стивен хокинг краткая история времени на английском языке
О чем писал Стивен Хокинг. Кратчайшая история времени часть 1-2.
Всем привет, эта серия роликов будет посвящена книгам Стивена Хокинга. В частности его книге «Кратчайшая история времени». Если вам лень читать книгу целиком, но всё же интересно узнать о чём она, то этот пост как раз для вас, а если вам и читать лень, то просто посмотрите ролик)))
Глава первая и вторая. Развитие картины мира.
Ни для кого не секрет что современная наука считает землю почти что шаром, который, вместе с луной вращается вокруг солнца. Но многие до сих пор свято верят, что земля это диск. Давайте попробует отбросить всё что мы знаем о земле и представить себя на месте древних греков. Именно они первыми смекнули, что земля имеет сферическую форму. Ещё Аристотель заметил что тень от земли во время лунного затмения всегда круглая, а если бы земля была диском, то при разных углах наклона относительно солнца, она могла бы оставлять на луне не только идеально круглую тень, но и тень в форме эллипса.
Второе доказательство, которое заметили греки, любят тыкать куда угодно, и вы его, конечно, знаете, это корабль плывущий издалека. При плоской земле, мы бы сперва видели махонький кораблик у самого горизонта, который постепенно бы увеличивался. В реальности мы видим мачту поднимающуюся из-за горизонта.
Видимо оттого что грекам по ночам не чем было заняться, они постоянно смотрели на небо и заметили, что не все светила там ведут себя одинаково. Некоторые светила двигались, словно были прибиты к небесному потолку, а некоторые двигались совершенно непонятным образом. Порой даже против движения других – с запада на восток. Эти странные светила греки назвали планетами, что на греческом значит блуждающий.
В своём видении мира греки знали о луне, солнце, пяти планетах и конечно о далёких звёздах. Вкупе это дало 8 сфер. В центре разумеется неподвижная земля. Именно такую модель строения вселенной предложил во втором веке нашей эры другой греческий учёный – Птолемей. Его модель достаточно хорошо предсказывала положение светил на небе. Более того она была принята церковью, потому что оставляла много места за пределами 8-й сферы для рая и ада.
Стоит отметить, что Кеплер свято верил в церковь и идеальность мира. И считал своё дополнение об эллиптических орбитах просто математической уловкой. Ведь сфера – это совершенная траектория, а природа устроена совершенным образом, а не каким-то там эллиптическим. Так же Кеплер не знал, какие именно силы заставляют планеты двигаться вокруг солнца, и предположил некие магнитные силы.
Всё разложил по полочкам сэр Исаак Ньютон в 1687-м году, в наверно самом значительном из когда либо созданных физических трудов – «математические начала натуральной философии». В этой работе Ньютон вводит закон, согласно которому тело остаётся в покое, пока этот покой не нарушит какая либо сила. Вводит понятия гравитации, как силы действующей на планеты, разрабатывает математический аппарат, решает математические уравнения, и уже точно доказывает что планеты на самом деле двигаются по эллиптическим орбитам – в точности с предположением Кеплера.
Ньютон провозгласил, что гравитация действует и на планеты и на яблоки, и впервые за историю человечества траектория планет описывалась теми же законами, что и предметы на земле. Это было начало современной физики и астрономии.
Границы вселенной сразу же разъехались куда то очень далеко. Естественные границы Птолемея в виде 8-й сферы разрушились. Теперь выяснилось что далёкие светила, скорее всего такие же звёзды как и наше солнце, только где то очень далеко. И выяснилось что и наше солнце, и наша земля, это не центр вселенной, а скорее всего рядовые объекты, коих бесчисленное множество.
Спасибо, очень познавательно, маякни по братски как будет продолжение 🤝
Мне кажется эту книгу стоит в школьную программу записать. Потому что именно она пробудила во мне интерес. Написано просто и чертовски познавательно!
@Stern137 Можно поинтересоваться, почему ты отклонил пост?
Если у Хокинга все это и впрямь написано, то он, мягко говоря, сильно упростил историю.
> Затем про Птолемея как то забыли
Так «забыли», что его модель была основной. Идея плоской Земли к тому моменту уже лет тыщу как считалась устаревшей.
> и даже Колумб считал, что земля плоская
. что Земля имеет форму груши.
> Но в 1514 году Коперник вновь заговорил о круглой земле. Над ним посмеялись и забыли.
