випливає ані причинно-наслідкового зв’язку, ані послідовності. Мій друг Річард Докінз розповідав мені про професора астрофізики, який удень пише статті для астрономічних журналів, у яких виходить із того, що вік усесвіту перевищує 13 мільярдів років, а тоді йде додому та в приватній обстановці обстоює буквальне біблійне твердження про те, що всесвіту шість тисяч років.

Таким чином, інтелектуальна послідовність (чи її відсутність) у науках є комбінацією раціональних аргументів із подальшими доказами та постійним випробуванням. Є всі підстави твердити, що в західному світі релігія є матір’ю науки. Проте, як знають усі батьки, діти рідко виростають моделями-копіями батьків.

Цілком можливо, що Ньютон за традицією зацікавився світлом тому, що то був Божий дар. Але ми пам’ятаємо його працю не через його мотивацію, а через його відкриття.

Ньютон був переконаний, що світло складається з частинок, які називав корпускулами, тоді як Декарт, а пізніше Ньютонів пострах Роберт Гук, а ще пізніше голландський науковець Християн Гюйгенс одноголосно стверджували, що світло – хвиля. Одним із ключових спостережень на користь хвильової теорії було те, що біле світло, скажімо, світло Сонця, проходячи через призму, розкладається на всі кольори веселки.

Як це часто бувало за життя Ньютона, він вважав, що має рацію, а кілька його найвідоміших сучасників (і суперників) помиляються. Щоби продемонструвати це, він розробив хитромудрий експеримент із призмами, який вперше здійснив удома у Вулсторпі, де переховувався від бубонної чуми, що спустошувала Кембридж. 1672 року на зборах Королівського наукового товариства він доповів, що із сорок четвертої спроби дістав саме той результат, якого й сподівався.

Прибічники хвильової теорії стверджували, що світлові хвилі складаються з білого світла й що в результаті проходження крізь призму світло розкладається на кольори через «спотворення» променів після проходження крізь скло. Себто чим більше скла, тим сильніше розкладання.

Ньютон дійшов висновку, що все було не так і що насправді світло складається з кольорових частинок, які, об’єднуючись, здаються білими (віддаючи належне своєму захопленню окультизмом, Ньютон поділив кольорові частинки спектра – саме він запровадив цей термін – на сім типів: червоні, оранжеві, жовті, зелені, блакитні, сині та фіолетові; ще з часів давніх греків вважали, що число «сім» має містичні властивості). Аби показати, що хвилетвірна гіпотеза не відповідає дійсності, Ньютон пропустив промінь білого світла крізь дві протилежно орієнтовані призми. Перша призма розклала світло на спектр, а друга склала його назад докупи в єдиний промінь білого світла. Якби скло спотворювало світло, це було б неможливо. Друга призма лише погіршила б ситуацію й нізащо не змусила б світло повернутися в початковий стан.

Зрештою цей результат не спростовує хвильової теорії світла (насправді він її, навпаки, підтверджує, оскільки на вході в призму світло заломлюється й сповільнюється, точно як хвилі). Але оскільки прибічники цієї теорії (помилково) стверджували, що спектральне розкладання спричинене спотворенням, демонстрація Ньютона, що це не так, завдала їй сильного удару й підтвердила правильність його корпускулярної моделі.

Після цього Ньютон відкрив багато інших властивостей світла, якими ми послуговуємося нині для розуміння його хвильової природи. Ньютон показав, що в результаті проходження крізь скляну призму світло кожного з кольорів заломлюється під своїм унікальним кутом. Він також показав, що всі предмети набувають того ж кольору, що й промінь, який їх освітлює. І що кольорове світло не змінює кольору, скільки б разів воно не відбивалося чи не проходило крізь призму.

Усі ці результати, зокрема й початковий, можна легко пояснити, якщо біле світло насправді складається з набору різних кольорів, тут Ньютон мав рацію. Але їх не можна пояснити, якщо світло складається з різнокольорових частинок. Натомість біле світло складається з великої кількості хвиль різної довжини.

Утім, навіть попри все більшу популярність Ньютона та смерть його головного опонента Гука, опоненти Ісаака не збиралися складати зброю. Вони не здалися навіть після обрання Ньютона президентом Королівського наукового товариства 1703 року, ще за рік до того, як він опублікував результати своїх досліджень світла в епічній праці «Оптика». Натомість дебати про природу світла точилися ще понад століття.

Частиною проблеми з хвильовою картиною світла було запитання «Хвилею чого саме є світло?». І якщо воно дійсно є хвилею й оскільки всім відомим хвилям потрібне якесь середовище, то в якому середовищі воно поширюється? Ці запитання настільки бентежили прибічників хвильової теорії, що їм довелося навіть воскресити нову невидиму субстанцію, що пронизує весь простір, – ефір.

