Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Покупка
Артикул: 622711.03.99
Человечество стоит на пороге нового понимания мира и своего места во Вселенной — считает авторитетный американский ученый, профессор физики Гарвардского университета Лиза Рэндалл, и приглашает нас в увлекательное путешествие по просторам истории научных открытий. Особое место в книге отведено новейшим и самым значимым разработкам в физике элементарных частиц; обстоятельствам создания и принципам действия Большого адронного коллайдера, к которому приковано внимание всего мира; дискуссии между конкурирующими точками зрения на место человека в универсуме. Содержа- тельный и вместе с тем доходчивый рассказ знакомит читателя со свежими научными идеями и достижениями, шаг за шагом приближающими человека к пониманию устройства мироздания.
Рэндалл, Л. Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной / Л. Рэндалл, пер. с англ. Н. Лисовой. - Москва : Альпина нон-фикшн, 2016. - 518 с. - ISBN 978-5-91671-264-3. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2011349 (дата обращения: 10.12.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Достучаться 
до небес

Лиза Рэндалл

Knocking
on Heaven’s
Door

HOW PHYSICS AND SCIENTIFIC 
THINKING ILLUMINATE THE UNIVERSE 
AND THE MODERN WORLD
Lisa Randall

М   о   с   к   в   а
2  0 1 6

Достучаться 
до небес

НАУЧНЫЙ ВЗГЛЯД 
НА УСТРОЙСТВО ВСЕЛЕННОЙ

Лиза Рэндалл

Перевод с английского

ISBN 978-5-91671-264-3 (рус.)
ISBN 978-0-06-172372-8 (англ.)

© Lisa Randall, 2011
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2014

УДК 539.1:001.8
ББК 22.38
Р96                            Переводчик Наталья Лисова
Научные консультанты 
Михаил Ревнивцев, д. ф.-м. н.
Дмитрий Горбунов, к. ф.-м. н.
Редактор Юлия Быстрова

Рэндалл Л.
Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной / Лиза 
Рэндалл; Пер. с англ. — М.: Альпина нон-фикшн, 2016. — 518 с.

ISBN 978-5-91671-264-3

Человечество стоит на пороге нового понимания мира и своего места во 
Вселенной — считает авторитетный американский ученый, профессор физики 
Гарвардского университета Лиза Рэндалл, и приглашает нас в увлекательное 
путешествие по просторам истории научных открытий. Особое место в книге 
отведено новейшим и самым значимым разработкам в физике элементарных 
частиц; обстоятельствам создания и принципам действия Большого адронного 
коллайдера, к которому приковано внимание всего мира; дискуссии между 
конкурирующими точками зрения на место человека в универсуме. Содержательный и вместе с тем доходчивый рассказ знакомит читателя со свежими 
научными идеями и достижениями, шаг за шагом приближающими человека 
к пониманию устройства мироздания.

УДК 539.1:001.8
ББК 22.38

Р96

Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и каки
ми бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, а также запись в память 

ЭВМ для частного или публичного использования, без письменного разрешения владельца авторских прав. По вопросу 

организации доступа к электронной библиотеке издательства обращайтесь по адресу lib@alpinabook.ru. 

Издание подготовлено при поддержке

Фонда Дмитрия Зимина «Династия»

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2002 г. Дмитрием Борисовичем 
Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком». Приоритетные направления 
деятельности Фонда — поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение. В рамках программы по популяризации науки Фондом 
запущено несколько проектов. В их числе — сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих 
в русскоязычном Интернете тематических ресурсов, а также проект «Библиотека  «Династии» — издание современных научно-популярных книг, тщательно отобранных экспертамиучеными. Книга, которую вы держите в руках, выпущена в рамках этого проекта. Более 
подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.ru.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 
7

Часть I

МАСШТАБИРОВАНИЕ РЕАЛЬНОСТИ

Глава 1 
Тебе — мало, мне — в самый раз 
23
Глава 2 
Раскрывая секреты 
50
Глава 3 
Жизнь в материальном мире 
66
Глава 4 
В поисках ответов 
88

Часть II

МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА

Глава 5 
Волшебная экскурсия в глубь материи 
101
Глава 6 
«Видеть» — значит верить 
130
Глава 7 
На краю Вселенной 
152

Часть III

АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ

Глава 8 
Одно кольцо, чтобы править всем… 
169
Глава 9 
Возвращение кольца 
188
Глава 10 
О черных дырах, которые поглотят весь мир 
214
Глава 11 
Рискованное дело 
228
Глава 12 
Измерение и неопределенность 
255
Глава 13 
Эксперименты CMS и ATLAS 
271
Глава 14 
Как распознать частицы 
302

