Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Информация от издательства

Научный редактор Азат Гизатуллин

Издано с разрешения Bloomsbury Publishers PLC и литературного агентства Andrew Nurnberg

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

© Chris Woodford, 2015

© Перевод, издание на русском языке, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2017

* * *

Введение

Как вы считаете, много ли у вас общего с великим ученым Альбертом Эйнштейном – родившимся в Германии гением, автором идей, достойных Флэша Гордона[1], среди которых – атомная бомба и солнечная энергия? Скорее всего, вы с ходу ответите: «Нет, немного». А я вас удивлю. Ваша ДНК на 99,9 % совпадает с ДНК Эйнштейна (а еще на 90 % с ДНК шимпанзе и на 50 % с ДНК банана, но эти не слишком приятные подробности можно не учитывать). Вы ненавидели школу? Эйнштейн тоже. Он был очень способным учеником, но бросил школу в выпускном классе – правда, через год продолжил обучение в техническом училище. Вы проваливались на важных экзаменах? И Эйнштейн провалился на вступительных экзаменах в Цюрихский политехнический институт, хотя проявлял блестящие таланты в математике и физике. Он снова вынужден был отложить обучение. Вам было трудно получить желанную работу? Эйнштейн бы вам посочувствовал: по окончании института он безуспешно отправлял заявления на разные преподавательские и научные должности, даже хотел стать страховым агентом, чтобы содержать семью, и в конце концов получил скучнейшую работу в патентном бюро. Один из самых выдающихся и неординарных ученых XX века во многом был таким же неудачником, как и мы с вами[2].

Мы восхищаемся Эйнштейном не потому, что он безмерно талантлив, а потому, что он гений с присущими человеку недостатками. Он был достаточно умен, чтобы знать всё , и в то же время достаточно мудр для того, чтобы не знать ничего. Благодаря его неровным и рваным каракулям на доске человек проник в миры материи, энергии, света и гравитации – узнал фундаментальные научные концепции, которые стали частью удивительной теории относительности, показавшей эластичность времени и пространства. При этом Эйнштейн понял, что наука – это, по существу, просто другой взгляд на мир, а научные идеи, оторванные от радостей и горестей повседневной жизни, мало что значат для большинства из нас. «Сила притяжения, – мудро сказал он однажды, – никак не связана с тем, что нас притягивает к себе любовь».

Наука была для Эйнштейна всей жизнью. Но она, скорее всего, не стала таковой для вас. Вы можете прожить и три, и десять лет, ни разу не задумавшись о ней. Но вы не проживете и долю секунды без использования науки. Она обеспечивает появление новых технологий – от интернета до теплосберегающих окон, от сканирования мозга до ультразвукового исследования плода, – которые делают нашу жизнь всё более осмысленной и совершенной. Бытовые явления часто ставят нас в тупик, хотя каждый из нас много лет изучал разные науки в школе. Последние опросы показывают, что 80–90 % респондентов «испытывают к науке интерес» и признают ее важность. При этом 30–60 % считают современную науку слишком узкоспециализированной и непонятной, а две трети 14-летних подростков – «неинтересной». Мы путаем понятия озонового слоя и глобальных климатических изменений. Мы думаем, что атомная энергия гораздо более опасна, чем переход через улицу. 70 % из нас полагают, что СМИ раздувают из науки сенсацию на ровном месте, но 86 % людей черпают информацию о ее развитии как раз из этих ненадежных источников[3].

Цель этой книги как раз в том, чтобы помочь читателю правильно понять окружающий мир, объяснив научные явления в жизни интересным и доступным языком. Пропутешествовав с ней по своему дому, вы найдете удивительные и увлекательные научные объяснения тому, с чем вы сталкиваетесь каждый день: от булькающих труб и скрипящих полов до заварного крема и блестящих ботинок.

Сделаю важную оговорку. Эта книга – не для ученых, поэтому я использовал минимум детальных пояснений, формул и чертежей. По возможности я избегал математики. Вы найдете в тексте много ссылок на пояснения в разделе «Примечания».

Почему упасть с переносной лестницы так же опасно, как попасть в зубы крокодила? Как лучше строить небоскребы – как желеобразные подвижные структуры или как пирамиду из шоколадного печенья? Сколько атомов нужно расщепить, чтобы зажечь электрическую лампочку? Правильно ли с научной точки зрения вы размешиваете чай? В ответах на эти вопросы нет ничего сверхсложного или озадачивающего; в конце концов, это же не ракетостроение (даже если именно ракетами вы и интересуетесь). В книге мало математики, и вам не будет слишком трудно или скучно. Чтобы понять, о чем здесь идет речь, не обязательно быть Эйнштейном.

