12+
Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей
Покупка
Тематика:
Астрономия
Издательство:
Альпина нон-фикшн
Автор:
Семихатов Алексей
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 628
Возрастное ограничение: 12+
Дополнительно
Вид издания:
Научно-популярная литература
Уровень образования:
Дополнительное образование
ISBN: 978-5-00139-749-6
Артикул: 797353.03.99
Эта книга — рассказ о фундаментальной научной картине мира в развитии от более наглядного к более абстрактному: от брошенного камня до объяснения уравнений Эйнштейна и Шрёдингера. Человек разбирается в устройстве Вселенной, наблюдая за движением, догадываясь о правилах, которые регулируют все, что происходит, и получая подсказки о скрытых частях мира или о новых правилах из несоответствий между ожидаемым и реальным движением: знаменитые примеры включают предсказанное существование Нептуна, Планеты 9 и невидимого вещества в галактиках, причины ускоренного расширения Вселенной, квантовую природу теплового излучения. В книге обсуждаются функционирование Солнечной системы и возможности путешествий по ней; взаимоотношения пространства, времени и движения в специальной теории относительности и определяемые ими проблемы галактических перелетов; общая теория относительности и ее эффекты, включая некеплеровы орбиты, замедление времени, гравитационные волны и экзотические способы сверхсветового перемещения; энтропия как незнание о микроскопическом движении и ее приложения от тепловых машин до демона Максвелла и черных дыр; квантовая механика, включая прохождение сквозь стены, уникальность устройства атомов, запутанность и интерпретации, призванные прояснить состояние кошки Шрёдингера. По правилам нашей Вселенной в ней невозможен покой, и читателю предстоит оценить ее беспокойное разнообразие.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Специалитет
- 03.05.01: Астрономия
- 03.05.02: Фундаментальная и прикладная физика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Москва 2022 ВСЁ, ЧТО ДВИЖЕТСЯ ПРОГУЛКИ ПО БЕСПОКОЙНОЙ ВСЕЛЕННОЙ А С ОТ КОСМИЧЕСКИХ ОРБИТ ДО КВАНТОВЫХ ПОЛЕЙ
© Семихатов А., 2022 © ООО «Альпина нон-фикшн», 2022 ISBN 978-5-00139-749-6 УДК 524.8 ББК 22.637 С30 Научные редакторы Владимир Сурдин, канд. физ.-мат. наук, Сергей Нечаев, д-р физ.-мат. наук Редактор Петр Фаворов Семихатов А. Всё, что движется: Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей / Алексей Семихатов. — М. : Альпина нон-фикшн, 2022. — 628 с. ISBN 978-5-00139-749-6 Эта книга — рассказ о фундаментальной научной картине мира в развитии от более наглядного к более абстрактному: от брошенного камня до объяснения уравнений Эйнштейна и Шрёдингера. Человек разбирается в устройстве Вселенной, наблюдая за движением, догадываясь о правилах, которые регулируют все, что происходит, и получая подсказки о скрытых частях мира или о новых правилах из несоответствий между ожидаемым и реальным движением: знаменитые примеры включают предсказанное существование Нептуна, Планеты 9 и невидимого вещества в галактиках, причины ускоренного расширения Вселенной, квантовую природу теплового излучения. В книге обсуждаются функционирование Солнечной системы и возможности путешествий по ней; взаимоотношения пространства, времени и движения в специальной теории относительности и определяемые ими проблемы галактических перелетов; общая теория относительности и ее эффекты, включая некеплеровы орбиты, замедление времени, гравитационные волны и экзотические способы сверхсветового перемещения; энтропия как незнание о микроскопическом движении и ее приложения от тепловых машин до демона Максвелла и черных дыр; квантовая механика, включая прохождение сквозь стены, уникальность устройства атомов, запутанность и интерпретации, призванные прояснить состояние кошки Шрёдингера. По правилам нашей Вселенной в ней невозможен покой, и читателю предстоит оценить ее беспокойное разнообразие. УДК 524.8 ББК 22.637 С30 Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети интернет и в корпоративных сетях, а также запись в память ЭВМ для частного или пуб личного использования, без письменного разрешения владельца авторских прав. По вопросу организации доступа к электронной библиотеке издательства обращайтесь по адресу mylib@alpina.ru.