Часть IV

МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Глава 15 
Истина, красота и другие научные заблуждения 
323
Глава 16 
Бозон Хиггса 
342
Глава 17 
Вакантное место топ-модели 
370
Глава 18 
Снизу вверх или сверху вниз? 
407

ДОСТУЧАТЬСЯ ДО НЕБЕС

Часть V

МАСШТАБИРОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Глава 19 
Вселенная наизнанку 
423
Глава 20 
Что велико для тебя, мало для меня 
440
Глава 21 
Гости с темной стороны 
460

Часть VI

ПОДВЕДЕМ ИТОГИ

Глава 22 
Думать глобально, действовать локально 
483

Заключение 
499
Благодарности 
506

ВВЕДЕНИЕ

Мир стоит на пороге великих открытий. Сегодня проводятся самые масштабные и интересные в истории эксперименты в области 
физики элементарных частиц и космологии, и самые талантливые 
физики и астрономы мира объединяют усилия для анализа их результатов. Возможно, в ближайшее десятилетие ученые обнаружат 
то, что изменит наши представления о фундаментальном строении 
вещества и структуре самого пространства; не исключено даже, 
что наши представления о природе реальности станут более полными. Ученые, которые вплотную занимаются этими вопросами, 
уверены, что новые факты не просто дополнят уже имеющиеся. 
Мы с нетерпением ждем открытий, которые приведут к зарождению принципиально новой парадигмы структуры Вселенной и изменят представление об ее устройстве, сложившееся на основании 
прошлых открытий.
10 сентября 2008 г. произошло историческое событие — первый пробный пуск Большого адронного коллайдера (БАК), на который все мы возлагаем большие надежды. Слово «большой» 
в названии относится не к адронам, а к самому коллайдеру. Основа БАКа — громадный кольцевой туннель длиной 26,6 км*, расположенный между горами Юра и Женевским озером и дважды 
пересекающий франко-швейцарскую границу. Электрические 
поля внутри этого туннеля разгоняют два пучка частиц, в каждом 
из которых движутся миллиарды протонов (протоны принадлежат 
к классу элементарных частиц, известных как адроны, поэтому 
коллайдер — адронный); частицы носятся по окружности, делая 
за одну секунду примерно 11 000 оборотов.
Коллайдер служит площадкой для крупнейших экспериментов 
из тех, какие когда-либо ставились на Земле. Цель ученых — про
* Я буду часто использовать приближенное значение 27 км. — Прим. авт. 

ДОСТУЧАТЬСЯ ДО НЕБЕС

вести детальные исследования структуры материи на невозможных доселе расстояниях и при более высоких энергиях, чем когда-либо прежде. При таких энергиях должен возникнуть целый ряд 
необычных элементарных частиц; кроме того, предположительно 
должны возникнуть взаимодействия, имевшие место при рождении Вселенной — примерно через одну триллионную долю секунды после Большого взрыва.
При проектировании Большого адронного коллайдера пришлось задействовать всю изобретательность ученых и инженеров 
и все возможности современной техники; его строительство также оказалось сложнейшей задачей. К огромному разочарованию 
ученых и сочувствующих, всего через девять дней после первого 
успешного пуска в коллайдере из-за некачественной пайки в одном из контактов произошла авария. Однако осенью 2009 г. БАК 
вернулся в строй и заработал даже лучше, чем кто-либо надеялся. 
Так многолетние ожидания стали реальностью.
Весной того же года с космодрома во Французской Гвиане 
были запущены научно-исследовательские космические аппараты — крупнейший космический телескоп Herschel и космическая 
обсерватория Planck. Я узнала об этом от группы радостно возбужденных астрономов Калифорнийского технологического института. Они встречали 13 мая в 5:30 утра в Пасадене, а я гостила 
там, чтобы удаленно наблюдать за эпохальным пуском. Миссия 
Herschel — прояснить процессы формирования и эволюции звезд 
и галактик, а Planck — передать на Землю подробные данные 
об остаточном излучении, сохранившемся после Большого взрыва, что позволит больше узнать о начальном периоде эволюции 
нашей Вселенной. Надо сказать, что космический запуск всегда 
вызывает радость и тревогу одновременно — ведь от 2 до 5% их заканчиваются неудачей, и тогда пропадают годы работы над специализированным научным оборудованием спутника, который 
вместе с ракетой падает обратно на Землю. К счастью, этот пуск 
прошел успешно, и весь день приходила информация о благополучном ходе полета. Тем не менее пройдет еще не один год, прежде чем Herschel и Planck передадут нам ценнейшую информацию 
о звездах и Вселенной.

