Дэйв Зобель.

Теория Большого взрыва. Наука в сериале



скачать книгу бесплатно

Как только подходящий рецепт найден, уже несложно замесить пробу для тестирования: нужно просто создать цепочку ДНК с необходимой последовательностью аминокислот, соединить ее с бактерией E. coli и позволить природе позаботиться о создании конвейера по созданию белка. Единственная сложность – это сам дизайн.


Спроси у звезды: Хэролд Розен

Легенду инженерии Хэролда Розена (получившего калтеховскую степень магистра в 1948 году, докторскую – в 1951-м) называют отцом геосинхронного спутника. Пятьдесят лет назад его синкомовские спутники сделали возможным межконтинентальные звонки и телевидение, которые мы теперь воспринимаем как само собой разумеющееся.

За всю свою эклектическую карьеру Розен также изобрел радикально новый автомобильный двигатель, разработал беспилотный летательный аппарат, способный выполнять функцию спутника связи, и первым предложил альтернативный способ добычи природного топлива. Он даже возглавлял команду, разрабатывающую аппарат для посадки на Луну.

Чем не доказательство, что инженеры – это не просто захваленные строители.


Вопрос: Шелдон пренебрежительно называет инженеров «полуквалифицированными трудягами, которые воплощают в жизнь идеи тех, кто способен думать и мечтать» и «лаборантиками». Исходя из вашего опыта, это распространенное мнение среди физиков-теоретиков?

Харолд Розен: Мне кажется, так думает только сам Шелдон. Большинство физиков-теоретиков, с которыми я знаком, – да и себя самого я считаю не только инженером, но и ученым – относятся к инженерной профессии с огромным уважением, особенно к креативным инженерам.

Лично я знаком с инженерами, которые не уступали ученым: такими как Билл Пикеринг, который долгое время был директором Лаборатории реактивного движения; Джон Пирс, который разработал усилитель передатчика, используемого почти на всех космических аппаратах; Роберт Нойс, изобретатель микрочипа; Джо Саттер, создатель «Боинга-747», и Фрэнк Уиттл, изобретатель турбореактивного двигателя.

Космическая программа полагается на инженеров в равной степени, как и на физиков-теоретиков. Вся полупроводниковая промышленность была создана инженерами. Это очень важные достижения, и их идеи возникли не в головах физиков-теоретиков.

6
Гравитация ситуации

ЛЕОНАРД: ЭТО БЫВШИЙ ПЕННИ.

ШЕЛДОН: ЧТО ОН ТУТ ДЕЛАЕТ? ПОМИМО ТОГО, ЧТО НАРУШАЕТ МЕСТНОЕ ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ.

ЛЕОНАРД: АГА. БУДЬ ОН ЧУТЬ БОЛЬШЕ, ВОКРУГ НЕГО ОБРАЗОВЫВАЛИСЬ БЫ СПУТНИКИ.

«ПАРАДИГМА СРЕДИЗЕМЬЯ» (СЕЗОН 1, ЭПИЗОД 6)

Со стороны Шелдона и Леонарда было смелым шагом противостоять Курту, накачанному неандертальцу?[35]35
  И это еще мягко сказано.

Называя Курта Homo habilis (пользующийся орудиями), Леонард отправляет его на два миллиона лет раньше в семейном альбоме эволюции. (Несмотря на утверждение в музыкальной теме сериала, орудия появились гораздо раньше Homo neanderthalensis.)


[Закрыть], поэтически описанному в сценарии пилотного эпизода как «член студенческого братства, превратившийся в биржевого брокера». Он выше любого из них, шире, чем оба они вместе, и весь покрыт мышцами.

