Готовый перевод Richard Dawkins The Oxford Book of Modern Science Writing / Ричард Докинз Оксфордская книга публикаций современной науки: Martin Rees from JUST SIX NUMBERS / Мартин Рис отрывок из ВСЕГО ШЕСТИ ЧИСЕЛ

Мартин Рис (Martin Rees), отрывок из "Всего шесть чисел".

■ Королевскому астроному и президенту Королевского общества Мартину Риcу романтика звезд и науки также не чужда.

Его подход к определению нашего места будит в воображении мифологический символ Уробороса — мы находимся в самой середине логарифмической шкалы величин, простирающейся от астрономического до субатомного уровня.

Я ещё вернусь к этому позже, когда буду обсуждать трудности, испытываемые развивающимся людским разумом по мере того, как мы пытаемся понять глубочайшие области науки, чрезвычайно далёкие от тех приземлённых соображений, с которыми жили наши предки.

Первый фрагмент приведён из написанной Риcом в 1999 году книги под названием "Всего шесть чисел".

Второй фрагмент из той же книги освещает её главную тему.

Современная физика сделала потрясающие шаги в понимании Вселенной, героически отодвинув наше неведение к самой первой доле секунды сразу после Большого взрыва.

Но наши толкования глубинных вопросов существования основаны на полудюжине чисел — фундаментальных физических константах, чьи значения мы можем измерить, но не можем вывести с помощью существующих теорий.

Эти константы просто существуют, и многие физики, и Рис в том числе (однако, к примеру, не Виктор Стенджер (Victor Stenger) — физик, к которому я отношусь с превеликим уважением) считают, что их точные значения играют ключевую роль в существовании Вселенной, способной на рождение биологической эволюции какого-либо рода.

Рис поочерёдно рассматривает каждую из этих шести констант, а для этой антологии я выбрал ту, что обозначена как N - отношение силы электромагнитного взаимодействия, удерживающей вместе атомы, и гравитационной силы, обеспечивающей целостность Вселенной. ■

Крупные числа и различные масштабы

Мы все состоим из атомов, количество которых варьируется от 10^28 до 10^29.

Этот "человеческий масштаб", в численном значении, лежит посередине между массами атомов и звезд.

Грубо говоря, если сложить людские тела в количестве, равном количеству атомов в каждом из нас, то их масса будет эквивалентна массе Солнца.

Но наше Солнце — лишь обычная звезда среди сотен миллиардов в галактике.

И в обозримой части Вселенной находится так же много галактик, сколько и звёзд в нашем Млечном пути.

Более чем 10^78 атомов находится в поле действия нашего телескопа.

Живые организмы составляют слой за слоем этой сложной системы.

Атомы собраны в составные молекулы, которые различными способами взаимодействуют в каждой клетке организма, косвенным образом управляя целой взаимосвязанной структурой, что представляет собой дерево, насекомое или человека.

В своём понимании мы пытаемся охватить космос и микромир — мы, по размерам нечто среднее между Солнцем, чей диаметр составляет около миллиарда метров, и молекулой, чьи габариты укладываются в одну миллиардную от метра.

Не случайность, что природа достигает наивысшей сложности именно на этой средней отметке: более крупные организмы на обитаемой планете вероятнее всего были бы сломлены и раздавлены силой гравитации.

Мы привыкли к мысли о том, что сформированы на уровне микромира: наши тела уязвимы к вирусам в длину менее миллионной части метра, а мельчайшие молекулы ДНК в виде двойной спирали полностью содержат в себе генетическое наследие человеческого организма.

Этот факт очевиден настолько же, как и то, что мы напрямую зависим от энергии Солнца.

Но что насчёт более обширных масштабов? Даже ближайшие из звёзд находятся в миллионы раз дальше от нас, чем Солнце, а известный космос простирается и вовсе на необъятные расстояния.

Можем ли мы понять, почему так велики расстояния за пределами нашей солнечной системы? В этой книге я опишу несколько способов, которыми мы связаны с звездами, утверждаю, что мы не можем понять наше происхождение без космической связи.

Хорошо знакомые связи между "внутренними пространствами" внутриатомного мира и "внешнее пространство" космоса изображены на Рисунке 1 - Ураборус, описанного в энциклопедии Британика как "символический змей древнего Египта и Греции, изображенный с своим хвостом у себя же во рту, непрерывно пожирающего самого себя и возрождающегося самим собой "...

