Дэйв Зобель.

Теория Большого взрыва. Наука в сериале



скачать книгу бесплатно

Когда был изобретен телескоп, были обнаружены и названы другие огромные штуковины, вращающиеся вокруг Солнца. К середине XIX века количество объектов, называемых планетами, увеличилось почти до двух дюжин. Любопытно, что все новые объекты были сосредоточены в одном месте Солнечной системы: в кольце вокруг Солнца, которое сейчас называется поясом астероидов. В нем находится не несколько, а миллионы миллионов крутящихся и вертящихся фрагментов твердого космического мусора, кирпичиков планет. Половина его массы сконцентрирована в четырех крупных объектах, но самый крупный из них, Церера, едва дотягивает до 1% массы Луны.

Если склеить все компоненты пояса астероидов, то получится шар с диаметром всего лишь в 1600 километров. Шар этот совсем маленький – он легко поместится на территории Среднего Востока (но это не значит, что это следует делать), не заходя за его границы. Или если вы смогли бы размазать всю эту массу как сливочный сыр, у вас бы как раз получилось заполнить все океаны Земли по кромочку. Это очень много сыра, но мало планеты.

Если бы мы продолжили называть каждый новый объект, который вращается вокруг Солнца, планетой, то сам этот термин быстро бы обесценился. Поэтому астрономы остановили это сумасшествие, ограничив значение этого слова, охватывающего теперь только восемь наиболее массивных тел. Церера и ее остальные мелкие подружки были записаны под новым названием – «астероид» («звездоподобное тело»).

Пояс астероидов – область Солнечной системы, расположенная между орбитами Марса и Юпитера, засоренная глыбами твердых пород, путешествующих по орбите и не заслуживающих звания планеты.

Разумно, не так ли?

Последние полтора века привели нас практически к идентичной проблеме. За орбитой Нептуна находится значительное количество объектов, гораздо меньше Луны, но больше, чем Церера, – размерчик, позволяющий называть их планетами по новой терминологии. Чтобы снова уберечь термин от обесценивания, нужно было еще больше его ограничить и ввести новый термин – карликовая планета.

Первым из обнаруженных подобных тел и был Плутон. Наряду с Церерой и другими астероидообразными планетами 1850-х он сыграл важную роль: его неправильная квалификация была использована для иллюстрации неточности терминологии. Тайсон и компания отстаивали новую классификацию тел Солнечной системы, утверждая, что она будет служить во благо науке и обществу, и в 2006 году голосованием Международного астрономического союза она была утверждена и стала официальной.

К сожалению, за семь десятилетий после обнаружения Плутона этот малыш Солнечной системы странным образом стал любимцем человечества. Многие протестуют по поводу его понижения в звании, больше основываясь на своих чувствах, а не на разумных умозаключениях. Согласитесь, это странная компания для Шелдона.



Спроси у звезды: Майк Браун

Майк Браун является профессором планетарной астрономии в Калтехе.

Его открытие Эриды, которая оказалась больше Плутона, но походила больше на астероид, чем на планету, заставило Международный астрономический союз ввести термин «карликовая планета», в списке которых первым оказался Плутон.

Мемуары Брауна названы без тени смущения «Как я убил Плутон и почему это было неизбежно».

Вопрос: А почему вы, астрономы, так обошлись с Плутоном?

Майк Браун: Мы его не обижали. Как и Шелдон, большинство астрономической ассоциации симпатизирует Плутону. Может быть, Шелдону было бы легче это пережить, если бы он осознал, что не доктор Тайсон ответственен за понижение Плутона в звании, а астрономы 1930-х. Плутон был неправильно классифицирован потому, что в то время было просто недостаточно знаний о Солнечной системе. Сейчас мы знаем намного больше, и Плутон можно поместить в правильную категорию. Ему там гораздо комфортнее, я в этом уверен.

2
Так держать!

ШЕЛДОН: ЭТА ТАБЛИЦА В КВАДРАТНЫХ САНТИМЕТРАХ. Я ПОДУМАЛ, ЧТО РЕЧЬ О КВАДРАТНЫХ МЕТРАХ. ТЫ ЗНАЕШЬ, ЧТО ЭТО ЗНАЧИТ?

ЭМИ: ЧТО АМЕРИКАНЦЫ НЕ РАЗБИРАЮТСЯ В МЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ?

«РОМАНТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС» (СЕЗОН 7, ЭПИЗОД 6)

Эми не единственная, кто удивлена отказом американцев принять то, что остальная часть планеты давно считает поразительно простой и удобной системой. Тут нет ничего сложного. Вся система основана на умножении и делении на 10 и на 10 в различной степени (100, 1000, 10 000 и так далее).

Степень числа – математическая функция, основанная на повторяющемся умножении числа на множитель, равный этому числу. Количество повторений обозначается маленькой цифрой (показатель степени) за цифрой обычного размера (основание). Например:

31 = тройка сама по себе = 3

32 = две тройки, помноженные друг на друга = 3 ? 3 = 9

23 = три двойки, перемноженные между собой = 2 ? 2 ? 2 = 8

103 = три десятки, перемноженные между собой = 10 ? 10 ? 10 = 1000

И дело не в том, что они мало с этим сталкиваются. Благодаря совместным усилиям индустрии и законодателей в последние пятьдесят лет метрическая мера представлена повсюду: на банках с содовой, весах, спидометрах – везде, кроме голов американцев. И население по-прежнему свято и необъяснимо противится этой системе.

Возможно, это способ всей нации показать солидарность странам, которые тоже сопротивляются переходу на метрическую систему (в частности, Либерия и Мьянма). Или это общественное презрение неанглийского происхождения системы, или присутствие в ней иностранных языков, в основном в приставках, обозначающих умножение и деление на 10 в n-й степени.

Некоторые показатели в таблице, приведенной ниже, отрицательные. Мы знаем, что 103 означает «три десятки, перемноженные между собой». Но что же значит 10–3? Трудно представить, как можно перемножить три отрицательные десятки. И что делать, если показатель степени равен нулю? Что произойдет, если вообще не умножать десятки? Ноль? Неопределенное значение? Отрицательное бесконечное множество? Целый месяц одних воскресений??[22]22
  Раз мы об этом заговорили, разве ноль, помноженный на ноль, не должен обозначать число, больше 0 (0 ? 0 > 0)? Разве вам не кажется, что отсутствие ничего должно быть чем-то?


[Закрыть]

Давным-давно математики договорились расширить концепцию степени, чтобы включить показатели степени меньше единицы. Оказывается, любое число в нулевой степени (кроме нуля) равняется единице. Может показаться, что это абсолютно необоснованно, но это не так. Это продолжение математической закономерности. Раз 102 – это одна десятая от 103 (то есть 100 = 1000 ? 10) и 101 – одна десятая от 102, то 100 тогда будет одной десятой от 101, другими словами – 1.

Продолжим закономерность: 10–1 должно быть одной десятой от 100 (или 1/10), 10–2 должно быть 1/100, и все отрицательные числа вроде должны обозначать доли меньше 1. (Вы, возможно, заметили, что отрицательный показатель – это то же самое, что единица, разделенная на число в идентичной положительной степени, например: 10–2 = 1 ? 102 = 1/100. Кажется странным, но это можно доказать.)

Обратите внимание, что все приставки, заканчивающиеся на –а, обозначают положительные степени, а все приставки на –и и на –о (кроме гекто– и кило-) обозначают отрицательные. Как будто –и и –о используются вместо окончания –онная (например, микро– = одна миллионная). Но ни одна приставка не имеет настоящего значения, если она не прикреплена к единице измерения, и в этом плюс всей системы. Будучи одним из наиболее радикальных аспектов постреволюционной Франции (после самой пост-революционной Франции), метрическая система была составлена просто и элегантно: просто, потому что она использует одну единицу для каждой величины (больше вам никакой путаницы в дюймах/футах/ярдах/милях); и элегантной, потому что все величины, которые вроде бы никак не связаны (что может длина иметь общего с массой?), определены по отношению друг к другу. Например, кубический сантиметр – это объем куба: сантиметр ? на сантиметр ? на сантиметр (это где-то половина объема вашего мизинца на ноге). При определенных условиях конкретное количество воды поместится в кубический сантиметр, и масса этой воды (где-то массой с бумажную скрепку) была определена как один грамм. А литр был определен как объем, составленный из тысячи таких вот граммов воды, поэтому кубический сантиметр называется миллилитром.


Приставки метрической системы

(Нет необходимости запоминать или даже понимать всю эту таблицу. Только ученым и инженерам приходится смотреть на строчки ниже шестой.)



*Pico также может означать «птичий клюв, укол птичьего клюва».

Приставки и величины свободно комбинируются друг с другом. Из названий понятно, что сантиметр – это 1/100 метра, а сантилитр – это 1/100 литра, равно как и один французский сантим – это 1/100 франка. Раз метр немного больше трех футов, а литр немножко больше кварты, сантиметр должен быть немного больше 3/100 фута (где-то треть дюйма), а сантилитр должен быть немного больше 1/100 кварты (где-то около двух чайных ложек).

