Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

Дэйв Голдберг

Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

© 2013 by Dave Goldberg

© Бродоцкая А. перевод на русский язык, 2015

© ООО «Издательство АСТ», 2015

Отзывы на книгу

«Вселенная в зеркале заднего вида»

«Вселенная в зеркале заднего вида» великолепное чтение для каждого, кто стремится понять, почему наша вселенная так сложна и так чудесна Голдберг великолепный спутник, который доведет вас к месту назначения к восхищению красотой мироздания.

Математические симметрии таят в себе ответы на множество вопросов, однако Голдберг на протяжении всей своей остроумной и легкой книги расставляет для читателя вехи, не перегруженные математическими выкладками. Совет: не пропускайте многочисленные сноски, полные юмора для высоколобых!

У Голдберга тонкое чувство юмора и абсурда и он прекрасно умеет объяснять, почему то, что мы воспринимаем как должное, например, равенство гравитационной и инерционной масс, на самом деле очень странно и ни капли не очевидно Эта книга немного похожа на лихие американские горки, построенные через толкиновскую Морию.

Надо же, какой, оказывается, интересной может быть тема симметрии! Физик Дэйв Голдберг увлекает читателя прямо в водоворот масштабных физических концепций, но при этом правит кораблем так ловко, что читатель не рискует утонуть.

Содержательная, не перегруженная математикой и необычайно увлекательная книга о концепции симметрии в физике Книга Голдберга от начала и до конца написана доступно и с юмором Свои объяснения автор щедро приправляет отсылками к популярной культуре от «Доктора Кто» и Льюиса Кэрролла до «Angry Birds» и благодаря прелестной манере изложения делает простыми даже самые сложные темы.

Голдберг рассказывает о десятке самых фундаментальных качеств вселенной с неизменным юмором и при этом тонко, глубоко и понятно.

Эта книга веселое и увлекательное исследование основных физических понятий, в которую, помимо всего прочего, входит рассказ об одной из невоспетых героинь физики, об исполине, на чьих плечах стояли многие физики об Эмми Нётер!

Дэйв Голдберг устраивает настоящий луна-парк из увлекательных курьезов, головоломных парадоксов и тонкого юмора Он великолепно разъясняет читателю, какова роль симметрии в физике, астрономии и математике. Прекрасный рассказ о прекрасной вселенной!

Не оторваться! Эта книга настоящий подарок любому читателю, которому любопытно узнать обо всех диковинах нашей чудесной вселенной. Если бы фундаментальные понятия и законы физики преподавались в школах так понятно и весело, как рассказывает о них Дэйв Голдберг в своей книге, нам гораздо лучше удавалось бы привлекать в науку молодежь.

Эта книга почти так же масштабна по тематике, как и физическая вселенная, о которой она так замечательно повествует. Но главное, пожалуй, то, что Голдберг подробно пишет о недооцененных заслугах Эмми Нётер. Ее теорема, согласно которой каждой симметрии соответствует сохраняющаяся величина, объединяет самые разные области физики, а Голдберг объясняет, как и почему.

Дэйв Голдберг рассказывает о том, как симметрия формирует вселенную, с таким мастерством, что читать его книгу сплошное удовольствие. От его рассказов от «коана о каонах» и муравьиного царства до суеты вокруг бозона Хиггса невозможно оторваться, и при этом они необычайно познавательны.

Читать эту книгу все равно что слушать лекцию самого замечательного преподавателя физики на свете! Голдберг рассказывает о физике все, что вы хотели знать, но стеснялись спросить, например, можно ли построить «Тардис», или что будет, если Землю засосет в черную дыру. Обязательное чтение для каждого, кто хочет понять природу вселенной и при этом посмеяться!

Введение

В котором я рассказываю, что да как, поэтому его лучше не пролистывать

Почему на свете есть что-то, а не ничего? Почему будущее не такое, как прошлое? Почему серьезному человеку приходят в голову подобные вопросы?

Когда говоришь о популярной науке, впадаешь в этакий удалой скептицизм посвященного. Почитаешь все эти твиты и блоги и складывается впечатление, будто теория относительности не более чем досужая болтовня какого-то пижона на вечеринке, а не одна из самых удачных физических теорий в истории человечества, которая вот уже сто лет выдерживает все экспериментальные и наблюдательные проверки.

С точки зрения непосвященного, физика что-то уж больно перегружена всякими законами и формулами. Неужели нельзя попроще? Да и сами физики зачастую упиваются отстраненной сложностью своих конструкций. Когда сто лет назад сэра Артура Эддингтона спросили, правда ли, что общую теорию относительности Эйнштейна понимают всего три человека в мире, он задумался, а потом небрежно заметил: «Пытаюсь понять, кто же третий». Сегодня теория относительности входит в стандартный арсенал каждого физика, ее изо дня в день преподают вчерашним, а то и сегодняшним школьникам. Так что пора отказаться от высокомерной мысли, что понимание тайн мироздания доступно лишь гениям.