Они были правы насчет его гравитационной силы. Мы не будем зацикливаться на том, что такое «местная сила тяжести», мы просто скажем, что она делает: она притягивает. Любая часть любого предмета в комнате (или в любом месте Вселенной) имеет собственное притяжение, которое распространяется в пространство вокруг него через нечто, называемое «полем». (И что такое поле? Давайте назовем его «штукой», которая распространяет влияние других «штук». Звучит не очень, так?) Чем больше масса предмета, тем сильнее притяжение: увеличение вдвое количества материала в том же объеме пространства также удвоит и притяжение. Курт выделяет притяжение, равное одному Курту, и, может быть, его недостаточно, чтобы стянуть что-нибудь со стены или поднять ковер, но его однозначно можно засечь чувствительным детектором. (Он может увеличить свое притяжение, увеличив свою массу, скажем, наполнив свои карманы мелочью. К сожалению, у его костюма нет карманов. Да и самого костюма-то у него мало.)

В этом есть и отрицательная сторона (если можно так сказать). Сила его притяжения резко уменьшается с увеличивающимся расстоянием. Какой бы слабой ни была его сила притяжения, скажем, на расстоянии одной мили, в двух милях она будет иметь только ? своей силы и только 1/9 – в трех. При этом совершенно не важно, какая у него масса и из чего он сделан, будь он суперогромной черной дырой или куском плохонького металла. Это происходит потому, что сила притяжения подчиняется закону обратных квадратов (или 1/r2).



Дружелюбный сосед Человек-Паук с излишней пунктуацией

Средиземье (Middle-earth) – это выдуманное место из романа Дж. Р. Р. Толкина «Хоббит». В оригинале романа оно написано с дефисом, в названии этого эпизода – без.

К ужасу толкинистов-пуритан, никто даже не потрудился объяснить эту самовольную орфографию (или извиниться за нее). Мы только можем предположить, что те же самые люди ответственны за название эпизода «Догадка банки Бэтмена» (сезон 1, эпизод 13). Оно должно было продолжить список: «бэттелефон», «бэтпещера», «бэткомпьютер» – и называться «бэтбанка».

К моменту выхода книги нам так и не удалось связаться с Моби Диком и Винни-Пухом, чтобы послушать их комментарии.


Чтобы визуализировать геометрию, представляющую закон обратных квадратов, вам, может, понадобятся пустая рамка от картины (просто рамка, без основы), яркая лампа или фонарь, темная комната с чистой стеной и линейка или рулетка.


Выберите отметку на линейке: например, 10 дюймов. Назовем это длиной L.


Поставьте рамку параллельно стене на расстоянии L от нее. Поставьте лампу на таком же расстоянии (L) от рамки таким образом, чтобы тень от рамки падала на стену. Вы увидите, что размер тени будет в два раза выше и шире, чем сама рамка, независимо от того, какое расстояние L вы выберете.

А теперь поставьте лампу на место рамки и отодвиньте лампу еще на одно расстояние L от стены (рамка окажется на расстоянии 2 ? L от стены, а лампа – на 3 ? L). Тень станет в три раза выше и шире оригинала.

Теперь снова подвиньте рамку на место лампы (3 ? L) и подвиньте лампу на еще одно расстояние L от стены (4 ? L). Тень будет в четыре раза выше и шире рамки.

Поскольку расстояние между рамкой и лампой всегда равняется L, количество света, проходящего сквозь рамку, остается неизменным. И независимо от того, чему равно расстояние L, высота и ширина тени рамки на стене увеличивается в r раз, на r раз удаления рамки от стены. Другими словами, на расстоянии лампы в r раз от стены постоянный поток света распространяется на площадь в размере r ? r (или r2) рамок. Такое распределение «разбавляет» свет коэффициентом в 1/r2.



На 9975/100%

Когда рамка находится гораздо ближе к стене, чем к лампе, ее тень лишь немногим превышает ее реальный размер. Если бы Солнце было не диском, а яркой точкой, отбрасывающей четкие тени вместо размытых, в полдень тень Международной космической станции (длиной около 100 метров) была бы ненамного больше самой МКС. Даже если бы МКС могла улететь на Луну, она преодолела бы только около 1/400 всей дистанции до Солнца и ее тень, отбрасываемая на Землю, едва бы выросла на 30 сантиметров.


