Когда волшебники находят что-то новое, они с этим играют.
Так же делают и учёные.
Они играют с идеями столь дикими и зачастую бросающими вызов здравому смыслу, и потом утверждают, что их идеи верны, а здравый смысл - нет.
Они часто делают это удивительно хорошо.
Эйнштейн однажды сказал нечто неприятное о здравом смысле как о чём-то близком чепухе, но слишком далеко зашёл.
Наука и здравый смысл близки, но не напрямую.
Наука нечто вроде троюродной внучки здравого смысла.
Здравый смысл говорит нам что вселенная выглядит для существ нашего размера, привычек и положения.
К примеру, здравый смысл говорит нам, что Земля плоская.
Она кажется плоской - кроме холмов, долин и других неровностей и глубин.
.
.
Если бы она не была плоская, вещи бы скатывались и падали с неё.
Вопреки этому, Земля не плоская.
В Плоском Мире, в противоположность, отношения между здравым смыслом и реальностью обычно на самом деле очень ясная.
Здравый смыл говорит волшебникам Незримого Университета что Плоский мир плоский - и он такой.
В доказательство этого они могут отправиться к Краю, как Ринсвинд и Двацветок в "Цвете волшебства" и наблюдать как вещи исчезают в Краепаде: "Рёв ещё был громче.
Кальмар больше чем что-либо когда-либо виденное Ринсвиндом разбил поверхность на несколько сот ярдов вокруг и бешено колотил своими щпальцами прежде чем исчезнуть..
.
.
Их уносило из мира.
Затем они папались в Окружносеть, огромную сеть в тысячи миль прямо около Края, небольшой участок который патрулировать морской троль Тетис.
И они смогли заглянуть за край..
.
.
Сцена открывшаяся им была бескрайняя, неизвестная и ужасающая перспектива.
Поскольку внизу была видна голова слона большая как хороших размеров континент.
.
.
Ниже слона не было ничего кроме близкого, мучительного диска солнца.
И медленно проплывшее нечто, огромное во всех городских масштабах, в больших картерах-оспинах, лунной формы, являлось без сомнения плавником.
Широко распространённое представление то что древние люди считали Землю плоской по этим очевидным и разумным причинам.
Действительно, большинство древних цивилизаций, что кажется оставляли записи, всё-таки пришли к выводу, что Земля должна быть круглая.
Корабли возвращающиеся из невидимых за горизонтом земель, а в небе, круглое солнце и круглая луна являлись определённым ключом.
.
.
Это то, в чём наука и здравый смысл совпадают.
Наука это здравый смысл, основанный на фактах.
Рассматривая здравый смысл в таком ключе, часто приходится делать выводы, которые сильно отличаются от очевидных умозаключений здравого смыла, поскольку вселенная должна вести себя не так, как это есть на самом деле.
Конечно, это также помогает понять, что для человека, живущего на огромной сфере она кажется плоской на большом протяжении.
И если гравитация всегда действует в направлении центра сферы, то ничего не скатывается и не падает.
Но это все тонкости.
Примерно в двести пятидесятом году до нашей эры грек по имени Эратосфен проверил теорию сферической Земли и даже вычислил, насколько велика эта сфера.
Он знал, что в Сиене, египетском городе, в наше время известном как Асуан, на глубине колодца можно видеть отражение полуденного солнца.
(Этого не произойдет в Анк-Морпорке, где колодезная вода часто более чистая, чем колодец, который ее окружает.)
Эратосфен добавил несколько простых фактов и получил много больше, чем ожидал.
Все дело в геометрии.
Колодец был прорыт ровно вниз.
Поэтому Солнце в Сиене должно было находиться над самой головой.
Но в родном городе Эратосфена - Александрии, в дельте Нила, отражения солнца не было видно.
В полдень, когда солнце находилось в своей наивысшей точке, Эратосфен отбрасывал отчетливую тень.
