Мене не засмоктала шкільна культура і, навчаючись в аспірантурі, я був сповнений ентузіазму. Я хотів передати цей запал учням, допомогти їм по-новому побачити красу навколишнього світу, вплинути на їхнє сприйняття і показати, що світ фізики прекрасний і що вона всюди, що вона пронизує наше життя. Я зрозумів, що має значення не матеріал, який ти охоплюєш під час викладання, а як ти його подаєш. Висвітлення теми в класі може бути нудним заняттям, і учні це одразу відчувають. З іншого боку, пояснюючи фізичні закономірності й показуючи учням, що криється за рівняннями, я демонструю процес пошуку з усією його новизною і захопленням, і учні обожнюють брати в цьому участь.

Також я мав нагоду робити це, хоч і в інший спосіб, за межами класу. Щороку учні з учителем могли на тиждень поїхати в скромно облаштований кемпінг у досить відлюдному місці; поїздку фінансувала школа. Ми з моєю дружиною одного разу з’їздили, і нам дуже сподобалось. Усі готували їжу разом і спали в наметах. Оскільки ми були далеко від вогнів міста, якось уночі ми розбудили дітей, дали їм гарячого шоколаду і повели дивитися на зорі. Ми шукали сузір’я і планети, і вони змогли побачити Чумацький Шлях у всій красі.

Я не вивчав і навіть не викладав астрофізику (взагалі-то я розробляв експерименти, що мали на меті виявити одні з найменших частинок у Всесвіті), але астрономія завжди зачаровувала мене. Насправді ледь не кожен фізик, який ходить по Землі, захоплюється астрономією. Багато моїх знайомих фізиків у старших класах сконструювали власні телескопи. Мій давній друг і колега по МТІ Джордж Кларк у школі відшліфував і відполірував 15-сантимет­рове дзеркало для телескопа. Чому фізики так люблять астрономію? Насамперед тому, що багато досягнень у фізиці (наприклад, теорії руху небесних тіл уздовж орбіти) випливає із запитань, які ставили астрономи, їхніх спостережень і теорій. Крім того, астрономія — це і є фізика, її збільшена версія на нічному небі: затемнення, комети, метеори, кулясті скупчення, нейтронні зорі, гамма-спалахи, джети (струмені), планетарні туманності, наднові, скупчення галактик, чорні діри.

Просто подивіться на небо і поставте собі кілька очевидних запитань: Чому небо блакитне? Чому захід Сонця червоний? Чому хмари білі? Фізика знає відповіді. Сонячне світло має всі кольори веселки. Але проходячи крізь атмосферу, воно розсіюється в різних напрямках, відбиваючись від молекул повітря і крихітних частинок пилу (набагато менших за мікрон, тобто 0,001 мілі­метра). Це явище має назву релеївське розсіювання. Блакитне світло розсіюється найсильніше, приблизно в п’ять разів більше, ніж червоне. Отже, якщо ви вдень поглянете на будь-яку точку неба1, блакитний колір переважатиме. Тому небо блакитне. Якщо подивитися на небо з Місяця (можливо, ви бачили фотографії), воно буде не блакитним, а чорним — яким ми його бачимо вночі. Чому? Тому що Місяць не має атмосфери.

Чому захід Сонця червоний? Із тієї само причини, чому небо блакитне. Коли Сонце біля горизонту, його променям потрібно подолати більшу відстань в атмосфері, і зелене, блакитне і фіолетове світло розсіюється найбільше і, по суті, відфільтровується. На ту мить, коли світло досягає наших очей (і хмар над нами), воно складається здебільшого із жовтого, оранжевого, а особливо — червоного кольорів. Саме тому іноді, коли Сонце заходить і на світанку, здається, що небо палає.

Чому хмари білі? Краплини води у хмарах значно більші за крихітні частинки, через які небо здається блакитним, і коли світло відбивається від них, усі кольори розсіюються однаково. Через це світло залишається білим. Але якщо хмара дуже наповнена вологою або перебуває в тіні іншої хмари, вона пропускатиме мало світла і стане темною.

Один з моїх улюблених дослідів-демонстрацій — створювати клаптик «блакитного неба» в аудиторії. Я вимикаю освітлення і спрямовую на стелю біля дошки дуже яскравий прожектор, захищений екраном. Потім запалюю кілька сигарет і тримаю їх у світлі прожектора. Частинки диму достатньо маленькі, щоб виникло релеївське розсіювання, а оскільки блакитне світло розсіюється найбільше, студенти бачать блакитний дим. Тоді переходжу до другої частини досліду. Я вдихаю дим і затримую його майже на хвилину — це не завжди легко, але наука часом вимагає жертв. Потім я видихаю дим у світло прожектора. Тепер студенти бачать білий дим — я створив білу хмару! У легенях багато водяної пари, тому крихітні частинки диму збільшились. Тепер усі кольори розсіюються однаково, і розсіяне світло сприймається як біле. Це дивовижно, як дим змінює колір: із блакитного стає білим.

