Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

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.

Между тем физика охватывает не только огромный диапазон размерностей; мы можем в этом же смысле говорить о времени, от мельчайших долей мгновения до космической бесконечности. Вот пример, поражающий воображение. В эксперименте, проведенном в 2016 году в Германии, физики измерили настолько короткий период времени, что его просто трудно себе представить. Они изучали явление под названием «фотоэлектрический эффект», при котором фотоны высвобождают электроны путем выбивания их из атомов. Этому процессу впервые дал правильное объяснение Эйнштейн в своей знаменитой работе, за которую много лет спустя он получил Нобелевскую премию (а не за открытие теории относительности, как вы, вероятно, думаете). Сегодня этот процесс выбивания электронов из различных материалов называется фотоэмиссией и используется для превращения солнечной энергии в электричество в солнечных батареях.

В эксперименте 2016 года были использованы два лазера. Первый, испускающий неимоверно короткий импульс ультрафиолетового диапазона, направили на струю газообразного гелия. Длительность этого импульса составляла всего десятитысячную долю триллионной части секунды, или 100 аттосекунд (10^–18 секунды)[9].Второй лазер был менее мощный (с частотой в инфракрасном спектре), а длительность его импульса была несколько больше, чем у первого. Его задача – захват выбитых электронов, что позволило исследователям вычислить, сколько времени понадобилось для того, чтобы выбить эти электроны. Оказалось, что этот период еще короче и составил всего десятую долю первого импульса. Что интересно, выбитые электроны на самом деле слегка тормозили. Дело в том, что в каждом атоме гелия содержится два электрона, и те, что выбиваются из атома, ощущают воздействие своего оставшегося партнера, что пусть и ненамного, но все же тормозит процесс испускания. Поразительно, что длительность физического процесса, занимающего всего несколько аттосекунд, можно таким образом измерить в лаборатории.

В близкой мне области ядерной физики наблюдаются еще более скоростные процессы, хотя их скорость нельзя измерить непосредственно в лаборатории. Чтобы проанализировать различные структуры атомных ядер и процессов, происходящих при взаимодействии двух ядер, мы пользуемся компьютерными моделями. Например, первая стадия ядерного синтеза – когда, подобно двум каплям воды, сталкиваются два тяжелых ядра, образуя при этом еще более тяжелое ядро, – подразумевает стремительную перестройку протонов и нейтронов из обоих ядер в единое ядро. Этот квантовый процесс занимает менее цептосекунды (10^–21 секунды).

На противоположном конце временной шкалы космологам и астрономам удалось с поразительной точностью выяснить возраст (нашей области) Вселенной, и теперь мы совершенно уверены, что Большой взрыв произошел 13,8242 миллиарда лет назад (плюс-минус несколько миллионов лет). Некоторые могут считать нашу уверенность в точности этой цифры слишком большой смелостью – а тем более те, кто продолжает цепляться за средневековое представление о том, что Вселенной всего шесть тысяч лет; поэтому позвольте мне объяснить, как мы ее установили.

Для начала два допущения, которые я подробнее проанализирую позже; пока же скажу только, что оба они имеют убедительное практическое подтверждение: (1) законы физики работают одинаково во всей Вселенной и (2) пространство во всех направлениях неизменно (в смысле плотности и распределения галактик). Это придает нам уверенность в том, что для изучения всего космоса можно пользоваться наблюдениями, сделанными с Земли или со спутников на земной орбите. Это и позволило нам вычислить возраст Вселенной, используя несколько различных методов.