Нил Тайсон - Добро пожаловать во Вселенную

Нил Деграсс Тайсон

Майкл Стросс

Джон Ричард Готт

Издательство АСТ

Москва

УДК 524.8

ББК 22.68

Т14

Оригинальное издание:

WELCOME TO THE UNIVERSE:

THE PROBLEM BOOK

by Neil deGrasse Tyson, Michael Strauss, J. Richard Gott Печатается с разрешения издательства Princeton University Press при содействии литературного агентства Synopsis.

Все права защищены. Ни одна часть этой книги не может быть воспроизведена и не может распространяться в любой форме и любыми средствами, электронными или механическими, включая изготовление фотокопий, создание аудиозаписей или хранение в системе обмена данными, без письменного разрешения издательства.

Тайсон, Нил Деграсс.

Т14

Добро пожаловать во Вселенную / Н. Д. Тайсон, М. А. Стросс, Дж. Р. Готт; перевод с английского А. М. Бродоцкой; под ред. канд. физ. — мат. наук А. М. Красильщикова. —

Москва: Издательство АСТ, 2020. — 384 с. — ( Удивительная Вселенная ).

ISBN 978-5-17-117980-9

Предвестником этой книги был вводный курс астрономии для гуманитариев, прочитанный Нилом

Деграссом Тайсоном, Майклом Строссом и Ричардом Готтом в Принстоне. Здесь рассмотрены более

100 задач, и этого количества, по мнению авторов, как раз должно хватить, чтобы научиться думать как астрофизик.

В игривой манере авторы демонстрируют, что нам доступно более глубокое понимание свойств бесконечно большого и бесконечно малого, более осмысленный диалог с космосом, причем для этого довольно университетских знаний по алгебре. Авторы предлагают решить физические проблемы микроорганизмов на Европе, сталкивающихся черных дыр, расширяющегося космоса и даже двумерной машины времени ТАРДИС. Не стоит терзать себя вопросами о том, достанет ли вам смекалки, потому что авторы уже позаботились об этом: они снабдили каждую задачу подробным объяснением и привели решение для нее. Курс космической науки для новичков, проверенный временем!

УДК 524.8

ББК 22.68

© 2017 by Neil deGrasse Tyson, Michael A.

Strauss, and J. Richard Gott

© Оформление, перевод на русский язык.

ISBN 978-5-17-117980-9

ООО «Издательство АСТ», 2020

Предисловие

Наша книга «Добро пожаловать во Вселенную» основана на вводном обзорном курсе по астрофизике, которые мы с Нилом

Деграссом Тайсоном и Ричардом Готтом вот уже много лет совместно ведем в Принстонском университете. Этот курс предназначен для студентов, чья основная специальность не относится к области точных или естественных наук, но мы все же решили не отказываться от вычислений. Чтобы понять, откуда мы знаем, что Большой взрыв произошел

14 миллиардов лет назад, а щепотка вещества белого карлика весит как пять слонов, вполне достаточно математики на уровне алгебры, которую проходят в старших классах, и представления об основных законах физики.

Наша цель — не просто рассказать студентам о чудесах Вселенной, но и дать инструменты, с помощью которых они поймут, откуда мы все это знаем. Мы хотим научить студентов применять вычисления и физические рассуждения в повседневной жизни и понимать, что лежит в основе самых что ни на есть реальных вопросов, с которыми сталкиваемся все мы как жители планеты.

Формулы математики, физики и, конечно, астрономии дают возможность заметить связи между понятиями, которые прежде, возможно, казались нам совершенно не связанными. Ньютоновский закон всемирного тяготения связывает силу, действующую на падающий карандаш, с массой и радиусом

Земли. Планковский закон излучения дает соотношение между температурой звезды, ее размером и ее светимостью. А знаменитая формула Эйнштейна

E = mc 2 учит нас, что энергия E и масса m тесно связаны и что в фундаментальном смысле это две стороны одного явления под названием «энергия-масса».

5

Предисловие

«Добро пожаловать во Вселенную» не задумывалась как учебник: мы рассчитывали, что вы будете читать ее как любую развлекательную книгу, разве что запасетесь блокнотом, чтобы следить за ходом нашей мысли при некоторых расчетах. Однако этой книгой можно пользоваться и в учебной аудитории, вероятно, в дополнение к более традиционному учебнику. Кроме того, она идеальна для использования в ситуациях, когда студенты смотрят лекционные курсы в видеозаписях, а преподаватель ведет только семинарские занятия, где решают задачи. Поэтому мы и составили этот задачник, чтобы вы, и студент, и преподаватель, могли непосредственно познакомиться с количественными и качественными сторонами предмета. Почти все приведенные задачи применяются и в нашем курсе, и в других курсах того же уровня, которые нам случалось вести. У них разная степень сложности — от совсем простых до трудных — но все они не требуют знаний математики выше школьной алгебры.

Эти задачи — не просто упражнения по применению астрономических формул: их цель — привести к пониманию конкретных астрофизических проблем. Мы надеемся, что в процессе решения этих задач вы не только уверенно овладеете вычислительными приемами из нашей области науки, но также обретете свою «эврику»: ведь вы получите возможность самостоятельно вычислить темп расширения Вселенной на основе данных наблюдений или повторить расчеты астрономов, когда те впервые зарегистрировали нейтрино от сверхновой, находящейся на расстоянии в 150 000 световых лет.

В конце книги мы поместили решения всех задач. Мы настоятельно советуем сначала попытаться самостоятельно решить задачу и лишь затем подглядывать в решение. Однако вы увидите, что в решениях довольно много методических подробностей и зачастую приводятся дополнительные соображения и материал, выходящий за рамки первоначальной задачи. Даже если вы сможете решить задачу самостоятельно, чтение решения, скорее всего, подарит вам новые знания. Разумеется, самый простой и увлекательный способ чтения — читать задачу вместе с решением, чтобы сразу видеть и ответы, и методы решения.

6

Предисловие

Многие задачи вполне можно использовать и в учебной аудитории или как основу для похожих задач, которые учитель или преподаватель вуза составит сам. У нас есть склонность к сериям задач, которые опираются друг на друга, но их вполне можно упростить на усмотрение преподавателя. Основные понятия в этих задачах иногда повторяются. Например, у нас много задач на исследование диапазона плотностей во Вселенной, от предельной плотности черных дыр, определяемой нашим недостаточным пониманием квантовой гравитации (да-да, и это тоже можно рассчитать при помощи школьной алгебры), до крайне низкой плотности Вселенной в целом. Мы просим наших студентов не просто подставлять числа в формулу, но и разъяснять решения задач, заданных на дом, как можно подробнее