Розгадка цієї головоломки, як це часто буває, надійшла з абсолютно несподіваного куточка фізичного світу, сповненого іскрами та колесами, що обертаються.

Коли я став молодим професором в Єлі й мені виділили давній, проте велетенський кабінет, який мені пощастило зайняти після виходу на пенсію не менш давнього колеги, на стіні мене очікувала копія фотографії Майкла Фарадея, знятої 1861 року. Я зберігаю її досі.

Я не вірю в поклоніння героям, але якби вірив, Фарадей був би там, у пантеоні, серед найкращих. Не виключено, що з-поміж інших науковців дев’ятнадцятого століття саме він найбільшою мірою є автором технології, яка живить нашу сучасну цивілізацію. При цьому він мав дуже скромну формальну освіту й у віці 14 років став учнем палітурника. Пізніше у своїй кар’єрі, досягши світового визнання за наукові здобутки, він наполегливо тримався свого скромного походження, відмовившись від лицарства та двічі відхиливши пропозицію стати президентом Королівського наукового товариства. Пізніше він, посилаючись на етичні міркування, відмовився консультувати британський уряд на предмет виробництва хімічної зброї для застосування в Кримській війні. І впродовж більш ніж тридцяти років читав низку різдвяних лекцій у Королівському інституті, аби викликати в молоді захоплення наукою. Як можна його не любити?

Проте як би ми не захоплювалися людиною, для нашої оповіді має значення науковець. Своїх студентів я завжди навчаю першого наукового уроку Фарадея: плазуйте перед своїми професорами. У віці 20 років, відпрацювавши сім років учнем палітурника, Фарадей відвідав низку лекцій славетного фізика Гемфрі Деві, тодішнього голови Королівського інституту. Після цього Фарадей подарував Деві 300-сторінкову майстерно переплетену книгу своїх конспектів його лекцій. Упродовж року Фарадея було призначено секретарем Деві, а вже невдовзі він дістав посаду хіміка-асистента в Королівському інституті. Пізніше Фарадей вивчив цей самий урок, але з протилежним знаком. У захваті від деяких перших і вельми важливих проведених експериментів Фарадей в опублікованій праці випадково забув віддати належне спільній роботі з Деві. Імовірно, саме через цю випадкову образу Деві доручив йому займатися іншими справами, тим самим відстрочивши на кілька років його дослідження, які змінили світ.

Перед переведенням Фарадей працював над «гарячою» ділянкою наукових досліджень – щойно відкритими зв’язками між електрикою та магнетизмом, відштовхуючись при цьому від праць данського фізика Ганса Крістіана Ерстеда. Ці дві сили здаються зовсім різними, проте водночас на диво подібні. Електричні розряди можуть притягуватися або відштовхуватися. Магніти можуть те саме. Проте в магнітів, схоже, завжди є два полюси, північ і південь, які не можна відокремити, тоді як електричні розряди можуть бути позитивними чи негативними в індивідуальному порядку.

Якийсь час науковці та натурфілософи розмірковували, чи немає між цими двома силами якихось прихованих зв’язків, і першу емпіричну підказку випадково отримав саме Ерстед. 1820 року, під час лекції, Ерстед помітив, що увімкнення електричного струму від батареї змушувало відхилятися стрілку компаса. Кілька місяців по тому він розвинув це спостереження й відкрив, що потік рухомих електричних зарядів, який ми сьогодні зазвичай називаємо електричним струмом, породжував магнітне тяжіння, яке змушувало піднесені до провідника компасні стрілки крутитися колом.

Ерстед проторував нову стежку. Новина швидко поширилася серед науковців як на континенті, так і на іншому березі Ла-Маншу. Рухомі електричні заряди породжували магнітну силу. Чи є ще якісь зв’язки? Чи можуть магніти, своєю чергою, впливати на електричні заряди?

Науковці шукали, як це зробити, проте безуспішно. Деві з іншим колегою намагалися збудувати на основі виявленого Ерстедом зв’язку електричний двигун, проте зазнали невдачі. Зрештою Фарадею вдалося змусити дріт із пропущеним крізь нього струмом рухатися навколо магніту, що можна було вважати чимось на кшталт двигуна. Саме в доповіді про це захопливе досягнення він забув згадати ім’я Деві.

Почасти це була просто забавка. Ніякого фундаментального феномену при цьому відкрито не було. Імовірно, саме це стало основою однієї з моїх улюблених (скоріш за все, вигаданих) історій про Фарадея. Кажуть, що 1850 року Вільям Ґледстоун, майбутній прем’єр-міністр Великобританії, почув про лабораторію Фарадея, повну химерних пристроїв, і запитав, яку практичну цінність мають усі ці дослідження електрики. Фарадей начебто відповів: «О, сер, вельми ймовірно, що незабаром ви зможете обкласти її податком».