Фактически, он рассчитал, что в полдень угол между Солнцем и вертикальной осью был немного больше семи градусов, что составляет примерно одну пятидесятую круга.
Далее последовала дедукция.
Солнце находится в одном и том же месте, с какой бы точки на него ни смотрели.
С другой стороны, было известно, что Солнце должно находиться весьма далеко от Земли, поэтому солнечные лучи, достигавшие Александрии практически параллельны лучам, проникавшим в колодец в Сиене.
Эратосфен сделал вывод, что разница в поведении солнечных лучей объясняется тем, что Земля круглая.
Он вычислил, что расстояние от Сиены до Александрии должно составлять одну пятидесятую длины окружности Земли.
Но как его измерить? В этом случае можно обратиться к пастуху верблюдов.
Не потому, что лучший в мире математик это верблюд по имени Ты Ублюдок, как в Плоском мире, а потому что верблюд покрывает расстояние от Александрии до Сиены за 50 дней, при средней скорости 100 стадий в день.
Поэтому расстояние от Александрии до Сиены сотавляет 5,000 стадий, а длина окружности Земли равна 250,000 стадий.
Стадий это греческая мера длины, никто не знает чему она равна.
Ученые считают ее равной 515 футам (157 метров) и, если они правы, величина Эратосфена равна 24,662 мили (39,690 км).
Действительное значение равно примерно 24,881 миле (40,042 км), так что Эратосфен был чрезвычайно близок в расчетах.
Если, извините за наши подозрения, ученые не работали в обратном направлении от ответа.
Именно здесь мы сталкиваемся с ещё ещё одной особенностью научного рассуждения.
В порядке сравнения теории и практики вам приходится объяснять терминологию вашей теории.
Чтобы пояснить эту мысль, мы припомним историю с Растонастиксфеном, дальним родственников Сам-себя-режу-без-ножа Достаблем, доказавшим что Плоский мир круглый (и даже вычислившим длину окружности).
Растонастиксфен заметил, что в полдень над Овцепиками Солнце находится в зените, тогда как в Ланкре, за 1000 миль, его вертикаль составляет 84°.
Так как 84° это примерно четверть от 360°, Растонастикфен заключил, что Плоский мир вобще-то круглый, и расстояние от Овцепик до Анк-Морпорка равно четверти окружности.
Окружность сферического Плоского мира составляет около 4 000 миль (6 400 км).
К несчастью для теории, в других землях было известно, что Плоский мир составляет 10 000 миль (16 000 ) от края до края.
Конечно вы не можете одному забавному факту встать на пути хорошей теории, и Растонастиксфен сошёл в могилу в полной уверенности, что жил в небольшом мире.
Его ошибка в объяснении совершенно отличных данных наблюдений в терминах хилой теории.
Ученые постоянно возвращались к основным теориям, чтобы по-новому их проверить, их раздражали священнослужители и монахи, которые всегда знали ответ на любые вопросы.
Наука не строится на известных "фактах".
Наука задает сложные вопросы и подвергает их проверке, мешая людям верить во что угодно, лишь бы чувствовать себя удобно.
С давних времен люди интересовались не столько формой мира, сколько формой вселенной.
Вначале они, возможно, думали, что это одно и тоже.
Потом, используя примерно те же геометрические приемы, что и Эратосфен, выяснили, что огоньки на небе на самом деле очень далеко.
Они выросли на множестве мифов об огненной колеснице бога солнца и им подобных, но после того, как вавилоняне постигли науку точных измерений, их теории начали приводить к точным расчетам таких понятий как затмения и движения планет.
К тому времени, как модель планетарного движения Птолемея (Клавдий Птолемей, 100-160 годы н.э.) затронула понятие порядка "эпициклов" - движение планет рассматривалось как вращение по окружностям, центры которых вращались по своим окружностям и так далее.
.
.
Исаак Ньютон заменил эту теорию, как и более точные последующие, законом, законом всемирного тяготения, описывающим как каждое тело во вселенной притягивает любое другое тело.
