Физика невозможного

Роберт Зиммерман, автор книги «Покидая Землю»

Марша Братусяк, автор книги «Неоконченная симфония Эйнштейна»

Майкл Саламон, программа «После Эйнштейна» NASA Джефф Андерсен, Академия ВВС США, автор книги «Телескоп»

Я также хотел бы поблагодарить моего агента Стюарта Кричевски, который помогал мне в течение всех этих лет и за­нимался всеми моими книгами, а также редактора Роджера Шолла, чьи твердая рука, здравые суждения и редакторский опыт направляли многие мои книги. Я бы также хотел поблаго­дарить моих коллег из нью-йоркского Сити-Колледжа и аспи­рантуры Городского университета Нью-Йорка, в особенности В.П. Наира и Дэна Гринбергера, которые любезно нашли время для дискуссий.

Часть I.

Невозможности I класса.

1. Защитное силовое поле

I. Если заслуженный, но пожилой ученый утверждает, что некое явление возможно, он наверняка прав. Если он утверждает, что некое явление невозможно, он, весьма вероятно, ошибается.

II. Единственный способ определить пределы возможного - это набраться смелости и проникнуть на ту строну, в невозможное.

III. Любая достаточно развитая технология неотличима от волшебства.

Три закона Артура Кларка  

«Поднять щиты!» — так звучит первый приказ, который в бес­конечном сериале «Звездный путь» отдает резким голосом ка­питан Кирк своему экипажу; послушный приказу экипаж вклю­чает силовые поля, призванные защитить космический корабль «Энтерпрайз» от огня противника.

В сюжете «Звездного пути» силовые поля настолько важ­ны, что их состояние вполне может определить исход сра­жения. Стоит энергии силового поля истощиться, и корпус «Энтерпрайза» начинает получать удары, чем дальше, тем со­крушительнее; в конце концов поражение становится неиз­бежным.

Так что же такое защитное силовое поле? В научной фан­тастике это обманчиво простая штука: тонкий невидимый, но при этом непроницаемый барьер, способный одинаково легко отражать лазерные лучи и ракеты. На первый взгляд силовое поле представляется настолько простым, что создание — и скорое — боевых щитов на его основе кажется неминуемым. Так и ждешь, что не сегодня-завтра какой-нибудь предприимчивый изобретатель объявит, что ему удалось получить защитное си­ловое поле. Но истина гораздо сложнее.

Подобно лампочке Эдисона, которая коренным образом изменила современную цивилизацию, силовое поле способно глубоко затронуть все без исключения стороны нашей жизни. Военные воспользовались бы силовым полем, чтобы стать не­уязвимыми, создали бы на его основе непроницаемый щит от вражеских ракет и пуль. В теории можно было бы создавать мосты, великолепные шоссе и дороги одним нажатием кнопки. Целые города возникали бы в пустыне словно по мановению волшебной палочки; все в них, вплоть до небоскребов, строи­лось бы исключительно из силовых полей. Купола силовых по­лей над городами позволили бы их обитателям произвольно управлять погодными явлениями — штормовыми ветрами, снежными бурями, торнадо. Под надежным пологом силово­го поля можно было бы строить города даже на дне океанов. От стекла, стали и бетона можно было бы вообще отказаться, заменив все строительные материалы силовыми полями.

Но, как ни странно, силовое поле оказывается одним из тех явлений, которые чрезвычайно сложно воспроизвести в ла­боратории. Некоторые физики даже полагают, что это вообще не удастся сделать без изменения его свойств.

Концепция физического поля берет начало в работах великого британского ученого XIX в. Майкла Фарадея.

Родители Фарадея принадлежали к рабочему классу (его отец был кузнецом). Сам он в начале 1800-х гг. состоял в подмастерьях у переплетчика и влачил достаточно жалкое существование. Но юный Фарадей был зачарован недавним гигантским прорывом в науке — открытием таинственных свойств двух новых сил, электричества и магнетизма. Он жадно поглощал всю доступную ему информацию по этим вопросам и посещал лекции профессора Хамфри Дэви из Королевского ин­ститута в Лондоне.