Глубокие озарения, касающиеся устройства нашего мира, почти никогда не были результатом изобретения новой формулы, будь ты Эддингтон или Эйнштейн. Наоборот, прорывы почти всегда происходят тогда, когда мы понимаем, что раньше мы думали, будто это разные вещи, а на самом деле это одно и то же. Чтобы понять, как все устроено, надо разобраться в симметрии.

Великий физик XX века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман[1] уподобил мир физики игре в шахматы. Шахматы игра, полная симметрии. Поверни доску на пол-оборота она будет выглядеть точно так же, как и в начале. Фигуры на одной стороне, за исключением цвета,  почти что идеальное зеркальное отражение фигур на другой. Даже правила игры обладают симметрией. Вот как говорит об этом Фейнман:

По правилам, слон движется по шахматной доске только по диагонали. Можно сделать вывод, что сколько бы ходов ни миновало, определенный слон всегда останется на белом поле Так и будет, причем довольно долго но вдруг мы обнаруживаем, что слон оказался на черном поле (на самом-то деле произошло вот что: за это время слона съели, но одна из пешек дошла до последнего ряда и стала слоном на черном поле). Так и с физикой. У нас есть закон, который долго-долго действует универсально, даже когда мы не можем отследить все подробности, а потом наступает момент, когда мы можем открыть новый закон.

Понаблюдайте за игрой еще несколько раз и вас внезапно осенит, что слон остается на полях одного и того же цвета именно потому, что ходит только по диагонали. Закон сохранения цвета обычно действует, однако более глубокий закон требует более глубокого объяснения.

Симметрия в природе проявляется практически везде даже если она ничем не примечательна или даже очевидна и банальна. Крылья бабочки идеальное отражение друг друга. Функции их идентичны, однако я бы очень сильно пожалел бедняжку-бабочку с двумя левыми или двумя правыми крыльями она бы беспомощно летала по кругу. Симметрия и асимметрия в природе, как правило, вынуждены соревноваться друг с другом. В конечном итоге симметрия инструмент, при помощи которого мы не просто формулируем законы, но и разбираемся, почему они действуют.

Скажем, пространство и время совсем не так различны, как может показаться. Они словно правое и левое крылья бабочки. Подобие между ними и легло в основу специальной теории относительности и породило самую знаменитую формулу во всей физике. По всей видимости, законы физики не меняются со временем эта симметрия позволяет сделать вывод о сохранении энергии. И это тоже хорошо: именно благодаря сохранению энергии наша гигантская батарейка Солнце умудряется питать всю жизнь на Земле.

Скажем, пространство и время совсем не так различны, как может показаться. Они словно правое и левое крылья бабочки. Подобие между ними и легло в основу специальной теории относительности и породило самую знаменитую формулу во всей физике. По всей видимости, законы физики не меняются со временем эта симметрия позволяет сделать вывод о сохранении энергии. И это тоже хорошо: именно благодаря сохранению энергии наша гигантская батарейка Солнце умудряется питать всю жизнь на Земле.

Для многих из нас (ну ладно, для физиков) законы симметрии, обнаруживаемые при изучении физической вселенной, столь же прекрасны, что и симметрия бриллианта, снежинки или идеализированная эстетика совершенно симметричного человеческого лица.

Об этом замечательно пишет математик Маркус дю Сотой:

Лишь самые приспособленные, самые здоровые растения обладают запасом энергии, который позволяет им соблюдать равновесие при создании своей формы. Симметричный цветок превосходит асимметричные, и это отражается в том, что он производит больше нектара и в этом нектаре больше содержание сахара. Симметрия сладка на вкус.

Задачки, которые ставит перед нами симметрия, несказанно радуют наш ум. Американские кроссворды, как правило, представляют собой узор из черных и белых квадратиков, который не меняется, если повернуть всю картинку на пол-оборота или посмотреть на нее в зеркало. На симметрии построены и многие шедевры живописи и архитектуры пирамиды, Эйфелева башня, Тадж-Махал.

Стоит обыскать задворки сознания и наверняка вспомнишь пять платоновых тел. Правильных многогранников с одинаковыми гранями всего пять: это тетраэдр (четыре грани), куб (шесть), октаэдр (восемь), додекаэдр (двенадцать) и икосаэдр (двадцать). Какой-нибудь ученый зануда, например, я, с нежностью вспомнит детство и поймет, что именно так выглядели кости в наборе для игры в «Dungeons & Dragons».[2]

Иногда, в повседневном общении, слово «симметрия» относится просто к тому, как предметы «соответствуют» друг другу или «отражают» друг друга, но на самом деле у этого понятия, конечно, есть точное определение. Формулировка, на которую мы будем опираться на страницах этой книги, принадлежит математику Герману Вейлю:

Объект называется симметричным, если с ним можно произвести какие-то действия, и после этого он будет выглядеть так же, как раньше.

Рассмотрим равносторонний треугольник. С этим треугольником можно вытворять все что угодно а он все равно останется совершенно таким же, как раньше. Можно повернуть его на треть оборота и он будет выглядеть как прежде. А можно посмотреть на него в зеркало и отражение будет точно таким же, как оригинал.