Содержание Очень короткое предисловие ................................................................................ 7 Благодарности ...................................................................................................... 9 ЧАСТЬ 1. КОСМИЧЕСКИЕ ПРОГУЛКИ Прогулка 1. Движение по правилам ............................................................... 15 От качества к количеству — Открытие Солнечной системы — Относительность и инерция — Законы движения — Всеобщее притяжение — Уравнения движения — Больше чем Кеплер — Движение как организация Добавления к прогулке 1 .....................................................................42 Признания и литературные комментарии .........................................47 Прогулка 2. Танец с небесами ........................................................................ 49 От Земли к Луне и обратно — Центр масс — Кто за рулем — Космические парковки XVIII века — Гало-орбиты — Греки и троянцы — Полет из пращи — Где прибавить ходу — Рандеву — Танец с небесами Добавления к прогулке 2 ....................................................................83 Признания и литературные комментарии .........................................86 Движение на прогулках 1 и 2 ............................................................... 87 Прогулка 3. Невидимое — из движения видимого ........................................89 Тысячи планет из движения — Планета как объяснение — Гармония целых чисел — Тайна девятой планеты — Тайна первой планеты — Несогласное вращение Добавления к прогулке 3 ....................................................................119 Признания и литературные комментарии ....................................... 124 Движение на прогулке 3 .................................................................... 125 Прогулка 4. Прочь от Кеплера: размер, форма и беспорядок ...................127 Ничто не идеально — Размер имеет значение — От прилива до разрыва — Движение откликается на форму — Спасение эллипсов поцелуями — Борьба всех со всеми — Драма для троих Добавления к прогулке 4 ................................................................... 160 Признания и литературные комментарии ....................................... 165 Движение на прогулке 4 .................................................................... 166
ЧАСТЬ 2. ВСЕЛЕНСКИЕ ПРОГУЛКИ Прогулка 5. Абсолютное, относительное и безразличное ......................... 169 Не все скорости складываются — Относительны все, кроме одной — Энергия из массы — Темпы времени — Относительность и пространство- время — Замедление времени как необходимость — Сверхколлайдер: догнать свет — Движение, энергия и масса — Будущее, прошлое и безразличное — Космический старт: обмануть систему? — Сверхпривилегия от рождения — Заманчивые путешествия — Циолковский с нами Добавления к прогулке 5 ................................................................... 215 Признания и литературные комментарии .......................................226 Движение на прогулке 5 ....................................................................228 Прогулка 6. Всеобщее свободное падение .................................................229 Свободное падение: одно для всех — Невесомость — Склейка простого в сложное — Самые прямые в искривленном — Геодезические на смену Кеплеру и Ньютону — Равенство без исключений — Падения света — Отрезанный ломоть пространства- времени — Правила черной дыры для навигации — Часть времени не помещается — Кривизна: расхождение геодезических — Нельзя не вращаться Добавления к прогулке 6 ................................................................... 278 Признания и литературные комментарии .......................................283 Движение на прогулке 6 ....................................................................284 Прогулка 7. Говорит и движется материя .................................................... 287 Десятирукий Агент — Наследник Пифагора — Почти произвольные правила — Десять голосов материи — Двадцать оттенков кривизны — Уравнения Эйнштейна — Конструктор вселенных — Совсем не наши вселенные — Наконец-то обмануть систему? — Пустая кривизна — Два тела, поле и волны Добавления к прогулке 7 ...................................................................339 Признания и литературные комментарии .......................................346 Движение на прогулке 7 ....................................................................349 ЧАСТЬ 3. ОКРЕСТНЫЕ ПРОГУЛКИ Отложенная прогулка 8. Движение рядом ..................................................353 ЧАСТЬ 4. ВНУТРЕННИЕ ПРОГУЛКИ Прогулка 9. Измельчение в незнание .......................................................... 357 Растворенное движение и атомы — Пыльца, Сфинкс и случайные блуждания — Градусы раздробленного движения — Равенство возможностей — Вероятности: организованное незнание — Мера и цена незнания — Беспокойная сестра энергии — Свобода, равенство и братство: последствия — Неубывать иль нет? — Широко образованный демон — Следы преступления Уилера — Расфасовка света — Квант действия