ВВЕДЕНИЕ   9

***
На сегодняшний момент физика дает прочную базу для наших 
знаний о том, как функционирует Вселенная на самых разных 
пространственных масштабах и при самых разных энергиях. 
Теоретические и экспериментальные исследования позволили 
ученым глубоко понять элементы и структуры — от самых крошечных до громадных. Со временем нам удалось восстановить 
подробную и непротиворечивую картину того, как из отдельных 
кусочков складывается целое. Физические теории описывают, 
как развивался космос: из крошечных составляющих сформировались атомы, которые в свою очередь слились в звезды, а те — 
образовали галактики и более крупные структуры, разбросанные 
по Вселенной. Затем некоторые звезды взорвались и породили 
тяжелые элементы, которые попали в нашу Галактику и в Солнечную систему, — без них в конечном итоге не возникла бы жизнь. 
На базе надежных и обширных сведений, полученных при помощи БАКа и космических аппаратов, физики надеются расширить 
наши представления об окружающем мире и достигнуть большей 
точности, чем когда-либо прежде. Это рискованная и амбициозная затея.
Вероятно, вам доводилось слышать четкое и на первый взгляд 
точное определение науки, противопоставляющее ее всевозможным системам верований, таким как религия. Однако реальная 
история развития науки далеко не проста. Нам, безусловно, нравится думать — по крайней мере сама я поначалу думала именно 
так, — что наука достоверно отражает реальность и правила, которым подчиняется физический мир. Но актуальные исследования 
почти неизбежно проходят в ситуации неопределенности, когда мы 
надеемся, что продвигаемся вперед, но не до конца в этом уверены. 
Чтобы достойно ответить на вызовы, ученый должен рождать перспективные идеи и при этом всегда сомневаться в них, проверять 
истинность их самих и вытекающих из них следствий. Научные 
исследования неизбежно балансируют на грани сложных, иногда 
противоречивых или конкурирующих, но, как правило, чрезвычайно интересных идей. Задача ученых — расширять пределы челове
ДОСТУЧАТЬСЯ ДО НЕБЕС

ческих знаний. Но, когда жонглирование данными, концепциями 
и уравнениями только начинается, их интерпретация часто остается неясной — причем для всех, включая и самих ученых.
Мои исследования сосредоточены на теории элементарных 
частиц (самых маленьких из известных нам объектов), но иногда 
затрагивают и теорию струн, и космологию (самые крупные объекты). Мы с коллегами пытаемся понять, что лежит в основе материи, что находится там, далеко во Вселенной, и как связаны между 
собой все фундаментальные величины и свойства, обнаруженные 
экспериментальным путем. Физики-теоретики не проводят настоящих экспериментов, цель которых — определить, какие из имеющихся теорий применимы в реальном мире. Вместо этого мы пытаемся предсказывать возможные выводы из того, что могут дать 
эксперименты, и разрабатываем новые способы проверки идей. 
Ответы на вопросы, которые мы пытаемся отыскать, вряд ли изменят в ближайшем будущем нашу повседневную жизнь. Но в итоге 
они, возможно, помогут нам понять, кто мы и откуда взялись.
Эта книга — о наших исследованиях и важнейших научных 
вопросах, стоящих перед человечеством. Новые открытия в физике частиц и космологии способны радикально изменить наши 
представления о мире: о его устройстве, эволюции и силах, им 
управляющих. В книге рассказывается об экспериментальных исследованиях на базе Большого адронного коллайдера и о теоретических работах, в которых ученые выступают как провидцы. 
В ней говорится также о космологических исследованиях — о том, 
как человек пытается проникнуть в суть Вселенной, особенно так 
называемой «темной» материи.
Но это еще не все. Здесь рассматриваются и более общие вопросы, свойственные любым научным поискам. Наряду с описанием 
исследований, идущих в авангарде современной науки, я пытаюсь 
прояснить для читателя природу науки. Вы узнаете, как ученые 
решают, какие именно вопросы перед собой ставить, почему они 
не всегда могут договориться даже об этом и как верные научные 
идеи в конце концов побеждают. Я рассказываю, какими путями 
развивается наука и чем она принципиально отличается от иных 
способов поиска истины, стараюсь раскрыть философские основы