Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени
Затем я приглашаю добровольца из зала, измеряю его в стоячем положении и записываю число на доске – скажем, 185,2 см, конечно же, плюс-минус миллиметр с учетом погрешности. Потом помогаю парню улечься на мой стол, оснащенный специальным измерительным прибором, похожим на гигантскую деревянную мерку, которой пользуются обувщики; только я измеряю не ступню, а все тело. Попутно я отпускаю разные шуточки по поводу того, удобно ли добровольцу, шумно благодарю его за то, что он пошел на такую жертву ради науки, и так далее, в результате чего ему становится немного не по себе. Его мучает вопрос, что же я задумал? Я плотно прижимаю треугольный деревянный брусок к макушке парня, лежащего на столе, и пишу на доске второе число. Таким образом, у нас теперь есть два результата измерения, каждое с погрешностью в 1 мм. Итак, что же мы имеем?
Вы наверняка немало удивитесь, услышав, что полученные значения отличаются друг от друга примерно на 2,5 сантиметра, конечно, плюс-минус еще 2 миллиметра. Мне приходится сделать вывод, что мой подопечный действительно как минимум на 2,3 сантиметра выше в лежачем положении, чем в стоячем. Я возвращаюсь к лежащему на столе студенту, объявляю ему, что лежа он примерно на два с половиной сантиметра выше, чем стоя, и – это моя любимая часть – громко провозглашаю: «Моя бабушка была права! Она всегда оказывалась права!»
Вы по-прежнему настроены скептически? Что ж, получается, моя бабушка была проницательнее вас? Когда мы стоим, сила земного тяготения сдавливает мягкие ткани между позвонками нашего позвоночника, а когда ложимся, позвоночник расправляется. Если об этом знаешь, ситуация кажется очевидной, но многие ли об этом задумываются? На самом деле этот эффект не учли даже ученые из НАСА при подготовке первых полетов человека в космос. Астронавты жаловались, что их скафандры в космосе становились слишком тесными. Специальные исследования, проведенные позже, уже во время миссии Скайлэб, показали, что из шести измеренных астронавтов все шестеро в состоянии невесомости оказались примерно на 3 процента выше – при росте 182 сантиметра на 5,8 сантиметра. Теперь скафандры делают немного больше, с учетом этой особенности.
Ну что, убедились, насколько важны точные измерения? На той же лекции, на которой я доказываю правоту своей бабушки, я еще измеряю весьма странные объекты, чтобы проверить предположение великого Галилео Галилея, отца современной естественной науки и астрономии, который когда-то задался вопросом: «Почему самые крупные млекопитающие именно такого размера, а не намного больше?», от чего получаю море удовольствия. Сам Галилей полагал, что чересчур крупное млекопитающее было бы слишком тяжелым и его кости не выдержали бы веса и сломались. Когда я об этом прочитал, меня чрезвычайно заинтересовало, прав ли великий ученый. На интуитивном уровне его ответ казался верным, но я все же захотел проверить.
Я знал, что у млекопитающих львиная доля веса приходится на бедренные кости, и решил провести сравнительные замеры бедренных костей разных животных. Если Галилей прав, то бедренные кости супертяжелых млекопитающих будут недостаточно крепкими для поддержания их огромного веса. Конечно, я понимал, что крепость бедренной кости животного зависит от ее толщины. Более толстые кости могут поддерживать больший вес – это понятно на интуитивном уровне. Чем крупнее животное, тем толще должны быть кости.
Кроме того, очевидно, что чем больше размеры животного, тем длиннее его бедренная кость. Я понял, что смогу проверить идею Галилея, сравнивая длину и толщину бедренных костей млекопитающих разного размера и, соответственно, разного веса. На основании произведенных мной расчетов, которые слишком сложны, чтобы детально их здесь описывать (описание представлено в Приложении I), я пришел к выводу, что если Галилей прав, то толщина бедренных костей млекопитающих по мере увеличения их размеров должна расти быстрее, чем их длина. Я, например, подсчитал, что если одно животное в пять раз больше другого – и, соответственно, его бедренная кость в пять раз длиннее, – то эта кость должна быть примерно в одиннадцать раз толще.
А это означало бы, что в какой-то момент толщина бедренных костей сравнялась бы с их длиной, а то и превысила бы ее, что закономерно сделало бы тело млекопитающего непропорциональным и слишком неуклюжим. Такое животное, конечно же, не имело бы шансов на выживание, чем, скорее всего, и объясняется ограничение максимального размера существующих млекопитающих.
Словом, мое предположение, что толщина кости должна увеличиваться быстрее ее длины. Тут-то и началось самое интересное.