Однажды профессор Дэви серьезно повредил глаза во время неудачного химического эксперимента; понадобился секретарь, и он взял на эту должность Фарадея. Постепенно молодой человек завоевал доверие ученых Королевского института и получил воз­можность проводить собственные важные эксперименты, хотя нередко ему приходилось терпеть и пренебрежительное отноше­ние. С годами профессор Дэви все ревнивее относился к успехам своего талантливого молодого помощника, который поначалу считался в кругах экспериментаторов восходящей звездой, а со временем затмил славу самого Дэви. Только после смерти Дэви в 1829 г. Фарадей получил научную свободу и осуществил целую серию поразительных открытий. Результатом их стало создание электрических генераторов, обеспечивших энергией целые горо­да и изменивших ход мировой цивилизации.

Ключом к величайшим открытиям Фарадея стали сило­вые, или физические, поля. Если поместить железные опилки над магнитом и встряхнуть, выяснится, что опилки укладыва­ются в рисунок, напоминающий паутину и занимающий все пространство вокруг магнита. «Нити паутины» — это и есть фарадеевы силовые линии. Они наглядно показывают, как рас­пределяются в пространстве электрическое и магнитное поля. К примеру, если изобразить графически магнитное поле Земли, то обнаружится, что линии исходят откуда-то из области Север­ного полюса, а затем возвращаются и снова уходят в землю в области Южного полюса. Аналогично, если изобразить сило­вые линии электрического поля молнии во время грозы, выяс­нится, что они сходятся на кончике молнии.

Пустое пространство для Фарадея вовсе не было пустым; оно было заполнено силовыми линиями, при помощи кото­рых можно было заставить отдаленные предметы двигаться.

(Бедная юность не позволила Фарадею получить систематиче­ское образование, и он практически не разбирался в математи­ке; вследствие этого его записные книжки были заполнены не уравнениями и формулами, а нарисованными от руки диаграм­мами силовых линий. По иронии судьбы именно недостаток математического образования заставил его разработать вели­колепные диаграммы силовых линий, которые сегодня можно увидеть в любом учебнике физики. Физическая картина в науке нередко более важна, чем математический аппарат, который используется для ее описания.)

Историки выдвинули немало предположений о том, что именно привело Фарадея к открытию физических полей — одного из важнейших понятий в истории всей мировой науки. Фактически вся без исключения современная физика написа­на на языке фарадеевых полей. В 1831 г. Фарадей совершил ключевое открытие в области физических полей, навсегда из­менившее нашу цивилизацию. Однажды, пронося магнит — детскую игрушку — над проволочной рамкой, он заметил, что в рамке возникает электрический ток, хотя магнит с ней не соприкасается. Это означало, что невидимое поле магнита способно на расстоянии заставить электроны двигаться, соз­давая ток.

Силовые поля Фарадея, которые до этого момента счита­лись бесполезными картинками, плодом досужей фантазии, оказались реальной материальной силой, способной двигать объекты и генерировать энергию. Сегодня можно сказать на­верняка: источник света, которым вы пользуетесь, чтобы про­честь эту страницу, получает энергию благодаря открытиям Фарадея в области электромагнетизма. Вращающийся магнит создает поле, которое толкает электроны в проводнике и за­ставляет их двигаться, рождая электрический ток, который за­тем можно использовать для питания лампочки. На этом прин­ципе основаны генераторы электричества, обеспечивающие энергией города всего мира. К примеру, поток воды, падающий с плотины, заставляет вращаться гигантский магнит в турбине; магнит толкает электроны в проводе, формируя электрический ток; ток, в свою очередь, течет по высоковольтным проводам в наши дома.

Другими словами, силовые поля Майкла Фарадея и есть те самые силы, что движут современной цивилизацией, всеми ее проявлениями — от электровозов до новейших вычислитель­ных систем, Интернета и карманных компьютеров.