Рисунок 1. Уроборос.

Существует связь между микромиром частиц, ядрами и атомами (слева) и космосом (справа)

[Это] выражает единство всех вещей, материальных и духовных, которые никогда не исчезают, но постоянно изменяют форму в вечном цикле разрушения и воссоздания’.

Слева на рисунке изображены атомы и субатомные частицы - это "квантовый мир".

Справа изображены планеты, звезды и галактики.

В этой книге будут выделены некоторые поразительные взаимосвязи между микромасштабами слева и макромиром справа.

Наш повседневный мир обусловлен атомами и тем, как они объединены в молекулы, минералы, живые клетки.

Характер свечения звёзд зависит
от состава ядра этих атомов.

Галактики способны сохранять целостность за счёт гравитационных сил несметного скопления внутриядерных частиц.

Символизируя 'увлекаемый' вверх, окончательный синтез, который все еще ускользает от нас — между космосом и квантом.

Длины охватывают шестьдесят степеней из десяти, изображенных в Уроборосе.

Такой огромный диапазон является на самом деле предпосылкой для «интересной» Вселенной.

Вселенная, которая не связана с большими числами никогда не может развить сложную иерархию структур: была бы скучной и конечно же, не пригодной для жизни.

А также должны быть длинные временные промежутки.

Процессы в атоме могут занять одну миллионную одной миллиардной секунды для своего завершения; в центральном ядре каждого атома события происходят еще быстрее.

Сложнейший процесс превращения эмбриона в кровь, кости и плоть включает в себя последовательность деления клеток в сочетании с их дифференциацией, всякий раз это сопровождается тысячами замысловато организованных перегруппировок и тиражирования молекул, и эта жизнедеятельность не прекращается, пока мы едим и дышим.

И наша жизнь - всего лишь поколение в эволюции человека, эпизод, это только один шаг в проявлении всеобщей жизни.

Огромные временные интервалы, вовлеченные в эволюцию, предлагают новый взгляд на вопрос, ‘Почему наша вселенная настолько большая? ’ Появление человеческой жизни здесь на Земле заняло 4.5 миллиарда лет.

Даже прежде, чем наше Солнце и ее планеты смогли сформироваться, более ранние звезды, должно быть, преобразовали древний водород в углерод, кислород и другие атомы периодической таблицы.

На это ушло примерно 10 миллиардов лет.

Размеры наблюдаемой части Вселенной, по грубой оценке, соответствуют расстоянию, пройденному светом со времени Большого взрыва, поэтому ныне видимая Вселенная должна составлять в поперечнике около 10 миллиардов световых лет.

Такой вывод озадачивает.

Сам огромный размер нашей Вселенной, который на первый взгляд, подчёркивает нашу незначительность в космической модели мира, на самом деле, обусловлен фактом нашего существования! Это не к тому, что вселенная меньших размеров невозможна, просто мы в такой не смогли бы существовать.

Протяженность космического пространства - не какая-то произвольная избыточность. Это следствие длительной цепи событий, простирающихся во времена до образования Солнечной системы, которое предшествовало нашему появлению.

Это может показаться отступлением в сторону древнего антропоцентрического мировоззрения, которое рассыпалось после открытия Коперником, что Земля движется вокруг Солнца, а не наоборот.

Но нам не следует абсолютизировать принцип смирения Коперника (иногда именуемый "принципом посредственности").

Подобным нам существам для развития требуются особые условия, поэтому наше мировоззрение и склонно, в некотором смысле, быть нетипичным.

Обширность нашей вселенной не должна нас удивлять, хотя мы могли бы поискать и более глубокое объяснение её характерным свойствам.

Значение константы N и почему она столь велика.

Гравитация, несмотря на свою важность для нас, среды нашего обитания и для космоса, на самом деле, удивительно слабо выражена, по сравнению с силами, действующими на атом.

Электрические заряды противоположного знака взаимно притягиваются: атом водорода состоит из положительно заряженного протона, а на орбите вокруг него обращается один (отрицательно заряженный) электрон.

По законам Ньютона два протона должны взаимно притягиваться силой гравитации, и в то же время, под действием электрической силы они должны взаимно отталкиваться.