Его работы были малоизвестны и медленно завоевывали влияние, только и всего.
Бесплатные книги от vsenauka ru
Самое ценное должно быть бесплатным! В 2020 году с помощью экспертов Всенауки мы отобрали для Дигитеки более 1000 научно-популярных книг по самым важным темам, а потом договорились с издательствами и сделали более 40 умных книг бесплатными для всех.
Это стало возможным благодаря широкой народной поддержке. На краудфандинге мы собрали для выкупа книг более миллиона рублей. Кроме того, финансовую помощь проекту оказал негосударственный институт развития «Иннопрактика».
Вы можете совершенно легально скачать десятки книг прямо здесь как по одной, так и архивом. Запаситесь впрок умными книгами.
Миссия программы «Всенаука» — создать систему надежных ориентиров в море научно-популярной и образовательной информации. Мы выявляем самые важные темы и поддерживаем распространение лучшего контента по этим темам.
Внимание! Работает http://wikireality.ru/wiki/Хабраэффект Не наваливайтесь толпой, книг хватит на всех.
Свою благодарность лучше выражайте непосредственно проекту Всенаука
Почему замедляется время вблизи массивных планет?
Всем привет, это шестая часть обзора книги Стивена Хокинга «Кратчайшая история времени».
И сегодня мы будем пытаться понять, что же такое общая теория относительности и почему вблизи планет стрелки часов замедляются. Если тыкнуть на хокинга повыше, ещё и мультик покажут.
Общая теория относительности основана на революционном предположении что гравитация – это не обычная сила, а лишь следствие того что пространство-время не является плоским. В этой теории пространство-время искривляется любым помещённым в него предметом имеющим массу или энергию. И тела помещённые в такое пространство следуют не по круговым орбитам. Они следуют по особым линиям, которые называются геодезические. Это аналог прямых в искривлённых пространствах. Не пытайтесь сейчас это представить. Ибо мы вообразить такое не можем, наш разум ограничен тремя измерениями.
Мы можем лишь провести аналогию с двумерным искривлённым пространством. Обычная плоскость – это пример двумерного пространства. А поверхность земли – это двумерное искривлённое пространство. Примером геодезической линии на поверхности земли – является, например, экватор. Вообще в искривлённых пространствах, геодезическая линия – это такая линия, которая определяется как кратчайшее (или наоборот самое длинное) расстояние между двумя точками. Допустим, вы решили отправиться из Москвы в Магадан. Вы можете двинуться по компасу почти строго на восток и пройти расстояние примерно 6088 км, либо двинуться по искривлённому пути и пройти всего 5921 км. На плоской карте, как вы можете видеть, геодезическая линия практически соответствует полуокружности. Т.е. если представлять поверхность земли как плоскость, то нужно двигаться по сектору, но если посмотреть на этот же путь со сторону третьего измерения, то полуокружность превращается в линию.
В общей теории относительности тела всегда следуют по геодезическим линиям в четырехмерном пространстве-времени. В отсутствие материи эти прямые линии в четырехмерном пространстве-времени соответствуют прямым линиям в трехмерном пространстве. В присутствии материи четырехмерное пространство-время искажается, вызывая искривление траекторий тел в трехмерном пространстве.
Нечто подобное можно представить, если вообразить траекторию движения спутника пролетающего мимо планеты по прямой. Несмотря на то, что спутник двигается прямо, его проекция на поверхности планеты, будет двигаться по искривлённой траектории, напоминающей окружность.
Расхождения общей теории относительности с законами Ньютона хоть и очень малы, но всё же есть. Особенно они заметны для планет ближе всего расположенных к солнцу. В частности для меркурия. Практическое подтверждение этих расхождений, было одним из первых доказательств общей теории относительности, для Меркурия расхождения были замечены ещё в 1915 году.
Второе волшебное свойство, вытекающее из общей теории относительности – это отклонение траектории света от прямой линии, под действием гравитации. Лучи света, тоже вынуждены двигаться по геодезическим линиям.
Ну и самое невероятное предположение – замедление течения времени около массивных тел, например нашей планеты. Вспомним что Эйнштейн в 1905 году выдвинул постулат что все законы физики протекают одинаково, для всех свободно-движущихся наблюдателей. Грубо говоря, принцип эквивалентности, общей теории распространяет это правило и на тех наблюдателей, которые движутся не свободно, а под действием гравитационного поля. В рамках нашего ролика, отбросив сложности, можно сказать так: в достаточно малых областях пространства невозможно судить о том, пребываете ли вы в состоянии покоя в гравитационном поле или движетесь с постоянным ускорением в пустом пространстве.
