Чтение онлайн

100 = 10x10 = 102

и

1000 = 10 x 10 x 10 = 103.

Деление так же просто: вычтите один показатель степени из другого. Например:

1000 / 10 = 10(3–1) = 102 = 100.

Для чисел меньше единицы показатель степени отрицательный. Отрицательный показатель степени дает то же значение, что и обратная величина соответствующего положительного показателя степени. Таким образом:

10– 2 = 1/102 = 1/100 = 0,01

и

10– 3 = 1/103 = 1/1000 = 0,001.

Используя экспоненциальную запись, мы можем записать, например, 1 миллион как 106 и 1 миллиардную как 10– 9. Это полезно в науке, где мы обычно имеем дело с очень большими и очень маленькими числами. Используя экспоненциальную запись, мы можем обсуждать количество звезд во Вселенной (их около 1022) или массу электрона (которая составляет около 10– 36 кг), не прибегая к громоздким фразам типа «тысяча миллиардов миллиардов» или «триллион триллионов триллионных».

Цель этой книги, таким образом, — представить и обсудить 75 предложенных решений вопроса Ферми. Список решений не претендует на исчерпывающий характер; скорее, я выбрал их потому, что они репрезентативны или потому, что я думаю, что они обладают какой-то особенно интересной особенностью. Решения исходят от ученых, работающих в нескольких широко разнесенных областях, а также от авторов научной фантастики; в этой теме авторы были по крайней мере так же усердны, как и академики, и во многих случаях они предвосхитили работу профессиональных ученых.

План книги следующий.

Глава 2 дает краткую биографию Ферми, сосредотачиваясь на его научных достижениях. Затем я обсуждаю понятие парадокса и представляю краткое обсуждение истории парадокса Ферми.

Главы 3–5 представляют 74 моих любимых решения парадокса. Не все из них независимы, и иногда я возвращаюсь к решению в другом обличье, но все они были серьезно предложены в качестве ответа на вопрос Ферми. Я располагаю ответы в соответствии с тремя упомянутыми выше классами. Глава 3 обсуждает 10 предложений, основанных на идее, что ВЦ находятся или находились здесь. Глава 4 обсуждает 30 ответов, основанных на идее, что ВЦ существуют, но мы еще не нашли доказательств их существования. Глава 5 обсуждает 24 решения парадокса, основанных на идее, что мы одиноки. В расположении различных обсуждений есть своя логика, но я надеюсь, что разделы достаточно автономны, чтобы позволить читателям «заглядывать» в книгу и выбирать решения, которые их особенно интересуют. В обсуждениях я стараюсь быть как можно более беспристрастным, даже если я не согласен с решением (что я часто делаю).

Глава 6 содержит 75-е Решение: мой собственный взгляд на разрешение парадокса. Это не особенно оригинальное предложение, но оно суммирует то, что, по моему мнению, парадокс Ферми может говорить нам о Вселенной, в которой мы живем.

За этим следует глава примечаний и предложений для дальнейшего чтения. Материал, обсуждаемый в этой книге, охватывает различные предметы, от астрономии до зоологии, поэтому ссылки в последней главе обязательно широки по охвату. Они варьируются от научно-фантастических рассказов до научно-популярных книг и первичных исследовательских статей, опубликованных в научных журналах. Многие читатели могут столкнуться с трудностями при доступе к более специализированным ссылкам, но я надеюсь, что они, по крайней мере, смогут использовать эту главу для поиска связанной информации в Интернете.

Книга специально предназначена для широкой аудитории. Одна из прелестей парадокса Ферми заключается в том, что его можно оценить без необходимости какой-либо математики, кроме понимания экспоненциальной записи. Отсюда следует, что любой может представить разрешение парадокса Ферми; вам не нужно иметь за плечами годы научной и математической подготовки, чтобы внести свой вклад в дебаты. Я надеюсь, что читатель этой книги сможет придумать решение, о котором никто другой не подумал. Если вы это сделаете, пожалуйста, напишите мне и поделитесь!