Но эти силы одинаковым образом зависят от расстояния (обе подчиняются закону обратной пропорциональности квадрату расстояния), и поэтому относительная сила их взаимодействия измеряется важным числом N, которое столь же безотносительно к тому, насколько пространственно разделены эти протоны.

Когда два атома водорода объединены в молекулу, электрическая сила взаимодействия протонов нейтрализована двумя электронами.

Сила гравитационного притяжения между протонами на 36 порядков слабее электрических сил и неизмеримо мала.

Гравитацию благополучно могут игнорировать химики - при изучении того, как группы атомов объединяются в молекулы.

Как же, тогда, сила тяжести может, тем не менее, быть доминирующей, прижав нас к земле и удерживая луну и планеты на их орбитах?

Это потому что сила тяжести всегда притяжение: если вы удваиваете массу, то вы удваиваете гравитацию, которую она проявляет.

С другой стороны, электрические заряды могут отталкивать друг друга так же как и притягивать; они могут быть или положительными или отрицательными.

Два заряда только удваивают эту силу, если они имеют одинаковый 'знак'.

Но любой повседневный объект состоит из огромного числа атомов (каждый состоящий из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательными электронами), и положительные и отрицательные заряды почти точно уравновешиваются.

Даже когда мы "под кайфом", так что наши волосы встают дыбом, дисбаланс составляет менее одного заряда на миллиард миллиардов.

Но все это имеет один и тот же знак гравитационного 'заряда', и поэтому, сила тяжести 'весомее' относительно электрических сил в больших объектах.

Баланс электрических сил лишь слегка нарушается, когда твердое тело сжимается или растягивается.

Яблоко падает только тогда, когда объединенная гравитация всех атомов земли может победить электрические силы в стебле, удерживающие его на дереве.

Гравитация очень важна для нас, поскольку мы живем на тяжелой земле.

Мы можем выразить это количественно.

В Главе 1, мы предусмотрели ряд рисунков, каждый рассматривался один к десяти к предыдущему.

Представьте теперь множество разного размера сфер, содержащих соответственно 10, 100, 1000, ... атомов, другими словами, каждая в десять раз тяжелее, чем предыдущая.

Восемнадцатая из них будет размером с песчинку, в 29 раз меньше человека, в 40 раз - астероида среднего размера.

Для каждого тысячекратного увеличения по массе объем также растет в 1000 раз (если сферы равной плотности), но радиус увеличится лишь вдесятеро.

Значимость собственной гравитации сферы, измеряется тем, сколько энергии требуется для удаления атома из его гравитационного притяжения и зависит от массы деленной на радиус, и так увеличивается на сотню.

Гравитация начинается на атомном масштабе с форой силы тридцать шесть к десяти, но она прибавляет силы дважды по десять (другими словами 100) на каждые три силы (факторы 1000) в массе.

Таким образом, сила тяжести нагонит для пятьдесят четвертого объекта (54 = 36 × 3/2) массу, которую имеет Юпитер.

В любой еще более тяжелой глыбе, более массивной, чем Юпитер, сила тяжести так сильна, что это сокрушает силы, которые скрепляют твердые частицы.

Песчинки и куски сахара страдают, как и мы, от гравитации массивной земли.

Но их собственная гравитация — гравитационное притяжение, которое их атомы оказывают друг на друга, а не на всей Земле ничтожно мала.

Собственная гравитация не важна на астероидах, ни на двух маленьких лунах Марса формы картофеля, Фобосе и Деймосе.

Но объекты размером с планету (даже такую, как наша Луна) недостаточно устойчивы, чтобы сохранять неправильную форму: гравитация делает их примерно круглыми.

А массы вещества, большие, чем у Юпитера, сдавливаются собственной гравитацией до чрезвычайно высокой плотности (если только центр не разогрет настолько, чтобы создавать компенсирующее давление, что и имеет место в случае Солнца и подобных ему звёзд).

Именно из-за столь слабой гравитации типичные звезды вроде Солнца столь массивны.

В любой меньшей совокупности сила гравитация не могла бы конкурировать с давлением чтобы сжать достаточно плотную и горячую материю и заставить ее сиять.

Солнце приблизительно в тысячу раз более массивна, чем Юпитер.