Что это означает простыми словами. Представьте, что вы находитесь в лифте посреди пустоты. Лифт неподвижный, нет ни верха ни низа. Он просто висит в пустоте. И вот он начинает двигаться с постоянным ускорением. Вы ощущаете вес, одна из стенок лифта превращается в пол. И если вы уроните яблоко – оно упадёт на пол ровно так же, как если бы вы находились на земле. Эйнштейн понял, что, подобно тому как, находясь в вагоне поезда, вы не можете сказать, стоит он или равномерно движется, так и, пребывая внутри лифта, вы не в состоянии определить, перемещается ли он с постоянным ускорением или находится в однородном гравитационном поле. Результатом этого понимания и стал принцип эквивалентности.
Теперь мы готовы перейти к другому мысленному опыту. Представьте что мы находимся на борту огромной, летящей в космосе, ракеты. Для простоты вообразим, что ракета настолько большая, что свету требуется целая секунда, чтобы пересечь её сверху донизу. Ну и в ракете у нас будут два наблюдателя. Один в носу ракеты, другой в самом низу, у двигателей. У обоих наблюдателей есть совершенно одинаковые часы, ведущие отсчёт секунд.
Верхний наблюдатель, дождавшись тиканья часов часов, даёт сигнал нижнему наблюдателю, а спустя ровно секунду, ещё один. Нижний наблюдатель зарегистрирует эти сигналы с таким же интервалов времени, какой был у верхнего – одна секунда.
А теперь предположим, что наша ракета ускоряется. Поскольку корпус ракеты двигается вверх, то свету требуется пройти меньшее расстояние до низа ракеты, и второй наблюдатель получит сигнал раньше чем через секунду. Если бы ракета двигалась с постоянной скоростью, то и второй сигнал прибыл бы ровно настолько же раньше. Так что интервал между двумя сигналами остался бы равным одной секунде. Но в момент отправки второго сигнала благодаря ускорению ракета движется быстрее, чем в момент отправки первого, так что второй сигнал пройдет меньшее расстояние, чем первый, и затратит еще меньше времени. Наблюдатель внизу, сверившись со своими часами, зафиксирует, что интервал между сигналами меньше одной секунды, и не согласится с верхним наблюдателем, который утверждает, что посылал сигналы точно через секунду.
Именно этот принцип и лежит в основе изменения хода часов у разных наблюдателей при ускоренном движении.
В случае с ускоряющейся ракетой этот эффект, вероятно, не должен особенно удивлять. В конце концов, мы только что его объяснили! Но вспомните: принцип эквивалентности говорит, что то же самое имеет место, когда ракета покоится в гравитационном поле. Следовательно, даже если ракета не ускоряется, а, например, стоит на стартовой площадке на поверхности Земли, сигналы, посланные верхним наблюдателем с интервалом в секунду (согласно его часам), будут приходить к нижнему наблюдателю с меньшим интервалом (по его часам). Вот это действительно удивительно!
Подобно тому как специальная теория относительности говорит нам, что время идет по-разному для наблюдателей, движущихся друг относительно друга (об этом можешь почитать в предыдущем посте/посту), общая теория относительности объявляет, что ход времени различен для наблюдателей, находящихся в разных гравитационных полях. Согласно общей теории относительности нижний наблюдатель регистрирует более короткий интервал между сигналами, потому что у поверхности Земли время течет медленнее, поскольку здесь сильнее гравитация. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше этот эффект. Законы движения Ньютона положили конец идее абсолютного положения в пространстве. Теория относительности, как мы видим, поставила крест на абсолютном времени.
До 1915 года, люди воспринимали время как нечто абсолютное и не изменяемое, но Эйнштейн перевернул всё с ног на голову. Время стало вдруг динамической переменной, которое может меняться в зависимости от наших действий. Пространство и время не только влияют на все, что случается во Вселенной, но и сами от всего этого зависят. За сто лет прошедших со времени открытия общей теории относительности человечество радикальным образом пересмотрело свои взгляды на картину мироздания. Как именно ты узнаешь в следующих роликах.
Книга «Краткая история времени», написанная Стивеном Хокингом
Издательство: Амфора, 2010 г.
Твердый переплет, 231 стр.