Вигадка чи ні, але ця дотепна відповідь містить як велику іронію, так і велику істину. Дослідження, спричинені цікавістю, можуть видатися далеким від нагальних суспільних потреб сибаритством. Проте, по суті, весь рівень нашого сучасного життя людей першого світу постав зі здобутків таких досліджень, зокрема й електроенергія, яка живить майже всі пристрої довкола нас.

1831-го, через два роки після смерті Деві та через шість після того, як Фарадей став директором лабораторії в Королівському інституті, він зробив відкриття, яке закріпило за вченим репутацію, можливо, найвидатнішого фізика-експериментатора ХІХ століття – відкриття магнітної індукції. Ще з 1824 року Фарадей намагався з’ясувати, чи може магнітне поле змінити напрямок струму в дроті поряд або подіяти на заряджені частинки ще якоюсь електричною силою. Насамперед він хотів перевірити, чи здатне магнітне поле викликати електричний струм, аналогічно до Ерстеда, який показав, що електричне поле, зокрема електричний струм, здатне породжувати магнетизм.

28 жовтня 1831 року Фарадей заніс до лабораторного записника визначне спостереження. Замкнувши перемикач, щоб увімкнути струм у дроті, оберненому навколо залізного кільця для його намагнічування, він помітив, що струм на мить виник в іншому дроті, оберненому навколо цього ж кільця. Зрозуміло, сама лише наявність близького магніту не могла спричинити протікання струму в дроті – а от вмикання чи вимикання магніту могло. Надалі Фарадей показав, що такий самий ефект спостерігався, коли він підсував магніт до дроту. У міру наближення чи віддалення магніту дротом починав текти струм. Точно як рухомий заряд створював магніт, так якимось чином рухомий магніт – чи магніт змінної потужності – створював у близькому дроті електричну силу й породжував струм.

Якщо вам не очевидне ґрунтовне теоретичне значення цього простого та несподіваного результату, не соромтеся, адже це значення вельми хитромудре, і його розкриття підкорилося лише розуму найвидатнішого фізика-теоретика ХІХ століття.

Для того, щоб оформити його належним чином, потрібна концепція, яку ввів усе той же Фарадей. Фарадей мав скромну формальну освіту й був значною мірою самоучкою, тож ніколи не був на короткій нозі з математикою. Інша, скоріш за все, вигадана історія розповідає, що Фарадей хизувався тим, що у своїх публікаціях використав математичне рівняння лише раз. Ясна річ, він ніколи не описував важливе відкриття магнітної індукції в математичних термінах.

Через незлагоди з формальною математикою Фарадей був вимушений мислити рисунками, аби досягти інтуїтивного розуміння фізики, що лежала в основі його спостережень. У результаті він винайшов ідею, що є наріжним каменем усієї сучасної фізичної теорії та розв’язала головоломку, над якою до кінця своїх днів бився Ньютон.

Фарадей спитав себе: «Як один електричний заряд знає, як реагувати на присутність іншого, віддаленого електричного заряду?» Таке саме запитання раніше поставив Ньютон у термінах тяжіння, коли розмірковував, як Земля знає, що треба саме так реагувати на гравітаційне тяжіння Сонця. Як сила тяжіння передається від одного тіла до іншого? На це запитання він дав свою знамениту відповідь: «Hypotheses non fingo» («Я не вигадую гіпотез»), стверджуючи, що вивів закон всесвітнього тяжіння та показав, що його передбачення відповідають спостереженням, і що цього достатньо. Надалі багато хто з нас, фізиків, використовував цей прийом захисту, коли його просили пояснити всілякі дивні фізичні результати, особливо у квантовій механіці, де математика працює, а от фізична картина часто виглядає божевільною.

Фарадей уявив, що кожен електричний розряд оточений електричним «полем», яке він міг подумки зобразити. Він уявляв це поле як купу прямих ліній, які променеподібно виходять із заряду. На ці силові лінії були нанесені стрілки, які вказували назовні у випадку позитивного заряду та всередину у випадку негативного.