Он объяснял открытие Иоганна Кеплера эллиптичности орбит планет, и с течением времени многие другие вещи тоже.
После нескольких веков устойчивого триумфа, Ньютоновская теория обнаружила свой первый большой недостаток: она делала неточные описания орбиты Меркурия.
Точка на орбите Меркурия, где он находился ближе всего к Солнцу, двигалась не совсем точно по пути предсказанным Ньютоном.
На помощь пришёл Эйнштейн с теорией основанной не на силе притяжения, а не геометрии - на форме пространства-времени.
Это была знаменитая теория относительности.
Теория состоит из двух частей: специальная теория относительности и общая теория относительности.
Специальная теория относительности описывает строение пространства, времени и электромагнетизма, общая теория относительности описывает то, что происходит в случае если вы тоже оказываетесь в гравитационном поле.
Главное, оценить то, что "относительность" это нелепое название.
Смысл специальной теории относительности не в том, что все относительно, а в том, что скорость света понятие абсолютное.
Мысленный эксперимент хорошо известен.
Если ехать на машине со скоростью 50 миль в час (80 км в час) и выстрелить перед собой из ружья, пуля вылетит со скоростью 500 миль в час (800 км в час) относительно скорости машины, в то время как общая скорость пули составит 550 миль в час (880 км в час).
Но если вместо выстрела из ружья включить фонарик, который "выстрелит" лучом света со скоростю 670,000,000 миль в час (186,000 миль или 300,000 км в секунду), то общая скорость луча не будет равной 670,000,050 миль в час.
Общая скорость луча будет равна 670,000,000 миль в час, как будто машина стоит на месте.
Практически провести подобный эксперимент проблематично, но менее наглядные и опасные эксперименты показали каким был бы результат.
Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности в 1905 году одновременно с материалами по квантовой механике и диффузии.
Многие, среди которых голландский физик Хендрик Лоренц и французский математик Анри Пуанкаре, работали над той же проблемой, поскольку электромагнетизм не был в полном согласии с механикой Ньютона.
В итоге пришли к выводу, что вселенная намного причудливее, чем говорит нам здравый смысл, хотя вряд ли именно это слово было в ходу.
Объекты уменьшаются при достижении скорости света, время замедляется почти до нуля, масса стремится к бесконечности...
.
.
и нет ничего быстрее скорости света.
Еще одна концепция подразумевает взаимосвязанность пространства и времени.
Общепринятое трехмерное пространство вместе со временем образует единое четырехмерное пространство-время.
Точка пространства становится моментом пространства-времени.
В стандартном пространстве существует понятие расстояния.
Аналогом в специальной теории относительности является величина, называемая интервалом между моментами относительно интенсивности течения времени.
Чем быстрее движется объект, тем медленнее проходит время для наблюдателя, сидящего на объекте.
Этот эффект называется замедлением времени.
Если бы вы могли передвигаться со скоростью света, время бы замерло.
Ещё одна из примечательных особенностей теории относительности - парадокс близнецов, замеченный Полем Ланжевеном в 1911 г.
Опять же, это классический пример.
Предположим, что Розенкранц и Гильденстерн родились в один и тот же день.
Розенкранц проводит всю свою жизнь дома, в то время как Гильденстерн путешествует со скоростью близкой к скорости света, и потом возвращается обратно домой.
Из-за замедления времени, для Гильденстерна прошёл только год, тогда когда для Розенкранца прошли все 40.
Так что Гильденстерн теперь моложе своего брата-близнеца на 39 лет.
Опыты с атомными часами, облетевшими вокруг Земли на реактивных самолётах подтвердили этот сценарий, но самолёты были всё же слишком медленны по сравнению со светом, что замеченная (и предсказанная) разница во времени составляла лишь малую долю секунды.
Пока всё хорошо, но пока тут не было место гравитации.
Эйнштейн долго ломал голову до тех пор пока не нашёл способ включить гравитацию: пусть пространсво-время будет искривлённым.