2. О Ферми и Парадоксе

Прежде чем рассматривать достоинства различных предложенных решений парадокса Ферми, в этой главе излагаются некоторые предпосылки. Сначала я представлю краткую биографию самого Энрико Ферми, сосредоточившись лишь на нескольких из его многочисленных и разнообразных научных достижений. Я упомяну только те вклады в науку, на которые ссылаюсь в последующих разделах книги. Я игнорирую, например, его вклад в физику космических лучей: Ферми первым предложил реалистичную модель для объяснения происхождения высокоэнергетических частиц, бомбардирующих Землю из космоса. Эта работа отмечена названием спутниковой миссии НАСА по исследованию космических лучей — Космический гамма-телескоп Ферми. Действительно, научные достижения Ферми были настолько многочисленны, что Космический телескоп Ферми — лишь последнее из множества объектов, названных в его честь. Фермилаб в Батавии, штат Иллинойс, является одним из ведущих мировых центров физики элементарных частиц; элемент с атомным номером 100, впервые синтезированный в 1952 году при взрыве водородной бомбы, называется фермий (Fm); типичный масштаб длины в ядерной физике, 10– 15 м, называется ферми; 8103 Ферми — астероид главного пояса, а Ферми — большой кратер на обратной стороне Луны; несколько сотрудников Института Энрико Ферми при Чикагском университете получили Нобелевские премии. За более подробной информацией о жизни Ферми, как в науке, так и вне ее, я рекомендую заинтересованному читателю обратиться к биографиям Ферми, перечисленным в Списке литературы.

Затем я обсуждаю понятие парадокса и кратко рассматриваю несколько примеров из различных областей. Парадокс сыграл важную роль в истории мысли, помогая мыслителям расширять свои концептуальные рамки, а иногда заставляя их принимать довольно контринтуитивные понятия. Интересно сравнить парадокс Ферми с этими более устоявшимися парадоксами.

Наконец, я обсуждаю, как возник сам парадокс Ферми — где все? Стоит отметить, что некоторые утверждают, что это не парадокс, и он не принадлежит Ферми. Тем не менее, мы увидим, что вопрос Ферми можно облечь в форму формального парадокса (если вы чувствуете в этом необходимость), и я объясню, как имя Ферми стало ассоциироваться с парадоксом, который старше, чем многие полагают.

Физик Энрико Ферми

Бесполезно пытаться остановить движение знания вперед. Невежество никогда не лучше знания. Энрико Ферми

Энрико Ферми был самым всесторонним физиком прошлого века — теоретиком мирового класса, проводившим экспериментальную работу высочайшего уровня. Ни один другой физик со времен Ферми не переключался между теорией и экспериментом с такой легкостью, и маловероятно, что кто-то сделает это снова. Область науки стала слишком обширной, чтобы позволить такое пересечение.

Ферми родился в Риме 29 сентября 1901 года, он был третьим ребенком Альберто Ферми, государственного служащего, и Иды ДеГаттис, школьной учительницы. Он рано проявил способности к математике[4], и будучи студентом-физиком в Высшей нормальной школе в Пизе, он быстро превзошел своих учителей.[5]

Его первым крупным вкладом в физику был анализ поведения определенных фундаментальных частиц, составляющих материю. Эти частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны, теперь в его честь называются фермионами. Ферми показал, как при сжатии материи, когда одинаковые фермионы сближаются, возникает сила отталкивания, которая сопротивляется дальнейшему сжатию. Это фермионное отталкивание играет важную роль в нашем понимании таких разнообразных явлений, как теплопроводность металлов и стабильность белых карликов. Вскоре после этого теория бета-распада Ферми (тип радиоактивности, при котором массивное ядро испускает электрон) укрепила его международную репутацию. Теория требовала, чтобы вместе с электроном испускалась призрачная частица, которую он назвал нейтрино — «маленький нейтральный». Не все верили в существование этого гипотетического фермиона, но Ферми оказался прав. Физики наконец обнаружили нейтрино в 1956 году. Хотя нейтрино остается довольно неуловимым из-за его нежелания взаимодействовать с обычной материей, его свойства играют глубокую роль в современных астрономических и космологических теориях.

В 1938 году Ферми был удостоен Нобелевской премии по физике, отчасти в знак признания разработанной им методики исследования атомного ядра. Его методика привела его к открытию новых радиоактивных элементов; бомбардируя природные элементы нейтронами, он получил более 40 искусственных радиоизотопов. Награда также была признанием его открытия способа замедления нейтронов. Это может показаться незначительным моментом, но он имеет глубокие практические применения, поскольку медленные нейтроны более эффективны, чем быстрые, в индуцировании радиоактивности. (Медленный нейтрон проводит больше времени в окрестности ядра-мишени и, следовательно, с большей вероятностью взаимодействует с ядром. Аналогично, хорошо нацеленный мяч для гольфа с большей вероятностью попадет в лунку, если он движется медленно: быстрый удар может прокатиться мимо.) Этот принцип используется при работе ядерных реакторов.