Книга на Ozon.ru
Посмотрев перевод ролика «Ричард Фейнман: Магниты и вопросы «почему?» вспомнился не менее известный физик Стивен Хокинг и его труды.
А вспомнился он не просто так. Ричард Фейнман в ролике пытается объяснить простую, казалось бы, вещь — почему магниты отталкиваются и притягиваются друг к другу. И бОльшую часть ролика объясняет, что без специальных знаний некоторые вещи понять невозможно, и чем сильнее мы упрощаем модель, тем дальше уходим от истины. Может оно и так, но для меня, знающего только школьный курс физики, стала откровением книга Стивена Хокинга «Краткая история времени», которая объясняет этот и многие другие вопросы. Несмотря на то, что книга весьма популярная, на Хабре нашел всего несколько упоминаний о ней.
Впервые книга была издана в 1988 году. Автор простым и понятным языком, не используя формул (кроме E=mc 2 ), рассказывает нам о природе Вселенной, пространстве и времени, черных дырах и актуальных научных теориях их объясняющих.
Логически, книгу можно разделить на 3 части:
1. То, что было до теорий относительности Эйнштейна;
2. Общая теория относительности (крупномасштабная структура Вселенной);
3. Квантовая механика (явления в крайне малых масштабах, как одна миллионная одной миллионной сантиметра).
Читая, оказываешься на передовом крае науки и понимаешь проблемы, которые стоят перед исследователями. Сам Стивен Хокинг ищет «квантовую теорию гравитации», которая объединяла бы общую теорию относительности и квантовую механику.
Вот как объясняет Стивен Хокинг формулу известную со школы E=mc 2 (где Е — энергия, m масса, а с — скорость света):
«На самом деле скорость объекта никогда не может достичь скорости света, так как тогда его масса стала бы бесконечно большой, а поскольку масса эквивалентна энергии, для достижения такой скорости потребовалась бы бесконечно большая энергия… Только свет и другие волны, не обладающие «собственной» массой, могут двигаться со скоростью света».
Еще несколько цитат:
«Эйнштейн высказал предположение революционного характера: гравитация — это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как считалось раньше; оно искривлено распределенными в нем массой и энергией. Такие тела, как Земля, вовсе не принуждаются двигаться по искривленным орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривленном пространстве более всего соответствуют прямым в обычном пространстве и называются геодезическими… Согласно общей теории относительности, тела всегда перемещаются по прямым в четырехмерном пространстве-времени, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям… Масса Солнца так искривляет пространство-время, что, хотя Земля движется по прямой в четырехмерном пространстве, мы видим, что в нашем трехмерном пространстве она движется по круговой орбите».
«Вблизи массивного тела типа Земли время должно течь медленнее… Наблюдателю, расположенному на большой высоте, должно казаться, что внизу все происходит медленнее. Это предсказание было проверено в 1962 г. с помощью двух очень точных часов, расположенных: одни на самом верху водонапорной башни, а вторые — у ее подножья. Оказалось, что нижние часы, которые были ближе к Земле, в точном соответствии с общей теорией относительности шли медленнее».
P.S. ИМХО книгу стоит прочесть для получения базовых знаний. Если что-то заинтересует, можно углубляться в работы названных в книге ученых. Возможно, если бы эту книгу я прочитал в школе, то совсем по-другому относился к физике.
P.P.S. В 2005 году вышла «Кратчайшая история времени», где учтены открытия последних лет. Сам не читал, поэтому рекомендовать не могу. Кто читал — напишите в комментариях, как оно.
Update 24.04.2010. Спасибо за карму, перенес в «Читальный зал».
Стивен Хокинг «Краткая история времени»
Стивен Хокинг является величайшим умом современности. Кроме непосредственной научной работы в сфере теоретической физики, учёный также занимается популяризацией научных знаний среди обычных людей по всей планете.
Книга «Краткая история времени» является как раз одной из таких научно-популярных изданий, которое доступным языком рассказывает о различных сложных, но, в то же время, интересных вопросах космологии, физики и математики.
О книге
Ещё в начале 1980 годов у Хокинга зародилась идея написания популярной книги, которая бы объясняла обычному человеку современные физические и космологические теории. С этой целью учёный обратился к Саймону Миттону, который был редактором книг по астрономии в издательстве Кембриджского университета.