Получавшаяся теория была названа общей теорией относительности, и она синтезировала теорию Ньютона и специальную теорию относительности.
По мнению Ньютона, гравитация - это сила, что смещает частицы проч от идеально прямого пути, которым они могли бы следовать согласно общей теории относительности. Гравитация - не сила, а искривление структуры пространства-времени.
Обычное дело - говорить, что пространство-время "искривляется", хотя этот термин легко неправильно понять.
В частности, оно не искривляется вокруг чего-либо ещё.
Искривление понимается физически как сила гравитации, которая изгибает световые лучи.
Результатом является "гравитационный линзинг" - огибание светом массивных объектов, который Эйнштейн открыл в 1911 и описал в 1915 году.
Этот эффект был впервые был замечен во время солнечного затмения.
Много позднее было открыто что некоторые удалённые квазары производят множественные изображения в телескопе, поскольку их свет преломлён галактикой на их пути.
гравитационная теория Эйнштейна вытеснила Ньютоновскую, поскольку лучше соответствовала данным наблюдения, но Ньютоновская остаётся достаточно точной для многих целей, и проще, так что ни в коем случае не устарела.
Сейчас кажется, что и Эйнштейн будет вытеснен, возможно теорией, которую он отрицал как величайшую ошибку жизни.
В 1998 два различных наблюдения поставили теорию Эйнштейна под вопрос.
Одно включало устройство вселенной в действительно больших масштабах, другое же случилось прямо на нашем дворе.
Первое выжило не смотря ни на что, второе можно объяснить как нечто более прозаичное.
Начнём пожалуй со второго любопытного открытия.
В 1972 и 1973 два космических зонда, Пионер 10 и 11 отправились изучать Юпитер и Сатурн.
К концу 80-ых они вышли в далёкий космос, отправившись из нашей известной солнечной системы.
Долгое время существовало поверье, научная легенда, что за Плутоном могла быть неоткрытая планета Х.
Такая планета могла повлиять на движение двух Пионеров, так что стоило бы определить пути зондов в надежде найти неожиданные отклонения.
Команда Джона Андерсена обнаружила отклонения, однако, они не соответствовали планете Х и не соответствовали общей теории относительности.
Пионеры плывут без каких либо импульсов, так что притяжение Солнца (и более слабое притяжение других тел известной нам солнечной системы) воздействует на них, постепенно замедляя их падение.
Но зонды замедляли своё падение чуть быстрее, чем должны были.
В 1994 году Майкл Мартин предположил что это эффект достаточно уверенно может поставить под сомнение теорию Эйнштейна, и 1998 году команда Андерсона сообщила что всё наблюдаемое не может быть объяснено как результат инструментальной ошибки, газовых облаков, солнечного ветра и воздействием притяжения пролетающих комет.
Трое других учёных быстро предположили, что совсем другие вещи могли бы объяснить эту аномалию.
Двое интересовались потерями теплоты.
Пионеры получили энергию от бортовых ядерных реакторах, которые излучали некоторое количество лишнего тепла в космос.
Воздействие этого излучения могли замедлить аппараты на наблюдаемое количество времени.
Другое возможное объяснение состоит в том, что Пионеры могут выбрасывать в космос небольшое количество топлива.
Но Андерсон выявил недостатки обоих теорий.
Удивительно в наблюдаемом замедлении то, что оно точно соответствует нестандартной теории, предложенной в 1983 году Мордехаем Милгромом.
Эта теория вносит поправку не в закон гравитации, а во второй закон Ньютона: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение.
Модификация Милгрома применима при очень малых ускорениях тела, она была представлена для объянения еще одной гравитационной загадки, того факта, что галактики не вращаются со скоростями, предсказанными Ньютоном и Эйнштейном.
Это несоответствие обычно объясняют существованием холодной темной материи, которая изменяет гравитацию, но не может быть обнаружена в телескопы.
Если в галактиках присутствует холодная темная материя, они будут вращаться со скоростями, противоречащими тому, что можно видеть.
