Звичайно, вчені виявили рентгенівське випромінювання, і що ще важливіше — установили, що його джерело поза межами Сонячної системи. Ця сенсаційна новина змінила астрономію. Ніхто не очікував на таке і не міг знайти цьому переконливого пояснення. Ніхто по-справжньому не розумів цієї знахідки. Россі підкинув ідею, щоб переконатися у її слушності. Завдяки таким здогадкам стають уславленими науковцями.
Я приїхав у МТІ 11 січня 1966 року — я пам’ятаю точну дату, тому що один з наших дітей хворів на свинку, і ми змушені були відкласти подорож у Бостон: KLM не дозволила нам летіти, бо свинка заразна. У перший день я зустрівся з Бруно Россі та Джорджем Кларком, який у 1964 році вперше запустив аеростат у верхні шари атмосфери, на висоту приблизно 43 кілометрів. Він шукав джерела високоенергетичного рентгенівського випромінювання, яке може проникати на таку висоту. Джордж сказав: «Було б чудово, якби ви приєдналися до моєї групи». Я опинився в потрібному місці в слушний час.
Якщо ви взялися за те, чого ніхто до вас не робив, обов’язково досягнете успіху; наша команда здійснювала одне відкриття за одним. Джордж був дуже великодушний: через два роки він передав мені керування групою. Перебувати на гребені хвилі найновішого напрямку в астрофізиці було просто дивовижно.
Мені надзвичайно поталанило опинитися у вирі найцікавіших досліджень у тогочасній астрофізиці, утім, правду кажучи, усі галузі фізики чудові: усі сповнені захопливих радісних моментів і дивовижних відкриттів. Поки ми шукали нові рентгенівські джерела, дослідники частинок виявляли ще фундаментальніші складові ядра, з’ясовуючи, що утримує ці частинки разом у ядрі. Вони відкрили W- і Z-бозони, які є носіями слабкої ядерної взаємодії, та кварки і глюони, які беруть участь у сильній взаємодії.
Фізика дозволила нам зазирнути в далеке минуле, до самого краю Всесвіту, і зробити фантастичний знімок, відомий під назвою «Надглибоке поле Габбла» (Hubble Ultra Deep Field), на якому зображено, здається, безмежну кількість галактик. Раджу подивитися цей знімок онлайн, перш ніж переходити до наступного розділу. Деякі мої друзі встановили цю фотографію собі як скрінсейвер.
Вік Всесвіту — приблизно 13,7 мільярда років. Утім оскільки простір значно розширився від часів Великого вибуху, сьогодні ми спостерігаємо галактики, що утворилися приблизно через 400‒800 мільйонів років після нього й зараз перебувають значно далі, ніж за 13,7 мільярда світлових років. За нинішніми оцінками астрономів, відстань від нас до краю видимого Всесвіту — приблизно 47 мільярдів світлових років у всіх напрямках. Унаслідок розширення простору багато віддалених галактик рухаються від нас зі швидкістю, більшою, ніж швидкість світла. Це може шокувати чи навіть здатися неможливим для тих з вас, кого вчили, що ніщо не може рухатися швидше за світло. Саме це постулював Ейнштейн у спеціальній теорії відносності. Утім, згідно з його загальною теорією відносності, швидкість руху однієї галактики відносно іншої нічим не обмежена, коли сам простір розширюється. Сучасні науковці недарма вважають, що ми живемо в золоту добу космології — науки, що вивчає походження та розвиток Всесвіту.
Фізика пояснила красу і тендітність веселки, існування чорних дір, особливості руху планет, що відбувається, коли вибухає зоря, чому ковзанярка обертається швидше, коли притискає руки до тіла, чому астронавти невагомі в космосі, як утворилися хімічні елементи, коли виник наш Всесвіт, завдяки чому звучить флейта, як ми виробляємо електроенергію, що стимулює наші тіла й економіку, і які звуки видавав Великий вибух. Вона описала найглибші рівні субатомного світу й найвіддаленіші околиці Всесвіту.