Закон обратных квадратов описывает поведение света, звука, выхлопных газов, облака одеколона Курта и любых других вещей, распространяющихся в двух направлениях по мере их движения к третьему. По тому же принципу работают законы перспективы, зрительно уменьшающие высоту и ширину здания вдвое при его наблюдении с двойного расстояния и представляющие Луну такого же размера, что и Солнце (которое в 400 раз больше, но находится в 400 раз дальше) (см. главу 13).

Зная массу Курта, мы можем оценить его вклад в местную силу притяжения, но тут нам встретятся некоторые трудности. И дело не в его животном магнетизме, точности или в том факте, что гравитация является самой слабой базовой природной силой. (Курт может с легкостью преодолеть силу притяжения. Он может использовать большой магнит, чтобы поднять крышку мусорного ведра или просто превратить химические реакции в его мышцах в движение и прыгнуть, желательно в длину.) Проблема в том, что Курт, как и многие другие объекты этого мира, неоднороден и не обладает идеальной сферической формой. На достаточном расстоянии любой предмет выглядит как безликая точка, и на далеком расстоянии от Курта его сила притяжения практически уменьшается до силы, исходящей от сферы однородной плотности. (И, возможно, до вас только что дошла вроде бы шутка Леонарда о «сферических цыплятах в вакууме»?[36]36
  «Поляризация Купера—Хофстедтера» (сезон 1, эпизод 9).


[Закрыть]
. Смешно… вроде бы.) Но вблизи очевидно, что разные части Курта имеют разную плотность и у него довольно много всяких уплотнений на теле. (Пенни наверняка их все исследовала.) По этой причине его гравитационное поле недостаточно сферически симметрично: у него полно выпуклостей по всему телу.

Эффекты силы притяжения путешествуют вовне не мгновенно, вопреки предположению Ньютона, а со скоростью света: где-то 700 миллионов миль в час. Семь сотен миллионов миль – это примерно расстояние между Землей и Юпитером, когда они находятся на противоположных сторонах от Солнца. Так что если Курт произведет какое-нибудь действие, эффект его силы притяжения долетит и перелетит Юпитер, заставляя пораженных (как бы ему хотелось думать) юпитерцев удивленно приподнять брови (или что там они приподнимают).

Когда он прохаживается по комнате, единственным изменением в его гравитационном поле будет то, что оно будет прохаживаться рядом с ним, при условии, что он двигается с постоянной скоростью (по прямой линии).



Дело не только в r2

Закон обратных квадратов – это свойство жизни в трехмерной Вселенной, но не все, что исходит от какого-нибудь источника, ему подчиняется. Например, поток муравьев, разбегающийся от муравейника, уменьшается в пропорции r, а не r2, потому что муравьи ограничены бежать только в двух плоскостях, а не в трех (они могут бежать влево/вправо или вперед/назад, но они не устремляются вверх или в недра земли). Если бы вы установили крокетные ворота (или маленькие арки) на разных расстояниях на земле, то смогли бы подсчитать, сколько муравьев пробегут через каждые из них за секунду. Предположив, что муравьи будут разбегаться равномерно, ворота на расстоянии 9 метров пропустят 1/2 (а не 1/4) от количества муравьев, пробежавших через ворота на 4,5 метра от муравейника.

Поток, который ограничен движением только в одной плоскости, не уменьшается вовсе. Вода, протекающая через трубу, не может рассеиваться, и не важно, есть r или нет r, – как бы далеко вы ни заглядывали в трубу, вы увидите то же самое количество воды.