Большинство теоретиков невзлюбили холодную тёмную материю (поскольку наблюдать её непосредственно вы не можете, поэтому она холодная и тёмная ) и теория Милгромма медленно завоевала популярность.
Дальнейшие изучения Пионеров могут помочь принять решение.
Другое открытие касается расширения вселенной.
Вселенная становится больше, но сейчас кажется что её удалённые части расширяются быстрее чем должны.
Этот поразительное наблюдение было подтверждено более детальными исследованиями учёных проекта космологии суперновых звёзд возглавляемых Саулом Перлмуттером и их главных соперников исследовательской командой суперновых звёзд с красным смещением во главе с Брайаном Шмидтом.
Оно проявляется как небольшой изгиб графика изменения видимой яркости удалённых суперновых звёзд красного спектра
Согласно общей теории относительности этот график должен прямым, но он таким не является.
Он выглядит, как если бы у гравитации был бы некоторый отталкивающий компонент, который проявляется только на довольно далёких дистанциях - скажем в половину радиуса вселенной.
Фактически, форма антигравитации.
Любопытно, Эйнштейн изначально включил отталкивающую силу такого рода в свои релятивистские уравнения гравитации: она называется космологической постоянной.
Позже он изменил своё мнение и исключил космологическую постоянную, полагая, что было глупо включить её в первую очередь.
Он умер, полагая, что она была пятном на его репутации, но возможно его оригинальная интуиция попала в самую точку.
Существует возможная отсылка к другой серьезной физической теории, квантовой механике.
По началу это казалось нежелательным.
Если существует эффект антигравитации, тогда он должен происходить от вакуумной энергии - формы энергии которая, если и существует, то существует в пустом пространстве.
.
.
( Записывая эти строки мы можем наблюдать выражение лица Чудакулли.
Но мы не будем обращать на него внимание.
Это не нечто разумное, как магия.
Это наука.
И в пустоте может быть много интересного.
)
Однако, квантовая теория предполагает, что если вакуумная энергия существует в сегодняшней вселенной, тогда она должна производить эффект антигравитации в 10^119 ( единица со 119-ю нулями ) большую чем наблюдается.
Хотя астрономы и привыкли к большим инструментальным погрешностям, чем вы можете обнаружить в других науках, но даже для них это слишком.
Но позже, в 1998 году Роберт Меттьювс заинтересовался, что если эффект антигравитации может происходить от остатков вакуумной энергии с более ранних фаз формирования вселенной.
Его идея близка предположению шестидесятилетней давности, сделанному Полом Дираком, одним из основателем квантовой теории.
Дирак заметил странное совпадение.
Электромагнитная сила между протоном и нейтроном в 10^40 (единица с сорока нулями) больше чем сила притяжения между ними.
Возраст вселенной так же в 10^40 раз больше чем время за которое свет проходит сквозь один атом.
Нетрудно найти нумерологические совпадения такого рода, но у Дирака, было предчувствие что это может свидетельствовать о некоторой глубинной связи расширения вселенной и микроскопического квантового мирка.
Сейчас Меттьюс пришёл к возможному объяснению этого совпадения и оно учитывает антигравитационный эффект.
Согласно теории Большого взрыва, ранняя история вселенной включает некое число фазовых превращений - резких изменений состояния, в результате которых произошли качественные изменения работающих во вселенной процессов.
Первые их них произошли, когда сильные ядерные силы отделились от электромагнитных сил и слабых ядерных сил.
Последним в этой серии был кварк-андронный переход, в котором кварки сложились вместе, образуя более знакомые нам протоны и нейтроны.
Если бы во вселенной сохранилось вакуумная энергия после этих переходных фаз, тогда это бы дало антигравитационный эффект как раз нужной силы.
Так эти любопытные наблюдения могли бы поведать нам нечто довольно любопытное о ранней вселенной.
.
Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/26716/89147
Переводчики: Krevedko_boo, newisher