В ссылке «Гриффинов» на «Теорию Большого взрыва» «Шелдон» хвастается: «Чтоб вы знали, я могу отжать около 690 миллиардов нанограммов»?[23]23
  «Деловой парень» (сезон 8, эпизод 9).


[Закрыть]
. Впечатляет, пока вы не превратите 690 миллиардов нанограммов (690 ? 109 ? 10–9 граммов) в 690 граммов, что в свою очередь является полуторами фунтов (в одном фунте около 454 граммов).

Эти приставки появляются в самых разных контекстах. Громкость измеряется в децибелах, что есть десятая доля бела (менее известная, но от этого не менее настоящая единица)?[24]24
  Бел получил свое название в честь Александра Грейама Белла и специально пишется с одной Л, чтобы не путаться (а вы что, запутались?).


[Закрыть]
. Ваш электрический счетчик дома измеряет киловаттами, что составляет 1000 ватт в час или 1000 раз количество энергии, необходимой для того, чтобы заставить гореть одноваттовую лампочку в течение часа.

Вначале метрическая система предполагала включить приставки только для первых трех степеней десятки, используя вариации слов древних греков и римлян, обозначающих десятки, сотни и тысячи. Но поскольку древним грекам и римлянам редко приходилось считать дальше нескольких сотен тысяч, даже когда они пересчитывали всех своих древних греков и римлян (мир тогда был намного меньше), они все равно не оставили нам никаких подходящих корней для бо?льших степеней десяти. И это плохо, потому что после Второй мировой войны многие правительства сообразили, что наука и коммерция нуждаются в стандартизированных приставках, обозначающих миллионные, миллиардные и триллионные доли.

При количествах более тысячи гораздо удобнее думать не в десятках в n-й степени, а в тысячах. Отсюда и употребление запятых (или в некоторых странах точек и пробелов), чтобы разбить большие числа на трехзначные группы. Наше слово «миллион» – это искусственная конструкция, которую можно примерно перевести как «большая тысяча», тогда как «миллиард» должен означать «дважды большая тысяча», то есть «большая пребольшая».


Тысячи в n-й степени легко перевести в десятки, нужно только умножить показатель степени на три:

10001 = 103 = 1000

10002 = 106 = 1 000 000

10003 = 109 = 1 000 000 000

и т. д.

Трудно только решить, как же их называть.



В слове «Гектар» нет сотни букв Р

Некоторые слова звучат так, будто они обозначают метрические единицы, но это не так: пентаметр (строка в стихотворении длиной в пять дактилических стоп); пиктограмма (визуальное представление чего-либо); нанотруба (труба, измеряемая в нанометрах); Миллисент (женское имя). Если «микрометр» обозначает миллионную долю метра, то он часто называется микроном. А еще это слово обозначает прибор для измерения маленьких расстояний (которые все же побольше микрона). Не все возможные сочетания приставок и суффиксов бывают на слуху. Длина побережья Гавайских островов – приблизительно мегаметр, а три гигасекунды – это где-то около столетия. Но вы редко услышите использование этих слов.

И очень жаль, потому что подобные комбинации дают нам очень выразительный способ описания временно?й линии, проходящей во входных титрах «Теории Большого взрыва». В самом начале надпись «1 миллиард лет до нашей эры» указывает момент, от которого шкала уменьшается в десять раз, от «гигалет» до «мегавеков». Каждая отметка слева равна всему оставшемуся периоду до начала нашей эры.

Такой же прыжок в десять раз происходит со следующими тремя отметками, где «дегадекады» сменяются «мегагодами», а они в свою очередь превращаются в «киловека». От 100 000 лет до нашей эры мы уменьшаем в сто раз, перепрыгивая через «килодекады» прямо к «килогодам» (для этого есть общепринятое слово – «миллениум», или тысячелетие). Дальше мы продолжаем считать тысячелетиями до 10 000 года до нашей эры (исключение только в интересной опечатке «91 000 9C»).

Дальше гектогода (века) ведут нас мимо непонятного года «0», а на отметке 1000 год нашей эры шкала падает до «декалет» (декад). После 2000 года каждая отметка равна двум жалким годам или, как было в первых пяти сезонах сериала, всего одному.


Кто хочет быть укороченным миллиардером?