Но практически любое изменение в его скорости приведет, по Эйнштейну, к небольшому разрыву в поле, называемому гравитационной волной. И если он совершит некую последовательность изменения, например, пробежится вверх или вниз по ступенькам или вылетит на орбиту (что само по себе неплохо), результатом станет не одна гравитационная волна, а целая их цепочка. Поскольку гравитация – это искажение пространственно-временного соотношения (см. главу 21), а любые колебания в гравитационном поле – это изменение этих искажений, гравитационная волна вызвала бы странный эффект, прокатившись по городу. Предметы стали бы ритмически двигаться вперед-назад, несмотря на то что к ним не было бы применено никакой силы. Этот эффект остался бы незамеченным для нас, но тем не менее он остается волнительным и уничижающим доказательством теории относительности, хоть Шелдон и притворяется своим легким замечанием, что ему до этого нет дела: «И какая польза обычному человеку от прорыва с гравитационными волнами?»?[37]37
  «Разрыв отношений» (сезон 7, эпизод 20).


[Закрыть]
(Что касается силы притяжения, тут Шелдон – настоящий поэт-романтик. Разве мама не зовет его «Шелли?[38]38
  Перси Биши Шелли, поэт-романтик (1792–1822). Прим. пер.


[Закрыть]
»? И разве он не вздыхает: «Ах, гравитация, бессердечная ты сука»??[39]39
  «Гипотеза больших отрубей» (сезон 1, эпизод 2).


[Закрыть]
)

Во многом сила притяжения – это как любое другое притяжение: оно усиливается по мере сокращения расстояния. Например, не важно, как близко находится Пенни по отношению к Курту, он все равно может ее притянуть еще ближе (силой притяжения или другим способом). Но есть ли этому предел? Не окажется ли его притяжение настолько сильным, что ничего, даже свет, не сможет вырваться? И при r = 0, когда она его касается, почему его притяжение бесконечно? Когда два предмета вступают в физический контакт, как они вообще друг от друга отрываются?

Мы, возможно, сможем уклониться от этого вопроса, потому что неизвестно, может ли это когда-нибудь произойти. Когда r становится крошечной, материя становится слишком зернистой, и может оказаться физически невозможным отделить два разных предмета друг от друга нулевым расстоянием. Теория струн предполагает, что если две точки находятся ближе друг к другу, чем определенное минимальное расстояние, то ни один физический процесс не сможет их различить, то есть то, что будет находиться в одной из точек, будет одновременно занимать и другую. (Это как игра в крестики-нолики, где каждый X или O как бы занимает всю клетку, когда на самом деле он физически занимает только часть.) Если это правда, то, пока два предмета находятся на расстоянии, они никогда не смогут приблизиться к друг другу ближе чем на минимальное расстояние.

Наречия и предлоги

Нам гравитация представляется направленной только в одной плоскости: верх – это верх, а низ – это низ. Но это наш узкий земно-поверхностный взгляд. Менее предвзятая терминология вроде «к» и «от» или «внутрь» и «наружу» помогла бы более точно передать всенаправленную природу силы притяжения.

Даже использование буквы r (первая буква в слове radius) вместо d (distance – «расстояние»), которая является более предсказуемой, подчеркивает сферическую симметрию закона 1/r2.

Но на примере двух людей ответ будет более простым: что бы там ни говорила теория струн, они не могут касаться.

Не так уж необычно, когда закон работает на огромных расстояниях, но не относится к маленьким. Модель расползающихся муравьев 1/r не работает у склонов муравейника, где муравьи лезут на голову друг друга и еще не начинают распознаваться равномерно. И относительно атомов, из которых сделаны Пенни и Курт, на близком расстоянии 1/r2 модель силы притяжения теряет свою электромагнитную силу. Как только она приближается к нему, электромагнитное отталкивание их внешних атомов становится сильнее силы притяжения.

Если она продолжит стараться приблизить их атомы, его атомы или отдалятся сами, или оттолкнут ее атомы, поддерживая дистанцию. Это похоже на ощущение, когда два полярных конца магнитов подносят друг к другу: как будто между ними все время находится мягкий невидимый шарик, мешающий это сделать.

Таким образом, она никогда и не касается Курта по-настоящему. То, что она ощущает, это лишь сила его наружных атомов, влияющих на ее атомы, – сила электромагнитного отталкивания. И это его не самый отталкивающий момент.