Добавления к прогулке 9 ................................................................... 412 Признания и литературные комментарии ....................................... 417 Движение на прогулке 9 .................................................................... 419 Прогулка 10. Неопределенность и непримиримость .................................. 421 Атом не должен существовать — Природа не терпит траекторий — Спасибо неопределенности — Атом почти не существует — Вражда, отбирающая свой ства — Господство целых чисел — Напряженное существование — Почему Менделеев был прав — Неугомонные колебания — Квантовая первооснова — Кипящая пустота — Один мир и две системы — Вращение без движения — Спин электрона, наконец-то! — Лишняя половина, и такая разница — Про что же уравнение? Добавления к прогулке 10 ..................................................................478 Признания и литературные комментарии .......................................486 Движение на прогулке 10 ...................................................................487 Прогулка 11. В поисках утраченного движения ...........................................489 От величины к высказыванию — Как же о них думать — Урок демократии — Дискретное и непрерывное. Уединение и вдохновение — Движение и энергия на вершине абстракций — Уравнение Шрёдингера — Волновая функция в поисках реальности — Правило Борна — Главная тайна квантовой механики — Реальны все! — Часть и целое — Ловушка Белла — Основные подозреваемые — Лоцманы спасают реализм — Вспышки в пустоте — Реализм по выбору — Ускользающая реальность Добавления к прогулке 11 .................................................................. 573 Признания и литературные комментарии .......................................585 Движение на прогулке 11 ................................................................... 587 Заключение. Вселенная в движении ............................................................589 ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение А. Физические законы .............................................................595 Приложение Б. Энергия ................................................................................. 601 Приложение В. Элементарные частицы в азартном изложении ..............607 Литература ...................................................................................................... 621 Источники ........................................................................................................626
Очень короткое предисловие 7 Очень короткое предисловие О читателе. Эта книга для тех, кому мысли об устройстве мира приносят больше радости, чем расстройства; для тех, кого они скорее интригуют, чем раздражают. О содержании. В ообще-то самая интересная часть «устройства мира» вокруг нас — это мир людей, но книга не про это, а про то, в чем я понимаю немного больше: про устройство мира неодушевленного, но, впрочем, такого, который сделал возможным появление одушевленного. И интересует меня в этом устройстве, по существу, один-единственный мотив, зато такой, который связан со многими другими. Вселенная не просто находится в движении, но и в некотором роде существует через движение. В нем соединены пространство, время и материя. Открытие Вселенной началось с изучения движения и во многом продолжается так же: наблюдая за движением одних частей мира, мы делаем выводы о существовании и свой ствах других. О жанре. Жанр этой книги — прогулки. Прежде всего необременительные (хотя кое-где я все-таки переборщил), имеющие своей целью не рассказать обо всем, а скорее заинтересовать чем-то; всегда можно двигаться дальше, но при желании можно и слегка задержаться там, где что-то привлекло внимание 1. Не возбраняется и еще раз взглянуть на то, что мы уже видели, но с несколько другой стороны. В книге нет ни претензии, ни попытки излагать историю событий, или людей, или даже идей: несистематические исторические экскурсы — это просто элементы прогулки, а для тех, кого мне удалось заинтересовать, — приглашение к самостоятельному углублению в подробности. В ряде случаев подробности (или отступления, с которыми не удалось совладать) приведены в добавлениях к прогулкам. А в поисках читательского внимания я время от времени выношу на поля то, что хотелось бы особенно отметить. Да, и из-за рода моих занятий это прогулки в первую очередь по теоретическому знанию; практика и эксперимент составили бы отдельную книгу. Литературными комментариями в конце каждой прогулки я пользуюсь не только по их прямому назначению, но в ряде случаев и для того, чтобы сознаться в переупрощениях, неиспользовании стандартных терминов и других серьезных прегрешениях. 1 Что до некоторой степени оправдывает мою любовь к примечаниям.
О дисциплине. Из-за многочисленных и разноуровневых связей идеи движения с другими темами мне следовало держать себя в руках и не отвлекаться на параллельные сюжеты. Полного успеха в таком самоограничении я не достиг. Пожалуй, только предисловие получилось по-настоящему коротким.