Сам Хокинг написал в предисловии к изданию о том, что понимает, что каждое уравнение, упомянутое им в книге, уменьшает количество её читателей вдвое. Поэтому учёный решил оставить всего одну формулу: E = mc². Кроме этого, Хокинг поместил в книгу приложения в виде сложных диаграмм, моделей и прочих иллюстраций, помогающих лучше понять предмет, о котором рассказывает исследователь.
Первое издание книги, вышедшее в 1988 году, имело предисловие, написанное хорошим другом Стивена Хокинга и ещё одним из величайших умов современности Карлом Саганом. Далее книга издавалась ещё два раза, при этом в неё добавлялись новые иллюстрации.
В 2000-х годах Хокинг вместе с физиком Леонардом Млодиновым значительно переработал первое издание в соответствии с самыми последними достижениями в сфере теоретической физики. Новая книга, получившая название «Кратчайшая история времени» увидела свет в 2005 году.
Основные вопросы книги «Краткая история времени»:
Значение книги
Данное произведение можно назвать единственным в своём роде, которое смогло обобщить и логично совместить многие современные физические и космологические теории. Она помогает развить в современном человеке научное мировоззрение, благодаря чему каждый может понять, что в нашей Вселенной возможно, а что является лишь вымыслом псевдоучёных.
Естественно, что это издание не только не даёт ответов на все фундаментальные вопросы нашего бытия, но даже и не ставит перед собой такой цели. Автор только пытается объяснить процессы, происходящие в нашей Вселенной, используя последние достижения теоретических наук.
Данное издание даёт возможность обычному человеку, обывателю, приобщиться к миру современной науки, хотя бы в общих чертах понять то, что на протяжении годов изучают студенты-физики и постичь суть физических и космологических теорий, которые учёные доказывают на протяжении целой жизни.
Ну и наконец, благодаря Хокингу мы понимаем, насколько неполны, а порой и ошибочны наши знания о Вселенной. Но при этом он показывает, что человеческий разум при желании может постичь любые, даже самые сокровенные тайны мироздания.
Читайте в нашей полезной виртуальной библиотеке самую увлекательную и познавательную научно-популярную литературу о космосе и Вселенной.
Кратчайшая история времени
Перейти к аудиокниге
Посоветуйте книгу друзьям! Друзьям – скидка 10%, вам – рубли
A Briefer History of Time
© Stephen Hawking and Leonard Mlodinow, 2005
© ООО «Издательство АСТ», 2017 (перевод на русский язык)
Предисловие
Название этой книги отличается от названия первой, вышедшей в 1988 году, всего лишь одним словом. «Краткая история времени» оставалась в списке бестселлеров лондонской газеты The Sunday Times на протяжении 237 недель – было продано примерно по одному экземпляру на 750 жителей Земли, мужчин, женщин и детей. Это невероятный успех для книги, посвященной одному из самых трудных аспектов современной физики. Но ведь самое трудное – всегда самое интересное, поскольку речь идет о важных, фундаментальных вопросах: что нам, в сущности, известно о Вселенной? откуда мы это знаем? как возникла Вселенная и какая судьба ожидает ее? В этих вопросах суть «Краткой истории времени», и они же остаются в центре внимания этой книги. За годы, прошедшие с появления на полках «Краткой истории», я получил множество писем со всего мира от читателей всех возрастов и профессий. Одна из наиболее частых просьб – написать новую «Краткую историю», сохранив суть прежней, но изложив основные идеи более ясно и неторопливо. Конечно, можно было назвать эту книгу «Чуть менее краткая история времени», но, как я понял, едва ли кто-то захочет получить внушительных размеров том, походящий на университетский курс космологии.
Итак, несколько слов о характере этой книги. При написании «Кратчайшей истории времени» мы придерживались логики первого издания, но расширили его, держа в уме, что новая книга должна легко читаться и быть не слишком длинной. История получилась действительно сокращенной, поскольку я исключил некоторые чересчур сложные, технические моменты, но это удалось с лихвой компенсировать углубленным подходом к материалу, лежащему в основе книги.
Мы также воспользовались возможностью дополнить издание, включив новые наблюдательные и теоретические данные. В «Кратчайшей истории времени» описываются недавние достижения физиков-теоретиков, бьющихся над единой теорией всех физических сил. В частности, мы говорим о прогрессе теории струн, а также дуализме, или о взаимных соответствиях между на первый взгляд совершенно разными физическими теориями, которые можно рассматривать как свидетельство существования единой теории – фундамента всей физической науки. В книге также представлены важные новые наблюдения, сделанные спутником COBE (англ. Cosmic Background Explorer – «Исследователь реликтового излучения») и космическим телескопом «Хаббл».