эврика! @ caltech.edu

LIGO

Гравитационные волны до сих пор описаны только теоретически, и их регистрация до сих пор остается сложной задачей. Они и поначалу-то довольно слабые, так они еще и слабеют с увеличением расстояния, в этот раз не по закону обратных квадратов, а обратно пропорционально – 1/r. Мы разве что сможем засечь эффект огромных изменений скорости колоссальных предметов, например, если две нейтронных звезды вдруг начнут вращаться вокруг друг друга на огромной скорости.

Для этого Калтех и стал со-директором крупнейшего предприятия Национального научного фонда: LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), соучредителем которой стал заслуженный калтеховский профессор Кип Торн (выпускник Калтеха 1962 года). Сердцем LIGO является огромное L-образное сооружение с рукавами длиной более трех километров. Любая проходящая гравитационная волна должна оказать кратковременное субмикроскопическое изменение в относительной длине рукавов.

На самом деле таких конструкций LIGO целых две: одна в Луизиане и одна в штате Вашингтон. Четкое время прибытия волны в каждой из конструкций позволит выявить направление, по которой она идет, и соответственно точку на небесах, где следует искать ее источник.

До сих пор LIGO не зафиксировал ничего такого, что можно было с точностью назвать гравитационной волной. Но этого и следовало ожидать. Все те большие и сильные объекты, способные создать волны, которые можно зарегистрировать, находятся достаточно далеко, и тут с законом 1/r не поспоришь. Но кто знает: вдруг, когда Курт снова вытащит свое огромное эго наружу, в Луизиане и Вашингтоне зазвонят все колокола.


[научная вставка]

µG ? 0G

Время от времени мы слышим от Говарда о его нахождении в невесомости (нулевой гравитации), сначала во время его тренировки в самолете в свободном падении (в народе называемом «рвотной кометой»), а затем на борту Международной космической станции. Но правда в том, что «нулевая гравитация» – это такой же устаревший термин, как и «открытый космос» и «ракета», который присутствует в научной фантастике, но не относится к науке.

Открытый космос – это просто космос. Ракета – это космический аппарат. А Говард никогда бы не смог испытать нулевую гравитацию. Ни одно человеческое существо на это не способно. Для начала, несмотря на то что сила земного притяжения быстро уменьшается с увеличением расстояния, на высоте Международной космической станции она уменьшится только на 15%. На высоте Луны она почти в 4000 раз слабее, чем на Земле, но и этого достаточно, чтобы держать Луну на орбите, как это понял Ньютон (см. главу 13). Если бы МКС или Луна на орбите вдруг остановились, они не повисли бы в пространстве, а камнем полетели бы вниз по направлению к Земле вместе с космонавтами, их флагами, фантиками и остальным добром.

Говард может легко плыть по МКС только потому, что он вместе со станцией находится на орбите вокруг Земли, и потому, что то, что его окружает, падает вокруг планеты с одинаковой скоростью. То же самое происходит с вами на американских горках, когда вы летите вниз. Вы падаете, и ваши внутренности падают вместе с вами. Они до сих пор внутри вас, но вы уже не ощущаете их вес, свисающих с вашего скелета, и поэтому вы чувствуете себя «невесомым».

Каждый кусочек материи, независимо от размера, который вы можете увидеть (и который не можете), вырабатывает силу притяжения, и неважно. Чтобы ощутить отсутствие какой-либо гравитации, вам нужно удалиться на бесконечное расстояние от всех предметов или окружить себя абсолютно сбалансированным распределением материи, чтобы притяжение с одной стороны было идеально сбалансировано с притяжением с противоположной стороны.

Этого никогда не произойдет. Даже на орбите Говарда постоянно тянут со всех сторон малюсенькие поля, и более точным термином для его практически невесомого состояния было бы слово «микрогравитация». Для него и для остальных космонавтов невозможно полностью избежать воздействия силы тяжести.