Я отправился в Гарвардский университет, где хранится прекрасная коллекция костей животных, и попросил показать мне бедренную кость енота и лошади. Оказывается, лошадь примерно в четыре раза больше енота, и, соответственно, ее бедренная кость (42,0 ± 0,5 см) почти в три с половиной раза больше кости енота (12,4 ± 0,3 см). Пока все шло как надо. Подставив эти числа в свою формулу, я рассчитал, что бедренная кость лошади должна быть примерно в шесть раз толще кости енота. Я измерил толщину костей (с погрешностью около 0,5 сантиметра для енота и 2 сантиметра для лошади) и выяснил, что лошадиная кость в пять раз толще, плюс-минус около 10 процентов. Пока все говорило в пользу теории Галилео Галилея. Однако я решил расширить тест, включив в него более мелких и более крупных млекопитающих.
Я опять отправился в Гарвард, где мне показали еще три кости: антилопы, опоссума и мыши. Вот как они выглядели (плюс кость лошади):
Ну разве это не прекрасно? Форма костей изменяется на удивление пропорционально; вы только поглядите, какая тоненькая и крошечная бедренная кость мыши! Малюсенькая и тонюсенькая бедренная косточка для малюсенькой мышки. Разве это не замечательно? Никогда не перестану поражаться красоте каждой детали матушки-природы.
Но как насчет результатов измерений, как они вписываются в мое уравнение? Произведенные расчеты повергли меня в шок, настоящий шок. Бедренная кость лошади оказалась примерно в 40 раз длиннее кости мыши и, согласно моим расчетам, в этом случае должна была быть более чем в 250 раз толще. А она была толще всего примерно в 70 раз.
И тут меня осенило: «А почему бы не попросить у них бедренную кость слона? Это помогло бы окончательно решить вопрос». Думаю, ребята в Гарварде были несколько раздражены, когда я явился к ним снова, но все же любезно выдали мне бедренную кость слона. К тому времени, я уверен, они просто хотели поскорее от меня избавиться! Поверьте, кость слона было очень трудно нести; она была длиннющая и, похоже, весила целую тонну. Я не мог дождаться момента, когда ее измерю, и не спал всю ночь.
И знаете, что я обнаружил? Бедренная кость мыши была 1,1 ± 0,05 см в длину и всего 0,7 ± 0,1 мм толщиной – действительно очень тонкая. Длина бедренной кости слона составляла 101 ± 1 см, то есть приблизительно в 100 раз длиннее кости мыши. А как насчет толщины? Измерив кость слона, я получил толщину 86 ± 4 мм, то есть примерно в 120 раз больше диаметра бедренной кости мыши. Однако, по моим расчетам, если Галилей прав, то бедренная кость слона должна была быть где-то в тысячу раз толще, чем у мыши. Иными словами, ее толщина должна составлять около 70 сантиметров. А на самом деле ее диаметр был где-то 9 сантиметров. В итоге мне пришлось признать, хоть и с крайней неохотой, что великий Галилео Галилей ошибался!
Измерение межзвездного пространства
Одной из областей физики, для которой измерения стали истинным проклятием, является астрономия. Измерения и их погрешность – огромная проблема для астрономов, в частности потому, что дело приходится иметь с мегарасстояниями. Как далеко находятся звезды от Земли? Ну, например, наша прекрасная соседка Андромеда? А как насчет галактик, которые мы можем видеть только в самые мощные телескопы? Насколько далеки от нас наиболее удаленные объекты в космосе, которые мы видим? Насколько вообще велика наша Вселенная?
Это лишь некоторые из самых фундаментальных и глубоких вопросов всего естествознания. И разные ответы на них буквально перевернули наше представление о Вселенной с ног на голову. В сущности, у такого дела, как оценка астрономических расстояний, вообще замечательная история. Через изменения в методиках расчета расстояний до звезд можно проследить эволюцию самой астрономии. И на каждом этапе полученные данные зависят от степени точности измерений, то есть используемого оборудования и изобретательности астрономов. Например, вплоть до конца XIX века единственными данными, с помощью которых астрономы могли производить расчеты, был так называемый параллакс.
Вы все сталкивались с этим явлением, хотя чаще всего и не знали об этом. Где бы вы сейчас ни сидели, оглянитесь вокруг и найдите участок стены с каким-то элементом: дверным проемом или висящей картиной. А если вы находитесь на улице, то какой-нибудь заметный элемент ландшафта, например большое дерево. Теперь вытяните прямо перед собой руку и поднимите один из пальцев так, чтобы он оказался с той или другой стороны от выбранного вами объекта. Теперь зажмурьте сначала правый глаз, а затем левый. Вы увидите, как ваш палец перепрыгнет слева направо по отношению к дверному проему или дереву. Теперь переместите палец ближе к глазам и проделайте все снова. Ваш палец сместится еще сильнее. Эффект огромен! Это и есть параллакс.