Далі він уявив, що в міру збільшення величини заряду збільшується й кількість силових ліній:

Користь цієї уявної картини полягала в тому, що тепер Фарадей мав змогу інтуїтивно зрозуміти, що станеться, якщо поруч із першим зарядом помістити ще один тестовий заряд, і чому це станеться (уживаючи неформальне «чому», я маю на увазі «яким чином»). Де б цей другий тестовий заряд не був, він відчуватиме «поле» першого заряду, при цьому величина електричної сили буде пропорційна кількості силових ліній на цій ділянці, а її напрямок відповідатиме напрямку силових ліній. Таким чином, наприклад, вищеназваний тестовий заряд відштовхуватиметься у вказаному напрямку:

Проте рисунки Фарадея здатні не тільки на це. Уявіть, що ми помістили два заряди поруч один з одним. Оскільки силові лінії виходять із позитивного заряду та входять у негативний заряд і ніколи не перетинаються, майже очевидно, що силові лінії посередині між двома позитивними зарядами мають відкидати одна одну й відштовхуватися, тоді як посередині між позитивним та негативним зарядом вони мають з’єднуватися:

Знов-таки, якщо будь-де поблизу цих двох зарядів помістити тестовий заряд, він відчує на собі силу, спрямовану в напрямку силових ліній, і її величина буде пропорційна кількості силових ліній на цій ділянці.

Отже, Фарадей змалював природу електричних сил між частинками таким чином, який не потребував розв’язання алгебраїчних рівнянь, що описують електричні сили. І найдивніше в цих рисунках те, що вони відображають математику строго як вона є, а не лише приблизно.

Аналогічні графічні прийоми можна застосувати до магнітів і магнітних полів, відтворивши закон магнітної сили, що виникає між магнітами, який експериментально підтвердив Кулон, чи дротами під напругою, який вивів Андре-Марі Ампер (до Фарадея всю важку роботу з відкриття законів електрики та магнетизму виконували французи).

За допомогою цих уявних милиць можна перевиразити Фарадеєве відкриття магнітної індукції так: збільшення чи зменшення кількості магнітних силових ліній, що перетинають закільцьований провідник, спричинить протікання цим провідником струму.

Фарадей швидко усвідомив, що його відкриття дасть змогу перетворювати механічну енергію на електричну. Якщо приєднати закільцьований провідник до лопаті, яка має обертатися, скажімо, потоком води, як водяне колесо, і оточити всю цю штуку магнітом, то в процесі обертання лопаті кількість силових ліній, що проходять крізь дріт, постійно змінюватиметься, і в дроті постійно генеруватиметься струм. І ось вам, будь ласка, Ніагарський водоспад, гідроенергетика й сучасний світ!

Цього вже було б цілком досить, щоб закріпити за Фарадеєм репутацію найвидатнішого фізика-експериментатора ХІХ століття. Але в моїх очах Фарадей посідає настільки високе місце тому, що керувався не технологією; найбільше я шаную його глибоке відчуття цікавості та прагнення якнайширше поділитися своїми відкриттями. Я переконаний: він би погодився, що головна вигода від науки полягає в її впливі у вигляді зміни фундаментального розуміння нашого місця в космосі. І врешті-решт саме це він і зробив.

Тут я просто не міг не згадати ще одного більш сучасного видатного фізика-експериментатора Роберта Р. Вільсона, який у віці 29 років очолював науково-дослідний відділ у Лос-Аламосі, де в рамках Мангеттенського проекту розробляли атомну бомбу. Багато років по тому він став першим директором Національної прискорювальної лабораторії імені Енріко Фермі (скорочено Фермілаб) у Батавії, штат Іллінойс. Під час будівництва Фермілабу 1969 року Вільсона викликали на слухання в Конгресі для обґрунтування витрати значних коштів на цей екзотичний новий прискорювач, що його мали застосовувати для вивчення фундаментальних взаємодій елементарних частинок. Коли його запитали, чи сприяє це підвищенню національної безпеки (що легко б виправдало витрати в очах членів комітету Конгресу), він хоробро відповів, що ні. Натомість він сказав: «Це стосується лише поваги, з якою ми ставимося один до одного, людської гідності, нашої любові до культури… Це стосується того, чи гарні ми художники, гарні скульптори, видатні поети? Я маю на увазі все те, що ми дійсно поважаємо й шануємо в нашій країні, що викликає в нас патріотизм. У цьому сенсі це нове знання напряму стосується слави та країни, але воно ніяк безпосередньо не стосується захисту нашої країни, хіба що сприяє тому, що вона є гідною захисту».

Відкриття Фарадея дали нам змогу живити й творити нашу цивілізацію, освітити наші міста й вулиці та користуватися нашими електричними пристроями. Важко уявити собі відкриття, глибше вкорінене в житті сучасного суспільство. Проте якщо поглянути глибше, настільки видатним його внесок у нашу оповідь робить те, що він відкрив відсутній шматочок головоломки, який змінив наше сучасне сприйняття практично всього у фізичному світі, починаючи від самого світла. Якщо Ньютон був останнім із чарівників, то Фарадей був останнім із сучасних науковців, які стосовно світла жили в темряві. Після його праці ключ до розкриття істинної природи нашого головного вікна у світ лежав на видноті, чекаючи, доки його знайде потрібна людина.

* * *

Не минуло й десяти років, як молодий шотландський сіромашний фізик-теоретик зробив наступний крок.