Лет сорок тому назад Ричард Фейнман сказал: «Нам очень повезло жить в тот век, когда мы все еще делаем открытия. Это подобно открытию Америки – его совершаешь лишь однажды. Время, в которое мы живем, – эпоха открытий фундаментальных законов природы». Сегодня мы как никогда близко подошли к пониманию природы Вселенной, и на этих страницах мы хотим разделить с читателем восторг от знакомства с этими открытиями и новой картиной мира, которую они формируют на наших глазах.
Глава 1. Размышления о Вселенной
Мы живем в странной и удивительной Вселенной. Нужно недюжинное воображение, чтобы понять и оценить ее возраст, размеры, бурный нрав и красоту. И кажется, что мы занимаем совсем незначительное место в этом огромном космосе, и нам хочется понять его и осознать свою роль во Вселенной. Несколько десятилетий назад известный ученый (говорят, это был Бертран Рассел), читая публичную лекцию об астрономии, рассказывал, как Земля движется по орбите вокруг Солнца и как Солнце в свою очередь движется по орбите вокруг центра огромного сборища звезд под названием Галактика. Когда лекция закончилась, маленькая пожилая женщина в самом конце аудитории сказала: «Все, что тут говорили, – полная ерунда. Мир – это плоская тарелка на спине гигантской черепахи». Ученый снисходительно улыбнулся и спросил: «А на чем же стоит черепаха?» «Ну вы же очень умный молодой человек, – сказала пожилая женщина, – черепаха стоит на другой черепахе, та – на следующей, и так до конца!»
В наше время большинство сочтут картину Вселенной в виде бесконечной башни из черепах нелепой. А откуда мы знаем, что наше представление о мире лучше? Давайте на минутку забудем все, что мы знаем или думаем, что знаем о космосе, и просто взглянем на ночное небо. Ну что сказать об этих светящихся точках? Может, это маленькие огоньки? Нам на самом деле трудно представить себе их истинную сущность, потому что это далеко за пределами нашего повседневного опыта. Если вы любите смотреть на звездное небо, то, возможно, обратили внимание на расплывчатую светлую точку вблизи горизонта во время сумерек. Это планета Меркурий, но она совсем не похожа на нашу Землю. Сутки там длятся две трети местного года. Температура освещенной Солнцем части поверхности планеты достигает 400°С и выше, а на ночной, не освещенной стороне, падает до –200°С. Но несмотря на все его отличие от нашей собственной планеты, еще меньше общего у Меркурия с типичной звездой, представляющей собой исполинскую печь, где каждую секунду сгорают миллиарды килограмм вещества, а температура в ядре достигает десятков миллионов градусов.
А еще очень трудно вообразить, насколько далеки от нас планеты и звезды. В Древнем Китае строили каменные башни в надежде рассмотреть звезды поближе. Представлять себе звезды и планеты расположенными гораздо ближе, чем они находятся на самом деле, вполне естественно – в конце концов, в обычной жизни нам не приходится сталкиваться с колоссальными космическими расстояниями. Они столь велики, что нет смысла пытаться их измерить в метрах и сантиметрах, как в случае большинства расстояний и длин в нашей повседневной жизни. Космические расстояния принято измерять в световых годах. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за один год. За одну секунду луч света проходит около 300 000 километров. Так что световой год – это очень большое расстояние. Ближайшая к нам после Солнца звезда – Проксима Центавра (она также известна под названием Альфа Центавра C) – находится на расстоянии около 4 световых лет. Это так далеко, что самому быстрому из реально проектируемых космических кораблей потребуется не менее 10 000 лет, чтобы преодолеть разделяющее нас пространство.
Люди в древности очень старались понять устройство Вселенной, но у них еще не было современной математики и вообще современной науки. Сейчас в нашем распоряжении очень мощные мыслительные инструменты, такие как математика и научный метод, а также технические средства вроде компьютеров и телескопов. Благодаря этому нам удалось многое узнать о космосе. Но что же на самом деле нам известно о Вселенной и откуда мы все это знаем? Как возникла Вселенная? Что ждет ее в будущем? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что было до него? Какова природа времени? Закончится ли оно когда-нибудь? Можно ли двигаться по времени вспять? Ответы на некоторые из этих давних вопросов удается получить благодаря последним прорывам в физике, которым мы, в частности, обязаны появлению новых технологий. Когда-нибудь мы сочтем эти ответы такими же очевидными, как то, что Земля обращается вокруг Солнца. А может быть такими же нелепыми, как представление о башне из черепах. Только время (чем бы оно ни было) покажет.