Я тоже не Эйнштейн, но читал некоторые из его оригинальных работ и в удивлении почесывал голову над его изящными уравнениями. На мой взгляд, одна из самых глубоких и искренних его мыслей была высказана в одном простом предложении, которое может понять каждый: «Вся наука является не чем иным, как усовершенствованием повседневного мышления». О последнем и пойдет речь в этой книге. Если угодно, это наука для всех нас.

Глава 1. Прочные основания

Из этой главы вы узнаете…

Сколько весит дом – и почему он не уходит под землю.

Почему ваши коленки работают почти столько же, сколько фундамент дома.

Какой высоты могут быть здания – и почему они падают.

Почему небоскребы должны колыхаться, как желе.

Есть много дел, которые подвластны только человеку: написание романов, создание живописных портретов, молниеносное касание клавиш фортепьяно при исполнении сонат Бетховена. Но строительство не относится к уникальным человеческим дарованиям. Никто не отрицает, что архитекторы создают одни из самых заметных продуктов человеческой деятельности. Но суть их искусства – проектирование укрытий для человека, которые не может разрушить сила земного тяготения, – близко к тому, что делают и другие представители животного мира. Строительством укрытий – от снежных берлог медведя-гризли до сложных плотин, возводимых бобрами для регулирования скорости водных потоков, – занимаются почти все виды животных на Земле.

Что отличает человека от других строителей? Мы создаем небоскребы 400 м высотой и ангары для сборки гигантских ракет. Человечество гордится каменными пирамидами, которые молчаливо и величественно стоят вот уже 5000 лет. Каждый из нас хоть раз пытался построить карточный домик, который рассыпался за несколько секунд. Мы построили офисные здания, в каждом из которых 50 000 человек одновременно могут стучать по клавишам компьютера или обмениваться шутками у диспенсера с водой. И у нас есть мобильные телефоны, достаточно миниатюрные, но таящие в себе большие секреты. И всё же, несмотря на творческие хитрости и оригинальность наших архитектурных творений, которые мы так тщательно проектируем и возводим, по сути они принципиально не отличаются от убежищ, которые строят для себя животные из веток и глины. Дело в том, что все здания – это убежища; а все убежища – как человека, так и животных – имеют нечто общее: строители применяют фундаментальные научные законы, чтобы побеждать в борьбе с силой земного тяготения, ветром, землетрясениями и старением.

Надежен, как дом?

Возможно, вы не доверяете каждому встречному. Но вы почти всегда убеждены в прочности любого здания, в которое входите. Крайне редко вас посещает мысль: «А оно не развалится?» Люди внушают доверие иногда , а здания – всегда. Немногие из нас живут дольше 90 лет, но многие из существующих в мире архитектурных объектов стоят в 100 раз дольше. Мы говорим: «Надежен, как дом», – веря, что мало что на Земле может быть надежнее. В ночных кошмарах нас часто посещают видения о том, как мы куда-то падаем. Но, если вы не живете на скользком склоне горы или в особо опасной сейсмической зоне в Тихом океане, вы имеет огромный шанс проснуться – благодаря вашему замечательному дому – именно там, где вчера пожелали спокойной ночи своим близким.

Наша уверенность в прочности зданий может быть твердой, как сталь. И в ее основе лежат впечатляющие научные законы и открытия. Но внешне незыблемая природа наших домов, офисных центров и других сооружений порой весьма обманчива. За нашей уверенностью в их устойчивости стоит реальная действительность: они ведут невидимую, но постоянную войну с силами гравитации, давления ветра и сотрясений почвы. Кажущиеся устойчивыми здания пребывают в состоянии постоянно меняющегося равновесия. В большинстве случаев оно выглядит как взаимная компенсация противоположными силами друг друга. Здания никуда не двигаются (ни быстро, ни медленно), потому что силы, пытающиеся их опрокинуть, и силы, удерживающие их в одном положении, находятся в состоянии абсолютного равновесия. И на самом деле трудностей тут гораздо больше, чем нам кажется. Они проявляются внешне только в тех редких случаях, когда гигантские сооружения внезапно падают. Многие ли из нас хотя бы когда-нибудь давали себе труд, несясь на лифте в офисном конгломерате, представить себе хотя бы на секунду все миллионы тонн стали, бетона и стекла, которые нависают над нашими головами, и то, что может произойти, если они в какой-то момент свалятся на нас? Тот факт, что здания разрушаются редко, лишний раз доказывает оправданность нашей веры в науку.