Благодарности 9 Благодарности По прихоти судьбы — разносчицы даров — в прекрасный день мне откровенья были. Я написал роман «Прогулки фраеров», и фраера меня благодарили. Б. Окуджава Я благодарен времени за то, что оно нашлось. А оглядываясь на это время, я могу только удивляться, как немного сделал я- и-только-я, чтобы эта книга появилась. Первый вариант начальных глав, предвкушая живой отклик, я попросил прочитать Ивана Семенова; он был настолько деликатен, что не только ничего не ответил, но и ни разу впоследствии не дал заподозрить себя в знании, что я хоть что-нибудь написал. Сообразив, что так писать нельзя, я взялся кое-что переделывать — не совсем напрасно, если судить по его же откликам на финальный вариант последних глав. Неоценимыми для меня оказались тренировки по дехаотизации мышления, в которых наряду с другими участвовали Виктория Гинанова, Дмитрий Мамонтов, Василий Панюшкин, Анастасия Решетняк, Валерий Ройзен и Мария Усачева; наши совместные упражнения развивали способность смотреть на вещи, которые я намереваюсь рассказывать, со стороны не рассказчика (т. е. меня самого), а слушателя. Видную роль в качестве этого последнего играл Дмитрий Ликин: он задавал вопросы, а потом отказывался воспринимать мои безнадежно развернутые, ab ovo, объяснения, чем поначалу будил негодование в недрах моего «я». Заинтересованной критикой рождающегося текста — критикой, послужившей для меня источником здравомыслия, энергии, решимости и вдохновения, — я обязан Ксении Ануфриевой, Виктории Гинановой, Василию Панюшкину и Марии Попцовой; их замечания и предложения даже могли стать причиной заметных улучшений. Алексей Кондратов не только прочитал предварительный вариант (около девяти десятых — что, по-видимому, близко к абсолютному пределу), выказывая при этом удачную комбинацию снисходительности и скептицизма, но и написал блюз «Черная дыра»; возможно, вы уже где-то слышали его исполнение. Сергей Кондратов и Дмитрий Баюк — фактически мои соавторы в двух главах/прогулках (каждый в своей). Кроме более или менее регулярных причин, события, включая и написание книги, могут иметь еще и триггеры, которые косвенно способствуют их реализации; среди тех, кто решительно не ставил себе такой цели, но тем не менее спровоцировал меня на дополнительные усилия (помог, попросту говоря, преодолеть
Всё, что движется 10 лень), — Ивар Максутов, Максим Карпов, Сергей Серегин, Елена Петровская, Алексей Шилов. Ряд сложных для меня вопросов я обсуждал с Аркадием Цейтлиным и Владимиром Лосяковым; книга, вероятно, была бы лучше, если бы я смог использовать все, о чем они говорили. Я благодарен за разъяснения Алексею Топоренскому и за призывы к стилистической дисциплине Валентину Кориневскому. Интеллектуальные провокации со стороны Михаила Аркадьева помогли мне яснее определить свое позиционирование в пространстве идей. Немало выгоды принесли мне семейные связи: разного рода вопросы и критику я получал от Ксении Семихатовой и ее бабушки (моей мамы) Ирины Красивской. И мне определенно повезло с тем, что предфинальный вариант согласились прочитать Владимир Сурдин и частично Дмитрий Казаков (которые вообще-то являются для меня примером того, как систематически и с вниманием к аудитории рассказывать об устройстве мира). Помимо конкретных исправлений, Сурдин внес несколько предложений, которые я беззастенчиво использовал, не всегда это оговаривая. Я благодарен моему издателю Павлу Подкосову за приглашение, содержавшее в себе не только мотивированный отказ издавать книгу наспех, но и предложение вместо этого подготовить издание с командой «лучших людей», по его выражению. Это предложение имело последствия, включая положительные: многими фрагментами, где мой слог попадает в интервал от приемлемого и выше, я обязан редактору этой книги Петру Фаворову. Он, правда, и не думал ограничиваться слогом и стилем, а принялся методически изводить меня пожеланиями, плавно переходящими в требования, внести смысл туда, где его наличие вызывало у него сомнения (совершенно обоснованные, как я раз за разом убеждался). Под его неослабным давлением пришлось сделать то, что обычно бывает при подготовке второго издания, если книга удостаивается такого отличия: исправить глупости и разобраться с немалым числом неоднозначных и путаных формулировок, временами граничивших с ошибками. Одним словом, я бессовестно сел на шею Фаворову, сделавшему для создания новой версии ничуть не меньше меня, и в результате читателю уже сейчас фактически предлагается второе, «дополненное, исправленное и существенно переработанное» издание. (Первое, благо было в дюжине экземпляров, быстро разошлось.) Последующее научное редактирование, за которое неожиданно согласился взяться Сергей Нечаев, имело благотворные результаты в виде освежающей критики и сопутствующей ей расстановки смысловых точек над «i», включая такие, о существовании которых я ранее и не подозревал; в результате я открыл для себя новые связи между вещами, а в тексте появилось несколько уточняющих и дополняющих пояснений. Помимо всех