Глава 2. Наша картина Вселенной вчера и сегодня
Хотя еще во времена Христофора Колумба многие считали Землю плоской (да и сегодня такие люди встречаются), основы современной астрономии были заложены еще в Древней Греции. Примерно 340 лет до нашей эры греческий философ Аристотель написал трактат «О небе». В нем он изложил множество доказательств того, Земля имеет форму шара, а не плоская как тарелка.
Одно из таких соображений основано на наблюдении лунных затмений. Аристотель понял, что причиной этих затмений является прохождение Земли между Солнцем и Луной. При этом Земля отбрасывает на Луну тень, и мы это видим как затмение. Аристотель обратил внимание, что тень Земли всегда имеет форму круглую форму, что естественно, если Земля имеет форму шара. Но, разумеется, это было бы не так, если бы Земля имела форму плоского диска. В таком случае тень была бы круглой, только если во время затмения Солнце расположено в точности под центром диска. При любом другом расположении тень оказалась бы вытянутой, в форме эллипса (вытянутого круга).
У древних греков были и другие аргументы в пользу шарообразности Земли. Если бы Земля была плоской, то идущий к берегу корабль должен был сначала выглядеть как маленькая едва заметная точка. Потом, по мере приближения корабля, на нем можно было бы различить отдельные детали – паруса и корпус. А на самом деле все совсем не так. Когда корабль возникает на горизонте, то сначала мы видим только его паруса. И только потом появляется корпус. То, что расположенные высоко над корпусом вершины мачт корабля первыми появляются из-за горизонта, свидетельствует о шарообразности формы Земли.
Появление над горизонтом. Земля имеет форму шара. Поэтому, когда корабль приближается к нам, сначала мы видим над горизонтом его мачты и паруса, а уже потом появляется его корпус
Греки не обошли также своим вниманием и звездное небо. Ко времени Аристотеля они уже на протяжении многих сотен лет изучали движения огоньков ночном небе. Они заметили, что хотя тысячи огоньков перемещаются по небосводу как одно целое, пять светил, не считая Луны, движутся не так, как остальные. Они иногда сворачивают с проторенного пути с востока на запад и даже временами даже движутся вспять. Эти светила были названы планетами от греческого слова, означающего «странники». Греки видели только пять планет, потому что только они доступны невооруженному глазу: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Сейчас-то мы знаем, почему планеты движутся по небу столь необычным образом: движение звезд относительно нашей Солнечной системы почти незаметно, а вот планеты обращаются по орбитам вокруг Солнца и поэтому выписывают гораздо более сложные траектории на фоне далеких звезд.
Аристотель считал Землю неподвижной, а также полагал, что Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются по круговым орбитам вокруг Земли. Он так считал исходя из мистических соображений, полагая, что Земля является центром Вселенной и движение по кругу наиболее совершенно. Во II веке нашей эры греческий ученый Птолемей построил на основе этой идеи полную модель неба. Птолемей был страстным исследователем, недаром ему принадлежат слова: «Что я смертен, я знаю, и что дни мои сочтены, но когда я в мыслях неустанно и жадно выслеживаю орбиты созвездий, тогда я больше не касаюсь ногами Земли: за столом Зевса наслаждаюсь амброзией, пищей богов».
В модели мира Птолемея нас окружают восемь вложенных друг в друга вращающихся сфер наподобие матрешки, а в центре всех этих сфер находится Земля. Представления о том, что находилось вне самой большой сферы, были самые туманные, но в любом случае это было за пределами наблюдаемой человеком Вселенной. Таким образом, самая внешняя сфера представляла собой своего рода границу Вселенной. На этой сфере были закреплены звезды, и поэтому при ее вращении взаимные положения звезд оставались неизменными – именно так, как мы это наблюдаем в действительности. На внутренних сферах располагались планеты. В отличие от звезд они не были прикреплены к своим сферам, а каждая планета двигалась относительно своей сферы по малому кругу, называемому эпициклом. Весьма сложные некруговые видимые траектории планет не небе удавалось объяснить сочетанием движения по эпициклу и вращения сферы.