Мій друг і колега Віктор Вайскопф, який на час мого приходу в МТІ вже був найавторитетнішим ученим, написав книжку «Честь бути фізиком» (The Privilege of Being a Physicist). Цей блискучий заголовок точно передає почуття, які охопили мене, коли я опинився в самісінькому центрі одного з найцікавіших періодів астрономічних і астрофізичних досліджень, з того часу, як люди почали придивлятися до нічного неба. Люди, з якими я працював пліч-о-пліч у МТІ, розробляли надзвичайно творчі та складні методи для дослідження найфундаментальніших наукових питань. І особисто для мене було честю, з одного боку, поглибити знання людства про зорі та Всесвіт, а з другого — допомогти кільком поколінням молодих людей зрозуміти й полюбити цю дивовижну науку.
Ще від перших кроків у науці, коли я тримав ізотопи, що розпадалися в моїх руках, я не переставав захоплюватися відкриттями у фізиці, як колишніми, так і сучасними, її багатою історією і постійним розширенням її меж. А також тим, як вона розкрила мені очі на несподівані дива довколишнього світу. Для мене фізика — це спосіб побачити, як красиво і чудернацько все переплетено: видовищне і буденне, безмежне і миттєве.
Саме так я намагався оживити фізику для своїх студентів. На мою думку, значно важливіше показати їм красу відкриттів, ніж зосереджуватися на складних формулах — урешті-решт, більшість із них не збирається бути фізиками. Я зробив усе можливе, щоб допомогти їм поглянути на світ іншими очима й сформулювати запитання, які раніше не спадали на думку. Щоб показати їм веселку такою, якою вони її ще не бачили. І щоб сфокусуватися на вишуканій красі фізики, а не на математичних подробицях. Ця книжка має таку само мету — допомогти вам побачити, як фізика висвітлює закономірності нашого світу і яка вона приголомшливо довершена і красива.
1 Обережно — у жодному разі не дивіться на Сонце.
2 До ізотопу гелій-3 (3He), тоді як найрозповсюдженішим ізотопом є гелій-4 (4He). — Прим. наук. ред.
Розділ 2
Вимірювання, похибки і зорі
Моя бабуся і Галілео Галілей
Фізика — наука за своєю суттю експериментальна, і вимірювання та їхні похибки лежать в основі кожного досліду й відкриття. Навіть найвеличніші теоретичні досягнення у фізиці беруть початок із прогнозів щодо певних величин, які можна виміряти. Візьмімо, наприклад, другий закон Ньютона: F = ma (сила дорівнює масі, помноженій на прискорення), чи не найважливіше рівняння у фізиці; або знамениту формулу Ейнштейна E = mc2 (енергія дорівнює масі, помноженій на квадрат швидкості світла). Хіба фізики можуть подати співвідношення інакше, ніж через математичні рівняння з різними вимірюваними величинами, такими як, приміром, густина, вага, довжина, заряд, гравітаційне притягання, температура чи швидкість?
Визнаю, що, можливо, я трохи упереджений щодо цього питання, оскільки написав дисертацію за результатами надточного вимірювання показників різних типів ядерного розпаду, а мій внесок у рентгенівську астрономію на її початковому етапі полягав у вимірюванні високоенергетичного рентгенівського випромінювання від джерела, що перебуває на відстані десятків тисяч світлових років. Але без вимірювань фізику годі уявити. І, що ще важливіше, неможливо отримати значущі результати вимірювань, якщо не врахувати їхніх похибок.
Ви постійно припускаєте існування певних похибок, навіть не усвідомлюючи цього. Коли банк повідомляє про залишок на рахунку, ви очікуєте похибку менше ніж півкопійки. Коли ви купуєте одяг в інтернеті, розраховуєте, що не помилитеся з розміром, а якщо прогадаєте, то хіба що трохи. Якщо штани 34-го розміру будуть більші чи менші на 3 відсотки, різниця в обхваті талії становитиме два з половиною сантиметри. Ви можете отримати або 35-й розмір, який висітиме на стегнах, або 33-й, що змусить вас дивуватися, коли це ви примудрилися так потовстішати.
Також надзвичайно важливо виражати результати вимірювання у правильних одиницях. Згадаймо одинадцятирічну програму Mars Climate Orbiter вартістю 125 мільйонів доларів, яка закінчилася катастрофічним провалом через плутанину з одиницями вимірювання. Одна група розробників використовувала метричну систему, тоді як інша — англійську систему мір, і в результаті у вересні 1999 року космічний апарат увійшов в атмосферу Марса, замість того, щоб вийти на сталу орбіту.