Для названий огромных и крошечных цифр (миллион/миллионный, миллиард/миллиардный, триллион/триллионный и так далее) многие англоговорящие страны используют так называемую укороченную шкалу в отличие от других стран, где используется длинная шкала. Обе системы называют число 1 000 000 (равное 106 или 10002) миллионом, а потом названия начинают отличаться. Число 1 000 000 000 (= 109 = 10003), называющееся миллиардом (или биллионом) в короткой шкале, называется тысячей миллионов в длинной.

Когда пользователи длинной шкалы говорят «биллион», они подразумевают миллион миллионов (1012 = 10004) – то, что пользователи короткой шкалы называют триллионом.

Во многих странах с длинной шкалой используют слово «миллиард» для обозначения тысячи миллионов (109). Но если взять их в количестве миллиона (1015), то они будут называться не биллиард, а тысяча биллионов (миллиардов). Биллиард – это разновидность игры, при которой вы выкладываете некое количество шаров и денег на стол и смотрите, что исчезает быстрее.

В каждой шкале есть свои плюсы и минусы, и мы не будем выбирать, на чьей мы стороне. Мы просто воспользуемся короткой шкалой, поскольку именно с ее помощью мой издатель рассчитывает мои роялти.


Чтобы создать Международную систему единиц, принятую в 1960 году, ученые пролистали свои словари и придумали набор приставок на основе легко визуализированных слов: пяти греческих и одного испанского. (Подумать только, испанского! Неужели в греческом не нашлось слова, обозначающего «укол иголкой»?) Через четыре года понадобилось увеличить тысячу еще на две степени и придумать дополнительные суффиксы, чтобы увеличить числа до миллиарда миллиардов (и уменьшить до миллиарда миллиардной доли). В этот раз словотворцы отошли от визуализации и вернулись к числам: два из греческого и два из датского. (Представляете, из датского! Быстро же они забыли об испанском!) Ну да, из датского. А почему бы и нет? Хоть Дания и небольшая страна, но ее вклад в науку неизмерим. В любом случае язык, который может подарить миру такую замечательную скороговорку, как r?dgr?d med ??de, которую может произнести любой датский ребенок (и только датский), заслуживает место на языках ученых и инженеров всего мира.

Приставки пета– и экса– были созданы путем потери одной из согласных в числительных, обозначающих соответствующие показатели степеней 1000: n из слова penta («пять») и h из слова hexa («шесть»). Это стало международной игрой в слова после того, как кто-то обратил внимание на совпадение: приставка tera– («чудовище»), обозначающая 10004, все равно что tetra («четыре») без одной согласной.

R?dgr?d med ??de – каша с фруктами («овсянка со сливками», на вкус лучше, чем на слух). Попросите датчанина это произнести и восхититесь. Потом повторите за ним что-то типа «Йод мёд об лёд» с высунутым языком.

Последними в список приставок пришли производные из той же греческой системы исчисления, эдакие ребусы с выбрасыванием согласной и добавлением еще одной приставки из одной буквы. И как же выбирались эти приставки-на-приставке?

Естественно, начав с конца английского алфавита (теперь и английский! как будто он этого заслуживает!) и продвигаясь к началу. Так что если вы в состоянии продекламировать английский алфавит в обратном порядке и при этом считать по-гречески и датски, у вас не должно быть проблем с числами от 10–24 до 1024.



Присутствие Прото-Хофстедтера

Уже прошло много времени с тех пор, как определили диаметр атомного ядра – несколько миллионных долей миллионной доли миллиметра, но до сих пор никто не позаботился дать официальное название такому маленькому расстоянию. Вот Роберт Хофстедтер (эпоним фамилии Леонарда) взял на себя такую задачу в 1956 году. Он выдумал термин «ферми» (в честь физика Энрико Ферми) и определил расстояние в 10–15 метра. Ферми, уже почивший к тому моменту, в свое время проделал громадную работу с ядерными реакциями, и элемент номер 100 как раз был назван в его честь (фермий, символ Fm).


С введением в использование приставки фемто– в 1964 году расстояние, которое раньше называлось «ферми», получило название «фемтометр», и его краткое обозначение по счастливой случайности стало fm.

На этом сказочке конец. Нет больше никаких официальных приставок, обозначающих 10–27 (= 1000–9) и 1027 (= 10009). Но это просто вопрос времени. Экономистам, может, такие экстремальные числа (пока) и не понадобятся, а вот ученым – вполне. В конце концов, 1027 кубических ярдов – это где-то половина объема Солнца, а 10–27 фунта – это примерный вес одной молекулы водорода на Луне.