Модель Птолемея. В модели Птолемея Земля находилась в центре Вселенной, окруженная восемью сферами, несущими на себе все известные в то время небесные тела
Модель Птолемея позволяла довольно точно предсказывать положение светил на небе. Но для того, чтобы добиться согласия предсказаний с наблюдениями, Птолемею пришлось предположить, что расстояние от Земли до Луны может меняться в два раза! А это означало, что видимый размер Луны должен иногда быть в два раза больше, чем в другое время! Птолемей сознавал этот недостаток своей системы, что, тем не менее, не помешало (почти) всеобщему признанию его картины мира. Христианская церковь приняла Птолемееву систему, поскольку сочла ее не противоречащей Священному Писанию: за пределами сферы неподвижных звезд оставалось достаточно места для рая и ада.
Но в 1514 году польский священник Николай Коперник предложил другую модель. (Правда, вначале, опасаясь быть обвиненным Церковью в ереси, Коперник распространял свои идеи анонимно.) Революционность идеи Коперника состояла в предположении, что все небесные тела обращаются вокруг Земли. Коперник полагал, что Солнце неподвижно и расположено в центре Солнечной системы, а Земля и планеты движутся вокруг него по круговым орбитам. Модель Коперника оказалась не хуже модели Птолемея, но она все же не совсем точно предсказывала наблюдения. Она была гораздо проще модели Птолемея, поэтому можно было ожидать, что люди примут ее. Однако понадобилось почти столетие, чтобы эту идею восприняли всерьез. Одними из первых в пользу теории Коперника стали публично высказываться двое ученых – немецкий астроном Иоганн Кеплер и итальянский астроном Галилео Галилей.
Хотя предположение об эллиптических орбитах сделало модель Коперника более точной, Кеплер рассматривал это лишь как математический трюк, поскольку его представления об устройстве природы не основывались на наблюдениях. Подобно Аристотелю, Кеплер считал эллипсы менее совершенными фигурами, чем окружности. Сама мысль о том, что планеты могут двигаться по таким несовершенным траекториям, казалась ему слишком безобразной, чтобы быть правдой. К тому же Кеплеру не нравилось, что предположение об эллиптических орбитах не согласовывались с его идеей о магнитных силах как причине движения планет вокруг Солнца. Насчет магнетизма он, конечно, ошибался, но мы должны отдать ему должное за саму мысль о том, что движение планет должно быть вызвано некой силой. Правильное объяснение причины движения планет вокруг Солнца было дано гораздо позже в 1687 году сэром Исааком Ньютоном в трактате «Математические начала натуральной философии» – пожалуй, важнейшей из когда-либо опубликованных работ по физике.
В этом труде Ньютон сформулировал закон, согласно которому тело, находящееся в покое, остается в состоянии покоя, если только на него не действует какая-либо сила, а также описал, как движение тела меняется под действием силы. Так почему же планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам? Согласно Ньютону за это отвечает совершенно определенная сила – та самая, которая заставляет отпущенное (уроненное) тело падать на землю, а не оставаться в состоянии покоя. Он назвал эту силу тяготением и разработал математический аппарат, позволяющий вычислять, каким образом тела реагируют на приложенную к ним силу, например силу тяготения, а также решил соответствующие уравнения. Таким образом, Ньютону удалось показать, что под действием тяготения Солнца Земля и другие планеты должны двигаться по эллиптическим орбитам в точности как предсказал Кеплер! Ньютон предположил, что его законы справедливы для всего, что есть во Вселенной, от падающего яблока до звезд и планет. Движения планет и движения тел на Земле впервые в истории удалось объяснить как следствие одних и тех же законов, и это стало рождением современной физики и современной астрономии.
В отсутствие птолемеевых сфер отпала необходимость и в предположении о наличии у Вселенной некой внешней границы. Более того, поскольку у звезд не обнаруживалось никакого движения, кроме общего суточного движения небосвода, вызванного вращением Земли, то было естественно предположить, что это такие же тела, как наше Солнце, только расположенные гораздо дальше. Таким образом, ученые не только отказались от представления о центральном положении Земли во Вселенной, но также и от идеи об уникальности нашего Солнца да и всей Солнечной системы. Новый взгляд на мир ознаменовал фундаментальные изменения в человеческом мышлении, начало нового современного научного понимания нашей Вселенной.