Ему проще убежать от мамы.

7
Физз-ика

ПЕННИ: ТАК ЧЕМ СЕГОДНЯ ЗАЙМЕМСЯ? ЗАРУБИМ В ХЕЙЛО? ПОСМОТРИМ «ЗВЕЗДНЫЙ КРЕЙСЕР ”ГАЛАКТИКА“»? ПОБРОСАЕМ МЕНТОС В ДИЕТИЧЕСКУЮ КОЛУ?

ЛЕОНАРД: ТЫ ХОЧЕШЬ ПОСМОТРЕТЬ «ЗВЕЗДНЫЙ КРЕЙСЕР»?

ПЕННИ: НУ А ЧТО ПОДЕЛАТЬ. Я СЕГОДНЯ БОТАНЮ ПО ПОЛНОЙ.

«СОСЕДСТВО С МЕРТВОЙ ШЛЮШКОЙ» (СЕЗОН 2, ЭПИЗОД 19)

В «Хейло» можно играть часов десять, а то и больше, «Звездный крейсер ”Галактика“» можно смотреть дней десять, а вот конфетка в бутылке газировки принесет десять тонн радости в секунду. И в отличие от «Хейло» (научно-фантастическая видеоигра) и «Звездного крейсера “Галактика“» (научно-фантастический сериал), диетическая кола и Ментос являются экспериментом из раздела «Сделай сам», имеющим твердые научные корни.


?• Шаг первый: добавьте несколько драже Ментос в только что открытую бутылку диетической колы или любой другой газировки.

• Шаг второй: теперь время приступать к уборке.


В тот же момент, когда Ментос коснется газировки, из бутылки вырвется мощная струя пены. При идеальных условиях извержение может достигнуть более 4,5 метра.

Ментос – название мятных драже, распространяемых компанией Perfetti Van Melle. Наравне со словами «сутки» или «чернила», оно не имеет разных форм для множественного и единственного числа.

Этот феерический эффект вовсе не является результатом химической реакции между драже и газировкой. С химической точки зрения, ничего нового не создается, все компоненты гейзера остаются неизменными. Они просто одновременно освобождаются и прекрасно иллюстрируют изменения физических свойств.

Изменения физических свойств – изменение физической формы вещества, но не его химического состава, то, что происходит, когда тает лед, кофе перемалывается, вода и почва образуют грязь, а углерод кристаллизуется в бриллиант

Химические изменения – изменение химического состава вещества, как, например, происходит при соединении уксуса и пищевой соды с последующим образованием пены, неочищенная нефть превращается в бензин, а бамперы ржавеют.

Углекислый газ (CO2) – это газ, который заставляет газировку пузыриться. В запечатанной бутылке CO2 растворен, плавая в маленьких пузырьках, которые трудно различить невооруженным глазом. Давление не дает им сливаться в более крупные пузырьки. Поэтому-то закрытая бутылка газировки и выглядит как обычная жидкость.

Открыв бутылку, мы сбрасываем давление, позволяя крошечным пузырькам собраться в большие и устремиться к поверхности. Драже Ментос помогает сделать это гораздо быстрее и неаккуратнее. Чем больше драже, тем быстрее поток и тем больше беспорядка. Но почему?

Если вы заглянете в стакан газировки, вы увидите потоки пузырьков, появляющиеся ниоткуда и устремляющиеся вверх. На самом деле они образуются на поверхности практически невидимых царапин и неровностей внутренних стенок стакана. Производители даже специально создают сеть специальных царапин на дне пивных кружек или формируют стеклянную бусину на дне бокала для шампанского, чтобы создать очаги нуклеаризации приятных глазу пузырьков.

Здесь представлен ознакомительный фрагмент книги.
Для бесплатного чтения открыта только часть текста (ограничение правообладателя). Если книга вам понравилась, полный текст можно получить на сайте нашего партнера.

Купить и скачать книгу в rtf, mobi, fb2, epub, txt (всего 14 форматов)



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