Цим експериментом я можу відповісти одразу на два запитання: чому небо блакитне і чому хмари білі. Взагалі-то, є ще дуже цікаве третє запитання, і воно пов’язане з поляризацією світла. Про це йтиметься в розділі 5.

Коли я був зі своїми учнями за містом, я показував їм галактику Андромеди, єдину галактику, яку можна побачити неозброє­ним оком. Відстань до неї приблизно 2,5 мільйона світлових років (24 мільйони трильйонів кілометрів), що за астрономічними мірками майже поруч. Ця галактика складається з приблизно 200 міль­ярдів зір. Тільки уявіть — 200 мільярдів зір, а нам вона здалася ледь помітною розмитою плямою. Також ми помітили багато метеорів, які часто називають летючими зорями. Якщо озброї­тися терпінням, їх можна побачити приблизно кожні чотири-п’ять хвилин. Тоді ще не було супутників, але зараз ви побачите і їх у великій кількості. Навколо Землі кружляє понад 2000 супутників, і якщо впродовж п’яти хвилин дивитися на небо не відводячи погляду, то найімовірніше ви побачите один з них, особливо одразу після заходу Сонця або перед світанком, коли воно ще не сіло або вже зійшло над супутником і сонячне світло досі відбивається від нього. Що далі супутник і, відповідно, що більша різниця в часі між заходом Сонця на Землі і на супутнику, то пізніше його можна побачити. Супутники легко розпізнати за швидкістю їх руху: вона найвища за будь-які тіла на небі (не враховуючи метеорів). Якщо щось мерехтить, повірте — це літак.

Коли ми дивилися на зорі, я особливо любив показувати Меркурій. Це найближча до Сонця планета, тому її дуже важко помітити неозброєним оком. На рік випадає лише два десятки вечорів і ранків, коли умови найсприятливіші. Меркурій обертається навколо Сонця лише за 88 днів, тому його й назвали на честь прудконогого римського бога-провісника. А побачити цю планету так складно тому, що її орбіта лежить дуже близько від Сонця. Якщо спостерігати за Меркурієм із Землі, він ніколи не відхиляється від Сонця більше ніж на 25 градусів — це менше, ніж кут між обома стрілками годинника об одинадцятій годині. Меркурій можна побачити лише невдовзі після заходу Сонця і перед світанком у дні, коли він максимально далеко від світила, якщо спостерігати із Землі. У Сполучених Штатах він завжди перебуває низько над горизонтом. Зазвичай Меркурій можна угледіти хіба що за містом. Але як чудово, коли все-таки вдається його відшукати!

Спостерігаючи за зорями, ми наближаємося до розуміння безмежності Всесвіту. Якщо досить довго вдивлятися в нічне небо і дозволити очам звикнути, ми можемо побачити надструктуру віддалених ділянок нашої Галактики, Чумацького Шляху — від 100 до 200 мільярдів зір, які утворюють щось схоже на тонку прозору тканину. Розміри Всесвіту немислимі, але для початку спробуйте уявити собі Чумацький Шлях.

За нинішніми оцінками, у Всесвіті може бути стільки галактик, скільки зір у нашій Галактиці. По суті, спрямовуючи телескоп у глибокий космос, ми бачимо здебільшого галактики (на величезних відстанях окремі зорі розрізнити неможливо), і кожна з них складається з мільярдів зір. Або погляньте на нещодавно відкриту Велику стіну галактик — найбільшу структуру у відомому Всесвіті. Її карту було складено в межах Слоанівського цифрового огляду неба (Sloаn Digital Sky Survey) — масштабного проекту, до якого залучили понад триста астрономів та інженерів і двадцять п’ять університетів та дослідних установ. Спеціально збудований телескоп здійснював спостереження щоночі починаючи від 2000-го і до кінця 2014 року. Довжина Великої стіни становить понад мільярд світлових років. Голова вже йде обертом? Якщо ні, то врахуйте, що розміри видимого Всесвіту (тобто лише тієї його частини, яку ми можемо спостерігати) приблизно 90 міль­ярдів світлових років.