Если бы оно было холодное, сила тяжести сжала бы ее в миллион раз, в более плотное, чем обычное тело: это был бы ‘белый карлик’ размером с Землю, но в 330,000 раз более массивный.

Но ядро Солнца на самом деле имеет температуру в пятнадцать миллионов градусов, в тысячи раз горячее, чем ее светящаяся поверхность, и давление этого очень горячего газа "надувает" Солнце и держит его в равновесии.

Английский астрофизик Артур Эддингтон был среди первых, кто понял физическую природу звезд.

Он размышлял о том, что мы могли бы узнать о них просто теоретизируя, если бы жили на планете постоянно покрытой облаками.

Мы бы, конечно, не могли, догадаться, сколько существует звезд, но простыми рассуждениями по аналогии, которые я только что изложил можно предположить какими большими они должны быть и не слишком сильно расширяя этот аргумент, как ярко такие объекты могут сиять.

Эддингтон пришел к выводу, что: ‘Когда мы отведем завесу облаков под которыми работал наш физик, и позволим ему посмотреть на небо, там он найдет тысячу миллионов земных шаров газа, почти все с [этими] массами.’

Гравитация слабее чем силы, управляющие микромиром на число N, равное приблизительно 1036.

Что произошло бы, если бы она не была столь слаба? Вообразите, например, вселенную, где гравитация была бы 'только' в 1030, а не 1036 раз более слабая, чем электрические силы.

Атомы и молекулы вели бы себя так же, как в нашей реальной вселенной, но объекты не должны будут быть столь большими чем прежде, сила тяжести стала бы конкурентоспособной с другими силами.

Количество атомов необходимых для формирования звезды (гравитационно-связанного термоядерного реактора) будет в миллиард раз меньше в этой предполагаемой вселенной.

Масса планеты будет также уменьшена на миллиард.

Безотносительно того, могли бы ли эти планеты сохранять постоянную орбиту, гравитационные силы затормозили бы на них эволюционные возможности.

В воображаемом мире сильной гравитации даже насекомым понадобились бы толстые ноги для поддержки тела, и никакие животные не могли бы иметь существенно больших размеров.

Гравитация раздавила бы все, не превосходящее размера человека.

В такой вселенной галактики бы формировались намного быстрее, но были миниатюрнее.

Вместо широко разбросанных звезд, они были бы так плотно упакованы, что близкие столкновения стали бы частыми.

Это само по себе исключает стабильные планетарные системы, потому что орбиты будут нарушены проходящими звездами, что (к счастью для нашей Земли), вряд ли произойдет в нашей собственной Солнечной системе.

Препятствовать возникновению сложной экосистемы будет ограниченное время для ее развития.

Тепло будет быстрее утекать из этих мини звезд: в этом гипотетическом мире сильной гравитации жизни звезд будут короче в миллион раз.

Вместо того чтобы жить десять миллиардов лет, типичная звезда жила бы около 10 000 лет.

Минисолнце сгорело бы быстрее и исчерпало свою энергию прежде чем даже первые шаги в органическом развитии были сделаны.

Условий для сложного развития несомненно были бы менее благоприятными, если бы (оставив все остальное без изменений) сила тяжести была бы сильнее.

В такой вселенной не будет такой огромной пропасти, существующей в нашей реальной Вселенной между огромными промежутками астрономических процессов и основных микрофизических сроков для физических или химических реакций.

Однако, с другой стороны, еще более слабая гравитация может позволить развиваться даже более сложным и долгоживущим структурам.

Гравитация является организующей силой в космосе. ..

[Она] является решающей, позволяя структуре разворачиваться со времени Большого взрыва, которая изначально был почти равномерной.

Но именно и только потому, что она слаба по сравнению с другими силами, большие и долговечные структуры могут существовать.

Как это ни парадоксально, чем более слабая гравитация (при условии, что она не нулевая), тем более великими и более сложными могут быть последствия этого.

У нас нет теории, которая говорит нам о значении N.

Все, что мы знаем так это то, что нечто столь сложное, подобное человечеству, может появится если N было гораздо менее, чем 1,000,000,000,000,000,000,000, 000,000,000,000,000.

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/35417/125497

Переводчики: Irina73, Alex_ander, umcdwarf, lenaPetrosyan

Anjelika9, cosinus