К сожалению, следующая на очереди буква английского алфавита – это X со всеми ее произносительными трудностями и вытекающими последствиями. Хуже того, «девять» по-гречески – это ennea. Если мы выбросим единственный согласный в этом слове, то получим только крик осла (со всеми вытекающими последствиями).

Понятное дело, пора забыть о схеме выбрасывания согласного, поэтому и были предложены приставки xenia– и xenio– (они не имеют никакого отношения к греческому слову xenos, которое переводится как «незнакомец», например, в слове «ксенофобия» – боязнь датских детей). Тем не менее присутствуют дополнительные кандидаты: xenna-/xenno-, xenta-/xento– и даже беспардонные англо-центричные nina-/ninto-.

Как вариант, ответственные лица из Международной системы единиц могли бы принять предложение группы студентов из Калифорнийского университета в Дейвисе. Возвращаясь к описательной теме приставок мега-, гига– и тера-, они решили, что 1027 должно называться с выразительной приставкой хелла-.

Конечно же, пока все эти вопросы решаются, если вы американец (или у вас есть такой знакомый), желающий нести метрическую систему в массы в Штатах, то почему бы вам не перепрограммировать ваш навигатор из милей в километры? (Лучше, конечно, еще и загрузить для этого программу с британским акцентом, которая, согласитесь, имеет более приятное звучание, чем американская.) Можете также выучить ваш рост в сантиметрах, ваш вес в килограммах и рецепт вашего любимого коктейля в миллилитрах. Работаем. Не отстаем. И вы скоро будете разговаривать как нормальный гражданин мира.



Это не сходится – это умножается

Со слов Шелдона, жалующегося Эми, когда он принял квадратные сантиметры за квадратные метры, он ошибся в 10 000 раз. Но в метре всего 100 сантиметров, почему же он не ошибся всего в 100 раз?

Дело в том, что квадратный метр содержит не 100 квадратных сантиметров, а 10 000. Представьте квадратный лист бумаги со стороной в один метр и мысленно его разрежьте на полоски длиной в 1 метр и шириной в один сантиметр. А теперь разрежьте каждую из этих полосок на 100 квадратиков со стороной в один сантиметр. Из вашего бумажного квадратного метра листа получится 10 000 квадратных сантиметриков.

Еще нагляднее этот эффект в трехмерном измерении, и он объясняет, почему наперсток вмещает только крошечное количество от воды, которая может поместиться в стакане.

Представьте, что у вас есть шляпная коробка в форме куба. Что бы вы ни предприняли, чтобы сделать ее короче (или уже, или ниже), заставит ее объем уменьшиться соответствующим образом. Если бы вы смогли сжать эту коробку до одной десятой от ее первоначальной высоты, не меняя ее длину и ширину, превратив ее в подобие коробки для пиццы, вы бы смогли уместить 10 ее копий в ее первоначальный размер (101). Сжатие этой коробки для пиццы до одной десятой от ее ширины превратит ее в упаковку для спагетти, и вы сможете уместить 10 таких коробок в коробку для пиццы или 100 в шляпную коробку (102). Ну можно еще сжать и коробку для спагетти до одной десятой ее длины. У вас получится маленькая шляпная коробка кубической формы, как и ее оригинал, только размером в десять раз меньше во всех измерениях: в десять раз ниже, в десять раз уже и в десять раз короче. И в оригинальную опостылевшую коробку можно напихать не десять, а уже тысячу таких вот копий (103).


эврика! @ caltech.edu

Теперь о маленьких размерах

В преддверьи 60-х физик Ричард Фейнман сделал доклад в Калтехе под названием «Внизу очень много места». В нем содержался вызов для физиков и инженеров, который стал очень популярным.

Фейнман размышлял об огромных неизведанных возможностях оборудования для работы на субмикроскопическом уровне – в наше время это называется нанотехнологиями. Под словом «внизу» в названии лекции подразумевались расстояния с большими негативными показателями степени (крошечные расстояния): меньше миллиметра, меньше микрометра, меньше нанометра к самым фемтометрам – размеру атомов.

Что же касается «очень много места», то это не преувеличение. Принцип, о котором говорил Фейнман, утверждал, что самые маленькие вещи, которые мы можем создать, могут быть предназначены для производства предметов еще меньше. Он представлял тот день, когда мини-аппараты будут создаваться из отдельных молекул, атом за атомом, самыми крошечными роботами в мире на самой крошечной фабрике в мире.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24